超級電容器-鋰電池混合儲能特性及控制策略分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u4243超級電容器-鋰電池混合儲能特性及控制策略分析案例 187081.1超級電容器工作特性 1277121.1.1超級電容器工作原理 1169141.1.2超級電容器等效模型 2211171.1.3超級電容器輸出特性 274971.2鋰電池工作特性 3296111.2.1鋰電池工作原理 329151.2.2鋰電池等效模型 3302261.2.3鋰電池輸出特性 4228341.3混合儲能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略的研究 4236131.1.1混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 4194701.1.2混合儲能系統(tǒng)運行及控制策略 5223221.4混合儲能系統(tǒng)仿真 855511.4.1混合儲能系統(tǒng)充電仿真測試 9111211.4.2混合儲能系統(tǒng)放電仿真測試 12255171.5小結(jié) 141.1超級電容器工作特性1.1.1超級電容器工作原理超級電容器，主要是指基于雙電層原理工作的雙電層超級電容器。常用超級電容器的電解質(zhì)為碳材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖3-1所示。圖3-1超級電容器結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示，超級電容器由一個正、負極板，兩個電極板間的隔膜及其電解液構(gòu)成，兩個極板可視為是置于電解液中的兩個活性碳電極。根據(jù)電容器原理，電極間距和表面積決定了電容器容量。超級電容器采用多孔活性碳電極，和電解質(zhì)具有極大的表面積，且雙層之間的距離也非常小，故超級電容器具有很大的電容量，可以用來儲存大量的靜電能量[19-24]。1.1.2超級電容器等效模型為了更好的分析和應用超級電容器，需要對超級電容器進行建模，對此學者們提出眾多等效模型。一般采用簡化模型，主要有以下幾種：非線性簡化模型、經(jīng)典模型以及簡化串聯(lián)RC模型。前兩種模型都考慮了電感效應，但正常工作時漏電流極小，可以忽略其電感效應，為便于分析，本文采用簡化串聯(lián)RC模型。如圖3-2所示為簡化串聯(lián)RC模型，其由串聯(lián)等效電阻R和理想電容器Ｃ串聯(lián)而成。圖3-2簡化串聯(lián)RC模型如圖3-2所示，圖中，USC表征超級電容端電壓；ISC表征流過電容C的電流，R表征等效串聯(lián)電阻。1.1.3超級電容器輸出特性如圖3-2所示，根據(jù)電路原理，可得電路方程：（3-1）超級電容器SOC可表示為：（3-2）式（3-2）中：Qt是在時間t存儲在超級電容器中的電荷量，QN是超級電容器的總?cè)萘?，Umax是超級電容器正常工作時的最大電壓值，Umin是超級電容器正常工作時的最小電壓值。將式（3-1）代入式（3-2）可得：（3-3）式（3-3）中：U0是超級電容器的初始電壓；故可得超級電容器儲存的能量JSC為：（3-4）1.2鋰電池工作特性1.2.1鋰電池工作原理鋰離子電池采用電化學儲能方式，其內(nèi)部由正負極、隔膜、外殼和電解液四個部分組成，本文以磷酸鐵鋰電池為例對其進行分析[41]：（1）當施加電場時，鋰離子離開正極，通過電解質(zhì)和膜后進入負極，正鋰離子減少，負鋰離子增加，即為充電狀態(tài)；（2）反之，鋰離子離開負極，進入正極，正鋰離子增加，負鋰離子減少，即為放電狀態(tài)。充放電過程中，鋰電池正、負極和電解液的化學方程式可分別表示為：（3-5）（3-6）（3-7）1.2.2鋰電池等效模型鋰電池的等效電路模型中較為常見的包括二階RC模型、Thevenin模型、內(nèi)阻模型。其兩者模型中考慮了極化因子，可以解決環(huán)境溫度變化或電池老化引起的計算精度下降的問題，但模型的結(jié)構(gòu)比較復雜?？紤]到本設計受環(huán)境因素極小，故采用內(nèi)阻模型，模型結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。圖3-3內(nèi)阻模型如圖3-3所示，內(nèi)阻模型由理想電壓源E和內(nèi)阻Rb串聯(lián)而成，其結(jié)構(gòu)簡單，實用性強。其中Ub是鋰電池的端電壓；Ib是鋰電池電流。1.2.3鋰電池輸出特性根據(jù)圖3-3內(nèi)阻模型，可得鋰電池輸出特性方程為：（3-8）荷電狀態(tài)SOC特性方程為：（3-9）1.3混合儲能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略的研究1.1.1混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文設計了基于雙有源全橋DC/DC變換器的超級電容-鋰電池混合儲能系統(tǒng)，如圖3-5所示。圖3-5超級電容-鋰電池混合儲能系統(tǒng)如圖3-5所示，超級電容器和鋰電池分別經(jīng)過雙有源全橋變換器1、2連接到直流母線，構(gòu)成并聯(lián)型超級電容器-鋰電池混合儲能系統(tǒng)。1.1.2混合儲能系統(tǒng)運行及控制策略混合儲能系統(tǒng)控制框圖如圖3-6所示。圖中Uref、Udc分別為直流母線電壓的參考值和實際值；Usc為超級電容電壓的實際值。圖3-6混合儲能系統(tǒng)運行控制框圖當系統(tǒng)母線電壓發(fā)生波動時，超級電容器先進行調(diào)節(jié)，以下為超級電容器控制過程：（1）當UL1<Udc<UH1：直流母線電壓的波動較小，在微電網(wǎng)自行調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，儲能系統(tǒng)不動作，此時，超級電容器的輸出電流為0。（2）當UH1<Udc<UH2：直流母線電壓升高，超級電容器儲能系統(tǒng)開始工作，為充電狀態(tài)，從微電網(wǎng)中快速吸收能量。（3）當UL2<Udc<UL1：直流母線電壓降低，超級電容器儲能系統(tǒng)開始放電，此時輸出電流，向微電網(wǎng)快速輸出能量。超級電容器的儲能控制流程如下圖3-7所示：圖3-7超級電容器儲能控制流程隨著超級電容器儲能持續(xù)工作，當其端電壓超過單獨調(diào)節(jié)范圍時，向鋰電池發(fā)出動作信號，鋰電池也進行調(diào)節(jié)，二者協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)對母線電壓的調(diào)節(jié)，維持直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。超級電容端電壓Usc1、Usc2、Usc3、Usc4分別為鋰電池儲能系統(tǒng)動作臨界值，鋰電池控制過程為：（1）當Usc2<Usc<Usc3：只采用超級電容器的單獨調(diào)節(jié)，該區(qū)間為鋰電池儲能系統(tǒng)的不動作區(qū)。此時，鋰電池儲能輸出電流為0；（2）當Usc3<Usc<Usc4：超級電容器端電壓過高，鋰電池儲能系統(tǒng)開始充電，鋰電池從微電網(wǎng)中吸收功率；（3）當Usc1<Usc<Usc2：超級電容器端電壓過低，鋰電池儲能系統(tǒng)開始放電，鋰電池向微電網(wǎng)提供能量。鋰電池儲能運行流程圖具體見圖3-8所示。圖3-8鋰電池儲能控制流程為了避免超級電容器和鋰電池的深度充電和放電，防止裝置損壞，需設定其工作區(qū)間，當運行超過設定限值時，停止工作。（1）超級電容器：采用端電壓Usc設定工作區(qū)間，為（Usc1，Usc4）；（2）鋰電池：采用剩余容量SOCb確定運行區(qū)間，為（SOCbmin，SOCbmax）。該控制策略可以充分發(fā)揮超級電容和鋰電池的優(yōu)勢，通過采集直流母線電壓和超級電容器電壓就可以實現(xiàn)其作用，不需要計算高低頻功率，降低了控制的復雜性。1.4混合儲能系統(tǒng)仿真根據(jù)上述超級電容-鋰電池混合儲能系統(tǒng)圖3-5，本文搭建了基于Matlab/simulink的混合儲能系統(tǒng)圖，如圖3-9所示。圖3-9混合儲能系統(tǒng)仿真模型仿真參數(shù)同后文4.4.1中的設置，仿真模型中對應的兩個控制模塊，圖3-10為超級電容器控制模塊，圖3-11為鋰電池控制模塊。圖3-10超級電容器控制模塊圖3-11鋰電池控制模塊根據(jù)混合儲能系統(tǒng)的功能，設定以下兩種運行狀態(tài)對其進行仿真測試：（1）混合儲能系統(tǒng)充電，用于直流母線電壓上升時，吸收系統(tǒng)能量；（2）混合儲能系統(tǒng)放電，用于直流母線電壓下降時，提供系統(tǒng)能量。1.4.1混合儲能系統(tǒng)充電仿真測試超級電容器-鋰電池混合儲能系統(tǒng)充電仿真測試如下圖3-12、3-13所示。圖3-12為充電模式1，此模式只有超級電容器動作，圖3-13為充電模式2，此模式下超級電容器和鋰電池都處于充電狀態(tài)。圖3-12充電模式1仿真測試充電模式1的仿真結(jié)果如圖3-12所示。開始時系統(tǒng)功率保持平衡，在0.031s時負荷減少或光伏輸出功率增加，直流母線電壓升高至416.93V，系統(tǒng)功率有剩余。此時超級電容器發(fā)生動作，吸收系統(tǒng)功率，處于充電狀態(tài)，充電電流值逐漸增加，端電壓逐漸增大，鋰電池儲能系統(tǒng)未達到動作電壓，處于截止狀態(tài)。最終Udc穩(wěn)定在411.2V，Isc穩(wěn)定在-12.25A，Usc逐漸增大，Ib為0A，SOCb為50%。圖3-13充電模式2仿真測試充電模式2的仿真結(jié)果如圖3-13所示。開始時系統(tǒng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)，在0.05s時由于負荷迅速減少或光伏輸出功率大幅度增加，直流母線電壓Udc增大到438.2V，系統(tǒng)工作在充電模式1，超級電容器充電，端電壓逐漸增大，在0.268s時Usc增大到102V，鋰電池儲能系統(tǒng)達到動作電壓Usc3，鋰電池開始充電。最終Udc穩(wěn)定在427.5V，Isc穩(wěn)定在-12.12A，，Ib為-1.3A，SOCb為50.022%。1.4.2混合儲能系統(tǒng)放電仿真測試超級電容器-鋰電池混合儲能系統(tǒng)放電仿真測試如下圖3-14、3-15所示。圖3-14為放電模式1，此模式只有超級電容器放電，圖3-13為放電模式2，此模式下超級電容器和鋰電池均處于放電狀態(tài)。圖3-14放電模式1仿真測試放電模式1的仿真結(jié)果如圖3-14所示。開始時系統(tǒng)功率保持平衡，在0.02s時負荷增加或光伏輸出功率減少，直流母線電壓降低至378.5V，系統(tǒng)功率不足。此時超級電容器發(fā)生動作，輸出功率，處于放電狀態(tài)，放電電流值逐漸增加，端電壓逐漸減小，鋰電池儲能系統(tǒng)未達到動作電壓，處于截止狀態(tài)。最終Udc穩(wěn)定在388.2V，Isc穩(wěn)定在12.22A，Usc減小至98.2V，Ib為0A，SOCb為50%。圖3-15放電模式2仿真測試放電模式2的仿真結(jié)果如圖3-15所示。開始時系統(tǒng)處于穩(wěn)定，在0.02s時由于負荷迅速增加或光伏輸出功率大幅度減少，直流母線電壓迅速下降到352.2V，超級電容器迅速放電，直流母線電壓在0.028s時達到365.3V。超級電容器端電壓不斷減小，在0.37s時Usc減小到98V，鋰電池儲能系統(tǒng)達到動作電壓Usc2，鋰電池開始放電，放電電流逐漸增大。最終Udc穩(wěn)定在371.78V，Usc減