超级电容器储能控制系统的研究
摘 要
随着国民经济的发展和科技的进步，人民生活水平的不断提高，无论是工业、农业，还是商业，以及人民的日常生活都对电能质量提出了越来越高的要求。于是，各种各样的电网补偿元件出现在实际生产中。由于具有良好的性能，储能元件越来越受到人们的关注。 本文中对超级电容器的储能控制技术系统了研究。超级电容器是一种新型的储能元件，具有储电能力强，功率密度高的优点，可以快速充放电，而且寿命长，充电反复次数高，是高效实用的储能元件。文中首先对超级电容器出现的背景进行了说明，并且介绍了超级电容器的结构和原理，并对简单的储能控制技术进行研究。然后，本文在上文理论基础上建立了简单的超级电容器储能控制系统，研究设计了其中各个模块的构成和作用。最后，利用MATLAB对该系统的作用进行仿真，得出结论。结果表明：超级电容器储能控制系统能够很好的提高和改善电网电能质量。
关键词：电能质量； 超级电容器； 储能控制系统； 仿真
目 录
1 绪论 ..................................................................... １ 1.1 问题的提出 ........................................................... １ 1.2 电压质量及其重要性 ................................................... １ 1.2.1 电压干扰的方面 ................................................... ２ 1.2.2 电压质量问题的重要性 ............................................. ４ 1.3 引起电压干扰的原因与解决办法 ......................................... ４ 1.3.1 引起电压干扰的原因 ............................................... ５ 1.3.2 解决电压质量波动的措施 ........................................... ５ 1.4 储能设备的发展现状 ................................................... ５ 1.5 本章小结 ............................................................. ６ 2 超级电容器简介 ........................................................... ７ 2.1 超级电容器的产生背景 ................................................. ７ 2.2 超级电容器的原理及分类 ............................................... ７ 2.3 超级电容器的特点 ..................................................... ８ 2.4 超级电容器的应用 ..................................................... ８ 2.5 本章小结 ............................................................. ９ 3 超级电容器储能系统结构及控制技术 ....................................... １０ 3.1 超级电容器的等效电路模型 ........................................... １０ 3.2 超级电容器储能系统基本理论 ......................................... １０ 3.3 超级电容器储能控制系统主电路 ....................................... １１ 3.4 整流单元的选择 ..................................................... １１ 3.5 逆变器的选择与控制 ................................................. １３ 3.5.1 逆变器的选择 ................................................... １３ 3.5.2 逆变器的控制方法 ............................................... １４ 3.6 DSP控制系统 ........................................................ １６ 3.7 ABC-DQ0坐标变换 ..................................................... １７ 3.8 本章小结 ........................................................... １８ 4 SPWM控制技术 .......................................................... １９ 4.1 PWM控制技术 ........................................................ １９ 4.2 SPWM调制方法 ....................................................... １９ 4.3 采样型SPWM法 ...................................................... ２１ 4.3.1 自然采样法 ..................................................... ２１ 4.3.2 规则采样法 ..................................................... ２２ 4.4 SPWM波形的实现 ..................................................... ２４ 4.4.1 模拟调制方法 ................................................... ２４ 4.4.2 SPWM 芯片控制 .................................................. ２４ 4.5 本章小结 ........................................................... ２５ 5 超级电容控制系统的设计 ................................................. ２６ 5.1 超级电容器控制系统的主电路构成 ..................................... ２６ 5.2 功率主电路的设计 ................................................... ２６
5.3 DSP控制电路和抗干扰设计 .......................................... ２７ 5.3.1 DSP控制电路的设计理论 ........................................ ２７ 5.3.2 TMS320C5410芯片的基本介绍 ...................................... ２７ 5.3.3 DSP控制电路设计 ................................................ ３１ 5.3.4驱动电路设计 .................................................... ３５ 5.3.5 DSP控制系统的抗干扰设计 ........................................ ３６ 5.4 PI控制器设计 ...................................................... ３７ 5.4.1 PI控制器原理 ................................................. ３７ 5.4.2 PI调节器的参数整定 ............................................. ３８ 5.5 本章小结 ........................................................... ３９ 6 超级电容器控制系统仿真 ............................................... 6.1 仿真模型的建立 ..................................................... 6.1.1 滤波器的设计 ................................................... 6.1.2 PI控制器设计 ................................................... 6.2 仿真数据 ........................................................... 6.3 结果分析 ........................................................... 6.4 本章小结 ........................................................... 7 结论 ...................................................................
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1 绪论
1.1 问题的提出
随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，社会和人民生活对电力需求越来越大，这极大地促进了电力事业的发展，使电网不断扩大，与此同时，用户对供电质量和供电可靠性的要求越来越高，甚至连电源的瞬时中断也不能接受，任何微小的电力问题都会对社会造成无法估计的损失。与此同时，信息产业和新技术产业的飞速发展以及传统行业采用计算机管理及新的控制技术的应用，使得电网中对电能质量敏感的负荷所占比重越来越大，这就意味着信息社会不仅依赖于电力供应，而且更需要新的特殊性的电力供应。
电能作为商品，电能质量自然就成为其重要的特征参数，成为电力市场中的一个重要元素。IEEE给出电能质量问题的一般解释为：在供电过程中导致电气设备出现误操作或故障损坏的任何异常现象。电能质量包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量，涉及到电压、频率、波形和三相平衡等方面的用电可靠性、连续性、可操作性等方面。
针对电能质量问题，各国都在开展改善电能质量这方面的研究。美国电力科学研究院的N.H.Hingorani博士于1988年率先提出了“用户电力”（Custom Power）的概念，在配电网中，利用“用户电力”技术将配电系统改造成无瞬间停电、无电压闪变、无不对称现象和无谐波的实时控制的柔性化配电网，即利用各种电力电子控制器来提高配电网供电可靠性及电能质量。为了这一目标，美国西屋电气公司、德国西门子公司、日本三菱电气公司、瑞典ABB公司等各大电力设备制造厂都制造出相应的产品。在美国、欧洲以及东南亚的新加坡，已经有多种类型的装置投入了实际运行。与此相较，我国在这一方面还处于起步阶段，部分院校与研究机构正在进行着一些有益的尝试，并取得了一定的成果。
配电电能质量分析与控制模拟实验系统的应用与推广可使电力用户提高工作效率和产品质量，降低生产成本；对供电企业来讲，可减少在将来电力市场条件下的停电补偿，电力按质论价，增加售电收益，树立为用户的良好服务形象。该项目的研究不仅具有理论意义，而且具有重要的实用价值。
1.2 电压质量及其重要性
随着科技的发展和社会的进步，人们已经离不开电了。人们无时无刻不再消耗的电能，电灯、电风扇、电脑、洗衣机等越来越多的电气设备进入人们生活的每个角落。于是越来越多，越来越大的发电厂被人们建造，为了能量的节约与合理利用，大面积的公用电网被建立了起来。理想状态的公用电网应该是以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差120?。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，因此产生了电网运行、用电设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电网质量的概念。
电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。而电能质量又包括电压质量（Voltage quality）、电流质量(Current quality)、供电质量(quality of supply)、用电质量(quality of consumption)这四个基本方面。
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如果供电系统中有非线性元件和负荷，即使供电电压为正弦波形，其电流波形也将偏离正弦波形发生畸变，非正弦波形的电流在供电系统中传递，由于沿途电压降使各供电点的电压波形将受其影响而产生不同程度的畸变。所以，电流质量问题引起的后果会在电压质量问题上体现出来，由于电力系统中的电气设备是按额定电压和额定频率设计、制造的。在额定电压和额定频率下运行时，电气设备的运行性能最优、效率最高；反之，电气设备的运行性能会减弱，效率下降，严重时可能使设备无法正常工作，甚至导致设备绝缘损坏、烧毁或爆炸等。
于是可以说，电压质量是决定电能质量的重要指标之一。影响电网质量波动的电压干扰，主要包括电压偏移、三相不平衡、电压波动与闪变、电压的谐波分量、电压跌落和瞬时断电等几个情况。 1.2.1 电压干扰的方面
从电力系统和电力用户共同关心的问题来看，电能质量可以归结为：电能质量=供电质量=电压质量+供电可靠性。其中，供电可靠性包括系统的容量和安全性，而对于电压质量问题则主要包括：电压偏移、电压跌落和瞬时断电、电压三相不平衡、电压波动与闪变、电压的谐波分量等。 1.2.1.1 电压偏移
电压偏移是指电力系统中某一运行点的实际电压与系统标称电压不符的情况，该运行点的电压偏差是衡量供电系统正常运行与否的一项主要指标。供电系统正常运行时，某一节点的实际电压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分比称为该节点的电压偏差。
其数学表达式如式(1-1)所示：
?U?Ure?UN?100%UN
(1-1)
式中：?U---电压偏差； Ure---实际电压； UN---系统标称电压。
电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时发生变化，网络结构随着运行方式的改变而改变，系统故障等因素都将引起电力系统功率的不平衡。系统无功功率的不平衡是引起系统电压偏移的主要原因。输电线路过长，输送容量过大，导线参数不匹配等输电网络结构的不合理也能导致电压偏移。电压偏移时，用电设备运行性能恶化，运行效率降低，可能由于过电压而损坏设备。输电线路的输送功率受功率稳定极限的限制，当系统运行电压偏低时，输电线路功率极限会大幅度降低，可能产生系统的不稳定现象，甚至导致电力系统崩溃，造成系统的解列。当系统电压偏低时，电网的有功功率损耗、无功功率损耗以及电压损失都将增加；系统电压偏高，电网的电晕损耗也将增大，这些都会使供电成本增加。 1.2.1.2 电压跌落和瞬时断电
电压跌落是指供电电压的均方根值在短时间内突然下降的情况。电压跌落的幅值、持续时间和相位跳变是标称电压跌落的最重要的三个特征量。电压跌落的幅值是指跌落时的电压的均方根值与额定电压的均方根值的比值；从电压跌落发生到结束之间的时间为持续