（广州有轨电车有限责任公司）
摘要：近年来，随着工业技术的进步和认识的深入，超级电容的发展就不断地推陈出新。近年来，超级电容器得到了发展，超级电容是一种新型电力储能器件，主要的工作原理是双电层原理，这个原理是在1879年被德国人亥姆霍兹（Hel mholtz）发现。超级电容器主要的特点就是电容量极大，良好的情况下甚至可以达数千法拉，同时还具有工作温度范围宽、循环寿命长、环境友好、免维护等等的优点，这些优点都是促使超级电容器发展的重要推动力。本文将重点分析超级电容储能型变换器的研究。
关键词：超级电容器；储能型；变换器
超级电容器是一种新型的储能元器件，同时又被称为双电层电容器，超级电容器主要的特点就是充电时间短、温度特性好、使用寿命长而且又绿色环保，所以在实际生活中有很大的用途。典型应用有起重装置的平衡电源、车辆启动电源，或者是车辆的牵引能源等等。用于起重装置的平衡电源时，能够提供超大电流的电力；在车辆启动电源的使用中可以短时间内提供大功率输出，比传统蓄电池有更高的效率和可靠性。超级电容可以与蓄电池组合成储能系统作为电动汽车车辆牵引能源，这种电源组合既可以在启动时提供大功率输出，亦可以满足续航能力要求，还可以在车辆制动时回收能量。由于超级电容在作为储能电源时，其端电压会根据荷电状态变化较大，通常为了更好地适配于设备应用，其前端一般有串联变换器。这种设备相比较传统的变换的优点体现在不需要直流作为储能环节、四象限运行、输入输出电流波形优良、功率因数能够自由控制等等的优点，从目前的发展情况来看，变换器的发展情况良好。超级电容储能型变换器的研究是目前比较热门的一个研究项目，本文则对这一课题进行重点研究。
一、双向直流变换器
（一）超级电容器储能变换器作用
1.超级电容器储能变换器能够起到的作用就是将承担超级电容器储、释能工作的分立变换器综合为一个变换器，通常也称之为双向变换器，这样的综合在很大程度上使得变换器得到了简化，给人们的工作和生活带来很大的方便，所以说超级电容器储能变换器研究有其研究的必要性和其本身发展的必要性。在实际研究的过程中，应该根据实际情况需要进行不同型号变换器的研究。
2.超级电容器储能变换器作用还包括通过进行相应的电压匹配，大范围的提高超级电容器的储能利用率。提高超级电容器的储能利用率，就是提高了相应的经济收入，从而将超级电容储能变换器更好的投入市场进行使用，促进超级储能变换器的发展。
3.通过利用超级电容器储能单元，把它的容量进行扩展，这样便于使用PEBB技术。
（二）对于超级电容器储能变换器相应参数的研究
1.在图1超级电容储能变换器的典型拓扑结构中可以看出变换器的双向共用一个电感L，在这种情况下可以得知，变换器在两种模式的工作下，所需要的电感量就是两个中较大的值，这样的设计能够保证超级储能变换器的双向都能够正常使用。超级储能变换器有时候也会出现电容器的储能、释能的过程中功率不平衡的情况，就是电感值过大，在实际工作的运行模式下，电感不能够被充分的利用，所以可以适当的减少电感的值。
2.在超级电容储能变换器工作的过程中，也就是功率放电期间，会存在负载突然由满载的情况降低为零，这种情发生的主要原因是双向变换器的T2开关断开，这时候在电感中储存的能量对滤波电容进行充电。如果电感的电流非常大的话，可能是大功率放电的过程。对于工作过程中可能出现的现象以及出现这些现象的原因清楚的掌握是分析超级电容储能变换器的重要基础，这样对具体的分析有很大的辅助作用。
（三）超级电容储能变换器的对电压、电流和功率的要求
超级电容储能变换器可以说是一种功率器件，功率器件在具体运行工作的过程中，对功率流有较大的要求。在理想的条件下超级电容储能变换器恒功率放电的过程中，随着端口电压的不断下降，流过电感的电流会相应的增大。而且在正常工作的情况下，变换器的承受能力需要把极端工作状态下的最大值进行充分的考虑，电路所承受的最大电流要大于极端工作状态下的最大电流，这样才能够保证工作的正常进行，避免变换器因为电流过大而烧坏的现象。
所以为了能够保证功率期间变换器和储能装置的正常运行，需要添加电流检测、电压检测个相应的保护环节。
二、超级电容储能变换器控制原理和运行
在超级电容储能变换器工作中，为了实现双向变换器的正常工作，要保持输出侧电压高于输入侧，系统运行在Boost模态下。除了Boost模态，还有一种模态被称为Buck模态，这种模态是在控制超级电容储能的电容器组充电的情况下电容侧电压逐步升高到最大额度的定值。Boost模态和Buck模态在分析的过程中基本一致，主要的区别就是控制模型和相应的参数会有稍微的不同，只要将控制模型和相应参数进行带环就会相同。接下来将以Boost升压过程分析超级电容储能变换器的控制与实现的过程。
在超级电容储能变换器中，应用的主要控制芯片是TMA320F2407，这个芯片的主要功能是能够灵活的实现充、放电的两种功能的调节。在这一过程中，运用的主要方法是状态平均法，通过状态平均法得到超级电容储能变换器在Boost状态下的空间平均模型方程，方程为x=Ax+Bd+gy=Cx，通过这一方程对具体的充放电过程进行分析。
（一）稳态分析超级电容储能变换器
超级电容储能变换器组在等效串联的情况下，阻抗值相对较大，所以这一值不能够随便忽略。Boost模态下，由超级电容储能变换器的增益表达式可以得到输出电压的表达式，这时，超级电容储能变换器的实际输出电压存在有限的极大值。在超级电容储能变换器设计的过程中，有一条约束准则为：在ri值一定的情况下，要根据相应的公式确定超级电容储能变换器的变化范围，并且判断这一变换范围是否满足系统的运行要求。同时还可以通过超级电容器的选型、超级电容器组的串、并联组合等方式改变ri的值，知道能够满足系统运行要求。
（二）瞬态分析超级电容储能变换器
在超级电容储能变换器中，控制系统主要采用的是电压外环、电流内环的双闭环结构，这一过程中，直流变换器的双闭环控制框图对基本状态平均模型有一定的扰动，从而获得电感电流的小信号传递函数。双电层原理的超级电容储能器在充电和放电的过程中不发生化学反应，瞬态响应快，从而增加前馈控制，可充分发挥超级电容储能器具有的快速响应性。在引入负反馈电流的前馈之后，可以消除负载电流对Boost运行过程中输出电压的影响。在超级电容储能变换器处于Boost模态下，放电释能运行过程中，端电压不断下降，所以这种情况下需要在电路中加入输入电压前馈的必要性。前馈通路坑补偿输入电压和负载电流的变化，使得储能系统能够得到较快的动态响应。
三、结束语
文章通过对超级电容储能变换器的作用，相应的参数以及超级电容器储能变换器作用的分析研究，对超级电容储能变换器有了初步的了解。在文章第二部分，分析了超级电容储能变换器控制原理和运行，在运行方面，主要是对稳态分析超级电容储能变换器和瞬态分析超级电容储能变换器的研究。通过对这些内容进行研究，对超级电容储能变换器的工作原理和分析有了进一步的了解。通过对本文课题的分析研究，进一步促进了超级电容储能型变换器的应用和发展。
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论文作者:钟勇,陈启明,吴金鹏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第4期
论文发表时间:2017/5/16
标签：变换器论文; 电容论文; 储能论文; 电容器论文; 电流论文; 电压论文; 过程中论文; 《电力设备》2017年第4期论文;