孙向东超级电容器储能技术

超级电容器储能技术孙向东教授西安理工大学2012年11月24日内容•超级电容器储能发展现状•超级电容器单体电压均衡技术•超级电容器储能技术•展望超级电容器储能连接方式双向变换器形式混合储能系统1/50储能介质的选择？超级电容器优点功率密度大寿命长非常短的充电时间（0.1s-30s）相对控制简单缺点能量密度小单体电压低ElectricDoubleLayerCapacitor(EDLC)1879年德国人Helmholz发现了超级电容器储能机理。一、超级电容器储能发展现状2/50•美国Maxwell和Elna等、日本松下等、德国EPCOS、韩国NESSCAP、俄罗斯EMSA和ACOND等公司在大力研究超级电容器。•在1996年Eltran公司就已研制出了以纯电容器作为电源的电动汽车样品，时速可达25km/h，每充电一次可行驶12km。3/50•日本：电容自行车，充电15s，行驶20km。•美国加利福尼亚2005年研制了一台用来减小950kW风力发电机组向电网输送功率波动的450kW超级电容器储能装置。•ABB公司利用超级电容器储能的DVR装置安装在4MW的半导体工厂，实现了160ms的低电压跨越。4/50•中国科学院电工所承担的863项目2005年通过了专家验收。此项目搭建了用于光伏发电系统的超级电容器储能系统。•2006年8月，上海超级电容公交电车投入运营。超级电容车公交车队已累计运行了75万公里，平均每公里耗电1千瓦时，行驶费用仅为普通燃油车的1/3。5/50•2012年8月，北京集星联合电子科技有限公司与其合资企业宁波南车新能源科技有限公司合作研发的超级电容储能系统，已成功应用于中国南车株洲电机有限公司生产的城市轨道试验列车上。•2.7V、3000F/2000A超级电容模组，掌握了储能式电力牵引轻轨车辆的“中国芯”。据了解，更高量级的超级电容模组研发已进入关键阶段。6/50•超级电容器电池占世界能量储存装置(包括电池、电容器)的市场份额不足5%，在我国所占市场份额约为0.5%，刚刚走出市场培育期，进入高速成长期的产品，存在着巨大的市场潜力。•2012年，超级电容器产业规模约50亿元。2015年，将超过100亿元。7/50二、超级电容器单体电压均衡技术•为什么要均压？•单体电压低，1-3V•内阻相对电解电容器大，参数不一致8/50超级电容器的电压均衡方法超级电容器串联电压均衡技术可分为能耗型和回馈型两类。•优点：电路结构简单，易实现，成本低。缺点：充电能量完全消耗在电阻或稳压管上，能量浪费严重，均衡效率低。能耗型1）并联开关电阻法2）并联稳压管法9/501）变压器结构法充电电源将能量传到能量最弱电容器中，保持电容器间均衡度。(a)共享变压器结构(b)多个变压器结构优点：开关数目少，控制简单。缺点：副边绕组数目多，结构复杂，成本高。C1C2Cn控制I****10/50回馈型是通过能量变换器将单体之间的偏差能量送回电容组或组中某些单体。2）DC-DC变换器法优点：能量损耗低，电压均衡速度快缺点：需要的电感、开关管等功率件多，控制复杂，成本高比较相邻电容器之间的电压，使能量在相邻的两个电容器间传递，最终将电压高的超级电容器中能量通过变换器转移到电压低的超级电容器中。11/50•电压检测单元实时检测每支超级电容器的工作电压,确定当前电压最高的电容器和电压最低的电容器，通过控制开关的开通和关断使“飞渡”电容器将电压最高的电容器和电压最低的电容器连接起来，将电压高的超级电容器中的能量向电压低的超级电容器中转移，实现电压均衡。3)单飞渡电容器电压均衡法能量在传递过程中不经过其它超级电容器!12/504）多飞渡电容器电压均衡法比较相邻的两个超级电容器电压，能量在传递过程中会经过其它超级电容器！13/50多飞渡电容器电压均衡电路一最上面和最下面两个超级电容器间也可以交换能量。14/50多飞渡电容器电压均衡电路二15/50优点：均衡速度快缺点：开关管多、控制复杂、成本高多飞渡电容器电压均衡电路三将多飞渡电容均衡法应用到由三支超级电容器组成的超级电容器组上，并对超级电容器组进行了多种情况的实验。采用北京集星科技有限公司型号为SU1800P-0027V-1RS的超级电容器，脉冲频率为20kHz，飞渡电容为2200uF的电解电容。多飞渡电容器均压电路小电流充电均压实验16/5005101520253035404500.511.522.53时间(min)电压(V)05101520253035404500.511.522.53时间(min)电压(V)无均压电路有均压电路初始电压都为0V，2A恒流充电时三支超级电容器的电压曲线17/50051015202530354000.511.522.53时间(min)电压（V）051015202530354000.511.522.53时间(min)电压(V）无均压电路有均压电路初始最大电压差为0.4V，2A恒流充电时三支超级电容器的电压曲线18/50电池/超级电容DCAC用户负载电网DCDC3超级电容器储能技术19/50a)超级电容器储能连接方式1)直接连接在直流母线上2)通过DC-DC非隔离变换器连接在直流母线上3)通过DC-HFAC-HFDC隔离变换器连接在直流母线上20/50b)双向变换器形式•隔离变换器形式•非隔离变换器形式两电平电路三电平电路21/50►隔离变换器形式双全桥变换器是目前应用最多的双向变换器之一,其优点：运用移相控制可以实现软开关，效率较高，适用于大功率应用场合等。在两端电压相差很大的场合，如电动汽车，一般采用隔离式双向变换器，它可以通过调整变压器匝比来达到两端电压的匹配，同时实现电气隔离功能。22/50零电压开关双半桥双向变换器主要优点：1)由于半桥变换器的电压利用率只有输入电压的一半，如果双向变换器两端电压相差很大，将半桥电路作为高压端主电路，可以将变压器匝比减小一半，减小变压器漏感；2)器件数量少一半，结构简单；3)控制简单，仅有四只开关管，用一片控制芯片即可完成移相控制。23/50半桥加推挽双向变换器该变换器具有结构简单、电流纹波小等优点，而由二极管和变压器辅助绕组组成的辅助网络可以防止变压器的单边磁化。24/50有源钳位加推挽变换器该变换器适用于小功率系统，控制相对简单。25/50►非隔离变换器形式中小功率时仅采用一组BUCK-BOOST充放电路大功率时采用多组BUCK-BOOST充放电路并联协调控制该电路器件数量少，成本低，没有变压器损耗，效率高，无源器件少，易于模块化设计，集成控制电路简单BUCKBOOST缺点：当两端电压范围较宽时，电感较大，降低变换器的动态响应速度，且功率密度较低。►两电平双向变换器26/50直流母线电压波动抑制实验研究dcU27/50超级电容器储能电路超级电容器组28/501）直流母线电压波动模拟实验dcU1C0RR1S2S2CLsaRaCscU用单相二极管整流模拟直流母线电压波动，利用超级电容器储能系统抑制其波动，将其直流母线电压稳定于100V。单体超级电容为1800F/2.7V，超级电容器组由50支超级电容器串联组成，总容量值为36F，总额定电压为135V，总串联等效内阻为35mΩ。29/50dcUscULI储能系统动作前后的实验波形dcUscULI储能系统起动后的稳态实验放大波形直流母线电压波动±10%，波动频率为100Hz时，超级电容器储能系统动作前后的直流母线电压、超级电容器组电压以及电感电流的实验波形。30/50dcUscULIdcUscULI储能系统动作前后的实验波形储能系统起动后的稳态实验放大波形直流母线电压波动+25%，波动频率为100Hz时，超级电容器储能系统动作前后的直流母线电压、超级电容器组电压以及电感电流的实验波形。31/50scUdcULIdcUscULI储能系统动作前后的实验波形储能系统起动后的稳态实验放大波形直流母线电压波动-30%，波动频率为100Hz时，超级电容器储能系统动作前后的直流母线电压、超级电容器组电压以及电感电流的实验波形。32/502）储能系统在单相光伏发电系统中的应用+−0L0CRdcU超级电容器组参数与模拟实验一致，光伏电池板参数为：标准条件下，最大功率为85W，开路电压为22.2V，短路电流为5.15A，最大功率点下最优工作电压为17.8V，最优工作电流为4.8A。实验中将10块光伏电池板进行串联，对应的最大功率为850W。33/50dcUPVUinvI人为地使光伏阵列的输出电压为0.2Hz的方波，下图为当光伏阵列的输出功率变化时，超级电容器储能系统工作前后的直流母线电压、光伏阵列输出电压以及逆变输出电流波形。直流母线电压人为扰动的光伏阵列输出电压逆变器输出电流34/50dcUPVUinvI突加负载PVUinvIdcU突减负载单相光伏发电系统突加负载（50%Æ100%）、突减负载（100%Æ50%）时超级电容器储能系统工作前后的直流母线电压、光伏阵列输出电压以及逆变输出电流波形。35/503）储能系统在单相微网逆变器中的应用超级电容器组36/50逆变器离网模式交流负载使用四只白炽灯串联，图中Vdc为直流母线电压，Vload为负载两端电压，IL为流经滤波电感电流。 逆变器离网带载电压与电流波形37/50逆变器并网模式并网实验条件与离网条件相同，但是逆变器输出电流直接并入电网，不再加负载。Vdc为直流母线电压，IL为逆变器滤波电感电流，Vgrid为电网电压。 逆变器并网电压与电流波形38/50并网/离网模式切换 离网模式到并网模式切换波形离网向并网切换时刻 并网模式到离网模式切换波形并网向离网切换时刻图中Vdc为直流母线电压，IL为逆变器滤波电感电流，Vgrid为电网电压，Vload为负载电压。39/50►三电平双向变换器40/5041/5042/50在相同电感和相同开关频率的条件下，三电平双向变换器的电感电流最大脉动量仅为两电平双向变换器的1/4。如果要求两者的电感电流脉动的最大值相同，那么三电平双向变换器的电感可以减小为两电平双向变换器电感的1/4，因此三电平双向变换器的动态响应可以得到大大提高。三电平的开关管耐压是两电平的一半。43/50UDC正负波动20%，电感电流，超级电容电压、电流波形超级电容器电压的1/1044/500.3s负载从1kW突减到0.3kW;0.5s负载从0.3kW突加到3kW电感电流，超级电容电压电流波形45/50超级电容器电压的1/10•EVc)混合储能系统加速模式（boost）46/50减速模式（buck）47/50展望•军事领域48/50•电动汽车叉车：燃料电池与超级电容器配合使用车辆低温启动游览车49/50•各种微处理机的备用电源和辅助电源；•玩具车、闪光灯、手电动工具；•各种智能仪表；•电网闪络平抑、UPS等。•太阳能和风能、无线通信、消费电子、工业仪器仪表、内燃机车、微电网50/50谢谢！