超级电容器模块化技术的研究

中国科学院电工研究所博士学位论文超级电容器模块化技术的研究姓名：李海东申请学位级别：博士专业：电工理论与新技术指导教师：齐智平20060601超级电容器模块化技术的研究摘要超级电容器模块化技术是超级电容器储能系统中的关键技术，对提高超级电容器储能系统的效率和能量利用率，增强储能系统的可靠性有着重要的意义。本文对超级电容器模型及其参数识别方法、超级电容器能量转移型电压均衡技术、中小功率超级电容器模块化技术及强脉冲放电应用领域中的超级电容器模块化技术进行了深入的研究。在对已有模型深入分析的基础上，针对中小功率和强脉冲放电应用场合中的超级电容器模型，给出了一种新的模型参数辨识方法，拓宽了模型的应用范围，并通过仿真和实验对模型进行了验证。并结合超级电容器的模型对超级电容器充放电电流、充放电时间间隔长短与超级电容器损耗的关系进行了分析和讨论。提出了能量转移型超级电容器串联电压均衡控制模型，采用电容器、电感作为超级电容器电压均衡的储能器件，分别提出了飞渡电容器、电感储能电压均衡方法，给出了单飞渡电容器和多飞渡电容器电压均衡方法的参数确定原则和控制策略，提出了平均值电感储能电压均衡法和相邻比较式电感储能电压均衡法。文中对飞渡电容器、电感储能电压均衡方法分别进行了仿真分析和实验，并对这些电压均衡方法进行了比较分析，给出了它们的技术特点和适用场合。针对小功率超级电容器储能模块的特性，分别对开关电阻电压均衡方法和串并联切换技术进行了深入的研究，提出了采用开关电阻电压均衡电路和串并联切换电路的小功率超级电容器模块拓扑结构。建立了充电过程中开关电阻电压均衡模块充电损耗的数学模型，并提出了一种低损耗的开关电阻电压均衡电路的参数设计方法，它能使电压均衡模块在保障超级电容器模块可靠工作的同时，将电压均衡的损耗降到昀低。针对中等功率超级电容器储能模块的特性，提出了一种超级电容器电压均衡技术模块分级方案，解决了目前在中等功率电压均衡电路中存在的电压均衡速度慢、效率低、电源供电难等问题。并根据这种方案提出了电感与飞渡电容器组合、电感与开关电阻组合两种模块分级的电压均衡拓扑，并分别进行了仿真分析和实验。对超级电容器应用于强脉冲放电应用领域的可行性进行了分析和研究。建立了强脉冲放电应用的超级电容器模块模型，给出了超级电容器储能系统的管理方案。在爆炸磁流体发电机的应用设计中提出了以超级电容器替代高压脉冲电容器作为储能器件建立强脉冲磁场的方法，对超级电容器模块和高压脉冲电容器模块进行了强脉冲放电仿真分析，并对仿真结果进行了对比，昀后对超级电容器强脉冲放电性能进行了实验验证。关键词：超级电容器；电压均衡；电能储存；超级电容器模型；模块化技术I超级电容器模块化技术的研究StudyonSupercapacitormodularTechnologyLiHaidong（Electricaltheoryandnewtechnology）Directedby:ProfessorQiZhipingAbstractSupercapacitormodulartechnologyisthekeytechnologyofthesupercapacitorenergystoragesystem.Itplaysanimportantroleonimprovingefficiencyandreliabilityofsupercapacitorenergystoragesystem.Thisdissertationstudiesonthesupercapcitormodulartechnologyindetail,andthemainresearchaspectsareasfollows:Basingontheanalysisoftheexistingsupercapacitormodels,thepaperproposesanewparameteridentificationmethodaccordingtothesmall,moderatepowerandhighdischargingapplication.Anenergytransferringsupercapacitorvoltagebalancingcontrolmodelisproposed.Parameterdesignrulesandcontrolstrategyisgiveninmultipleandsingleflyingcapacitormethods.Italsoproposestwovoltagebalancingcircuitsbasedoninductancevoltagebalancingmethod.Thesimulationandtestisgiventothesemethods.Accordingtothecharacteristicsofsmallpowersupercapacitorenergystoragesystem,theswitchingresistancevoltagebalancingtechnologyandseries-parallelchangeovercircuitisanalyzedindetail.Anewsmallpowersupercapacitorbanktopologyisgiven.Itestablishesmathematicalmodelofswitch-resistancevoltagebalancingdevicelossesduringsupercapacitorcharging,andalowlossparameterdesignmethodaboutswitch-resistancevoltagebalancingtechnologyispresented.Accordingtothecharacteristicsofmoderatepowersupercapacitorenergystoragesystem,atwolevelvoltagebalancingmethodisproposed.Accordingthismethod,itproposetwovoltagebalancingtopology,oneisthecombinationofinductanceandflyingcapacitorvoltagebalancingmethod,theotheristhecombinationofinductanceandswitch-resistancevoltagebalancingmethod.Studyonthefeasibilityofsupercapacitorappliedinhighpulsedischargingapplication.Anditestablishesthesupercapacitorbankequivalentcircuitinthehighpulsedischargingapplication,thesupercapacitorenergystoragesystemmanagementrulesisgiven.ProposeanewmethodofusingsupercapacitorsubstitutehighvoltagepulsecapacitorasenergystoragedevicesettinguphighpulsemagneticfieldinthedesignofExplosively—drivenMHDGenerator.II超级电容器模块化技术的研究Keywords：Supercapacitor;voltagebalancingcircuits;energystorage;supercapacitormodel;modulartechnology;III第一章绪论第一章绪论1.1电能储存的背景1.1.1电力系统与电能储存[1,2,3,4]能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，自本世纪50年代以来，随着工农业生产的迅速发展和交通工具数量的增加，世界能源消耗速度急剧增加，全球人口增长和经济增长对能源的需求日益加大。我国已经探明的常规能源剩余储量(煤炭、石油、天然气等)及可开采年限十分有限，能源安全面临挑战，存在着十分危险的潜在危机，而且我国正处在经济社会发展的重要阶段，经济的快速发展、人民生活水平的不断提高，对能源需求大幅度上升。能源危机的重要表现之一便是不断出现的电力紧张。2002年，全国有12个省市发生了拉闸限电，电力装机缺口2035万千瓦。2003年，全国有22个省市发生了拉闸限电，电力装机缺口4485万千瓦。2004年，全国有24个省市发生了拉闸限电，电力缺口5000万千瓦。另一方面，随着生活现代化的进程，用户对电网的电能质量和可靠性要求越来越高，过电压、电压凹陷、电压闪变、电压波形畸变等都会对敏感用户设备的正常运行造成危害，因此，输电和配电系统的可靠性已成为规划、设计、运行应考虑的首要因素。所以，为了更有效地利用能源、节约电能、提高供电质量，在电力系统中设置分散的电能储存系统就变得非常有必要。在电网系统中采用电能储存技术，可以在夜间离峰时段储存电能，将电力移至白天使用，能够大幅度减少电力成本，提高电网的运行可靠性；在配电网中使用，结合先进的电力电子技术，可以改善配电网电能质量和提高配电网的电压和频率的稳定性。1.1.2可再生能源与电能储存[5,6,7,8]21世纪被称为可再生能源的世纪，预计可再生能源利用技术、新型发电技术将会有重大突破，其工业应用规模将有大幅度提高。据权威专家估计，到下世纪中叶，如果实施强化可再生能源的发展战略，可再生能源可占世界电力市场的3/5。据预测，光伏发电（PV）、风力发电、生物质能发电和燃料电池（FuelCell）发电技术，昀有希望成为大规模应用的新型发电方式。作为能源，太阳能和风能昀大的缺陷在于其不稳定性和不连续性。采用储能技术，1第一章绪论则不仅可以实现稳定供电，还可以通过先进电力电子技术改善系统输出的电能质量，提高可再生能源发电系统运行的稳定性和可靠性。因此，储能单元是可再生能源发电系统中关键的组成部分。1.1.3电动汽车与电能储存[9,10]环保和能源问题的日益突出，使发展汽车新能源、开发汽车新动力，成为世界汽车产业面临十分紧迫的任务。当代融合多种高新技术而兴起的纯电动汽车、混合电动汽车正在引发世界汽车工业的一场革命。电能储存装置是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。因为电动汽车与燃油汽车相比的三个主要制约因数：成本高、续驶里程短和充电时间长，都与储能技术没有突破性进展直接相关。因此，无论是在纯电动汽车中作为主电源，还是混合动力汽车中作为辅助电源，都需要电能储存装置具有比能量高、比功率大、循环使用寿命长、成本低、工作温度范围宽、安全可靠的特点。1.2电能储存技术概述1.2.1抽水蓄能[11,12,13]抽水储能是世界上昀古老的储能方法。它需要高低两个水库，在电网低谷负荷时，电动机将水抽到上游水库，电能以势能方式储存，而当电网高峰负荷时，上游水库向下游水库放水带动发电机旋转，势能转化为电能发电。目前世界上共有抽水蓄能电站近300座，我国目前已经建成和在建的有15座。抽水蓄能电站关键问题是需要有合适的高低两个水库，而符合这样地理条件的区域是不多的。此外，抽水蓄能电站破坏生态环境，建设时间长，投资量大也是限制其发展的主要原因。1.2.2压缩空气储能（CAES）[11,14,15]压缩空气储能方式的工作原理是在电网低谷时利用剩余电力驱动压缩机将空气储存于储气装置，当用电高峰时，储气装置排出高压空气与天然气或油等燃料混合燃烧后推动燃气轮机发电。世界上第一座CAES电站1978年始建于德国，容量为290MW，目前仍在运行中。1991年，美国投运了一座CAES电站，容量为110MW。建造压缩空气蓄能电站的关键问题是压缩空气的贮存，昀好利用现成的地下岩盐洞、现存矿洞或挖掘成的岩石洞来贮存压缩空气。1.2.3飞轮储能[16,17,