關(guān) 靜

(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

與具有KCM靜電容量的電容的端子電壓等效，因此能夠模擬比所使用的電解電容CM容量大的靜電容量。PWM整流器充電時將剩余電能再生給系統(tǒng)電源，放電時從系統(tǒng)電源供給不足的電能，PWM 整流器采用直流電容 CDC 穩(wěn)壓控制[9-11]。以下對升降壓斬波器和PWM整流器的控制方法進(jìn)行研究，圖1中iCh=iL-iCM，為了模擬K倍的靜電容量，當(dāng)iCM=iL/K時，可得:

基于PSIM的雙電層電容器仿真器的研究

關(guān) 靜

(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

文章提出了一種用電解電容和三相變換電路構(gòu)成的雙電層電容器仿真器模型，闡述和分析了該仿真器模型的工作原理，并在PSIM6.0環(huán)境下對仿真器模型進(jìn)行了計算機(jī)仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的仿真器模型的正確性，它能夠用小容量的電解電容有效地模擬大容量的雙電層電容器。

雙電層電容器;升降壓斬波器;PWM整流器;PSIM

0 引言

雙電層電容器(EDLC:Electric Double Layer Capacitor)能量密度高、壽命長，易作為能量存儲設(shè)備使用[1-4]。近年來在后備電源、燃料電池、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越廣泛[5-7]。為了進(jìn)行EDLC能量存儲系統(tǒng)的開發(fā)研究，提出了一種利用電解電容和升降壓斬波器實(shí)現(xiàn)EDLC仿真器的方法[8]，此方法提出通過升降壓斬波器控制流入流出電解電容的電流，模擬比電解電容自身的靜電容量大的大容量電容，但由于通過電阻消耗EDLC仿真器充電動作時產(chǎn)生的電能的剩余部分，因此存在EDLC仿真器電能損失大的問題。

文章提出利用電解電容和三相變換電路進(jìn)行EDLC仿真器研究的方法，三相中一相作為升降壓斬波器工作，剩余兩相作為PWM整流器工作。EDLC仿真器放電模式時，通過PWM整流器從系統(tǒng)電源向電解電容提供負(fù)載要求的放電電能，EDLC仿真器充電模式時，PWM整流器作為逆變器工作，使電解電容上不能存儲的剩余電能再生給系統(tǒng)電源，由此解決了仿真器用電阻消耗充電時的剩余電能的問題。

1EDLC仿真器

圖1是EDLC仿真器圖，EDLC仿真器由主電解電容CM、升降壓斬波器及PWM整流器構(gòu)成。升降壓斬波器由電感 LCh和 Q1、Q2組成，PWM 整流器由 Q3、Q4、Q5、Q6組成。在 EDLC 仿真器中，通過升降壓斬波器控制流入流出主電解電容CM的電流iCM，使主電解電容能夠模擬大容量的EDLC。EDLC仿真器充電模式時，Q1通常為OFF狀態(tài)、Q2進(jìn)行開關(guān)，由此形成升壓動作，通過從負(fù)載來的輸出電流iL向主電解電容CM供給充電電流iCM，通過升壓斬波器控制，使iCM為iL的1/K倍，所以負(fù)載電流iL的大部分流入升壓斬波器，此時通過使PWM整流器的逆變動作，使不流入電解電容CM的電能剩余部分再生給系統(tǒng)電源，由此能夠解決文獻(xiàn)[8]仿真器由電阻消耗剩余電能的問題。另外，在EDLC仿真器處于放電模式時，通常使Q2為OFF狀態(tài)、Q1進(jìn)行開關(guān)，作為降壓斬波器動作。在此放電模式時，從系統(tǒng)側(cè)被供給的電流通過PWM整流器與主電解電容CM的放電電流iCM一起供給負(fù)載側(cè)，降壓斬波器控制使從主電解電容CM向負(fù)載的放電電流iCM為iL的1/K倍。

圖1 EDLC仿真器圖

假設(shè)EDLC的靜電容量為C、充放電電流為iC、電容的初始電壓為uC(0+)，則t時刻電容的電壓uC為:

本文提出的EDLC仿真器利用升降壓斬波電路控制流入流出主電解電容CM的電流為iCM=iL/K。此時，主電解電容CM的端子電壓uCM為:

由式(2)可知，EDLC仿真器的端子電壓uCM

與具有KCM靜電容量的電容的端子電壓等效，因此能夠模擬比所使用的電解電容CM容量大的靜電容量。PWM整流器充電時將剩余電能再生給系統(tǒng)電源，放電時從系統(tǒng)電源供給不足的電能，PWM 整流器采用直流電容 CDC穩(wěn)壓控制[9-11]。以下對升降壓斬波器和PWM整流器的控制方法進(jìn)行研究，圖1中iCh=iL-iCM，為了模擬K倍的靜電容量，當(dāng)iCM=iL/K時，可得:

根據(jù)式(3)，通過升壓斬波器控制電流iCh能夠模擬主電解電容的K倍的靜電容量。在圖1中檢測負(fù)載電流iL、乘以1/K，再從iL中減去后的值作為流入流出升降壓斬波器的電流理想值。檢測，通過PI調(diào)節(jié)器放大電流理想值和的偏差，采用三角波比較方式PWM開關(guān)Q1或Q2來追蹤理想值，由式(3)給予的電流流入流出升降壓斬波器，此電流控制中PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為KP1=10，tI1=1 ms。PWM整流器通過直流電容CDC的穩(wěn)壓控制，將充電時的剩余電能再生給系統(tǒng)電源，放電時從系統(tǒng)電源供給不足的電能。通過PI調(diào)節(jié)器放大直流電容電壓的理想值和檢測的直流電容電壓uDC的偏差，運(yùn)算用于控制直流電容電壓的有效電流振幅IP。另一方面，從系統(tǒng)側(cè)檢測到的uS=USsinωt產(chǎn)生振幅為■2的正弦基準(zhǔn)電壓，將此基準(zhǔn)電壓乘以IP，成為將uDC控制成一定值的電流理想值，求得檢測到的系統(tǒng)側(cè)的電流iS和電源電流理想值的偏差，再通過PI調(diào)節(jié)器放大，利用三角波比較方式PWM，開關(guān)Q3、Q4、Q5、Q6使iS追蹤理想值，此電壓控制中PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為=1，=33 ms。

2 仿真結(jié)果

為了確認(rèn)EDLC仿真器的有效性，通過PSIM進(jìn)行了計算機(jī)仿真。用于模擬大容量的靜電容量的主電解電容CM及PWM整流器的直流電容均取3 300 μF。仿真中式(2)控制增益K取10，相當(dāng)于模擬了33 mF的靜電容量，直流電容CDC電壓的理想值為250 V。

圖2是EDLC仿真器充電模式時的PSIM的仿真結(jié)果。

圖2 EDLC仿真器充電模式時的仿真波形

仿真波形從上至下依次表示負(fù)載電流iL、流入升降壓斬波器的電流、直流電容電壓uDC和EDLC仿真器的電壓。通過PWM整流器的直流電容穩(wěn)壓控制，使直流電容CDC電壓在250 V穩(wěn)定的狀態(tài)下通過2.5 A的負(fù)載電流iL充電，負(fù)載電流iL的大部分流入升降壓斬波器，剩余的電流成為主電解電容CM的充電電流。充電模式時通過升壓斬波器控制，EDLC仿真器的電壓從初始電壓的100 V在1.6 s間上升到約214 V。圖3(a)是EDLC仿真器充電模式時的系統(tǒng)側(cè)電壓uS、電流iS及EDLC仿真器電壓uCM的放大波形，圖3(b)是對應(yīng)的Q3～Q6波形。

圖3 EDLC仿真器充電模式時系統(tǒng)側(cè)的電壓、電流波形及對應(yīng)的Q3～Q6波形

在圖2、圖4的仿真結(jié)果中，負(fù)載電流為2.5 A，充放電時間為1.6 s，此時 Δ為114 V，代入式(4)，得C=35 mF，從而確認(rèn)能夠模擬主電解電容10倍靜電容量的事實(shí)。

圖3中由于系統(tǒng)側(cè)電壓和電流逆相，因此PWM整流器作為逆變器動作，能夠?qū)⒊潆姇r發(fā)生的電能剩余部分再生給系統(tǒng)。

圖4是EDLC仿真器放電模式時的PSIM的仿真結(jié)果。與充電模式時相同，在放電模式時，通過直流電容穩(wěn)壓控制，使電容電壓在250 V狀態(tài)下通過 -2.5 A的負(fù)載電流iL放電。比起升降壓斬波器流出的電流iCh，負(fù)載電流iL的大部分從系統(tǒng)側(cè)供給，剩余電流為從CM來的放電電流。放電模式時通過降壓斬波器控制，EDLC仿真器的電壓從初始電壓214 V在1.6 s間下降到100 V。圖5(a)是EDLC仿真器放電模式時的系統(tǒng)側(cè)電壓uS、電流iS及EDLC仿真器電壓的放大波形圖，圖5(b)是對應(yīng)的Q3～Q6波形。由圖5可知，與充電模式時相反，系統(tǒng)側(cè)在放電時電壓和電流同相，從而確認(rèn)通過PWM整流器放電時所需的電能由系統(tǒng)供給。這里EDLC仿真器的靜電容量的充放電特性可表示為:

圖4 EDLC仿真器放電模式時的仿真波形

3 結(jié)語

圖5 EDLC仿真器放電模式時系統(tǒng)側(cè)的電壓、電流波形及對應(yīng)的Q3～Q6波形

本文提出了利用電解電容和三相變換器電路組成的EDLC仿真器，三相中一相作為升降壓斬波器動作、剩余兩相作為PWM整流器動作。在EDLC仿真器放電模式時，負(fù)載要求的放電電能通過PWM整流器從系統(tǒng)供給主電解電容;在EDLC仿真器充電模式時，PWM整流器作為逆變器使用，使主電解電容不能存儲的剩余電能再生給系統(tǒng)。文中研究了升降壓斬波器和PWM整流器的控制方法，然后基于PSIM6.0仿真了所提出的EDLC仿真器，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的EDLC仿真器的有效性，通過計算機(jī)仿真證明能夠用主電解電容模擬10倍的靜電容量，從而驗(yàn)證了EDLC仿真器的正確性。下一步工作準(zhǔn)備進(jìn)行EDLC仿真器模型的實(shí)踐電路的研究。

[1]陳英放，李媛媛，鄧梅根.超級電容器的原理及應(yīng)用[J].電子元件與材料，2008，27(4):6 -9.

[2]Nomoto H，Nakata K，Yoshioka，et al.Advanced Capacitors and Theirapplication[J].J Power Sources，2001(97/98):807-811.

[3]朱修鋒，景曉燕.金屬氧化物超級電容器及其應(yīng)用進(jìn)展[J].功能材料與器件學(xué)報，2002，8(3):325-330.

[4]劉春娜.超級電容器應(yīng)用展望[J].電源技術(shù)，2008，27(4):6-9.

[5]LI Nan，ZHANG Jian-cheng，ZHONG Yun.A Novel Charging Control Scheme for Super-capacitor Energy Storage in Photovoltaic Generation System[C]//Third International Conference on DRPT 2008.Nanjing:[s.n]，2008:2671 -2675.

[6]HUA Cheng-yong.MIERLO V，BOSSCHE V D，et al.Energy Sources Control and Management in Hybrid Electric Vehicles[C]//EPE-PEMC 2006.12th International.Portoroz:[s.n]，2006:524 -530.

[7]徐長勤.城市軌道交通再生制動能量儲存利用[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2005(6):18-20.

[8]舩曳繁之，児玉信介，山本真義.EDLCシミュレータの動作[J].電気學(xué)會論文誌 D，2007，127(9):1030 -1031.

[9]張立.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2004.

[10]程時杰，文勁宇，孫海順.儲能技術(shù)及其在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2005，24(4):1-8.

[11]馬奎安，陳敏.超級電容器儲能系統(tǒng)充電模式控制設(shè)計[J].2010，27(7):85 -88.

PSIM-based Exploration of Electric Double Layer Capacitor Simulator

GUAN Jing

(School of Electronic Information ＆ Electric Engineering，Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002)

This paper presents an electric double layer capacitor simulator composed of the electrolytic capacitors and a three-phase converter circuit，and the circuit principle is discribled and analyzed.Then the circuit simulation is finished in the PSIM6.0 software environment，whose results demonstrate the validity and correctness of the proposed electric double layer capacitor simulator.In such circuit a small capacity capacitors can perform a large capacity electric double layer capacitor.

electric double layer capacitor;buck-boost chopper;PWM rectifier;PSIM

TM531.5

A

1671-0436(2011)03/04-0001-05

2010-12-17

常州工學(xué)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目(YN04059)

關(guān)靜(1978— )，女，講師。

責(zé)任編輯:張秀蘭