农村储能装置超级电容模组充放电控制研究

黄玉芳

(贵州农业职业学院，贵州 贵阳 550014)

1 引言

农村电网供电系统故障引发断电，将会对农业生产造成损失以及对居民生活带来诸多麻烦。采用蓄电池做后备电源维护工作量大，故障率高，成本高，切换复杂，且污染严重，以超级电容为代表的新型蓄能器件，既有静电电容器的高放电功率优势，且同蓄电池一样具有较大电荷储存能力，它的功率密度大，高温性能好，充放电循环寿命长，容量配置灵活，因此超级电容大量用于后备电源。本文利用超级电容的良好储能和释能特性，当电网或负载稳定状态失去平衡，以双向DC-DC电路实现对超级电容的充电放电控制，保障负载恒定功率需求，以期解决因电网掉电或负载变化时给农业生产与农村生活造成的困扰，助力我国农业产业发展和农村现代化。

2 系统结构拓扑

农村备用储能装置—超级电容模组系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框

在图1中，对储能特性分析，超级电容需要将电网输入端的交流电整流为直流电才能进行能量存储，实现能量的流动与存储备用。因此在电网和储能设备—超级电容之间需要加入整流环节。农村地区产业链的作业设备具有不同的工作特性，有的以交流电作为设备电源，因此超级电容模组存储的直流电经过逆变后才能为负载提供电能。

若农村电网供电系统故障引发断电，超级电容随着放电时间的持续，其端电压会持续降低，但逆变器在一定电压范围内才能正常工作，因此为了维持系统的正常运行，有必要在超级电容和逆变电路间嵌入升压环节。

在图1中需要实时采样电网状态，电网稳定运行时为储能设备充电，当超级电容端电压达到阈值时停止充电，切断供电回路；电网故障发生时超级电容进入供电模式，采样的变量有超级电容端电压和回路电流，并实时采样电网状态，电网恢复则储能供电回路停止工作，切换为电网为负载供电模式。因此需要微机控制单元对系统进行自动控制，处理不同情况的系统工作模式。若控制电路(虚线部分)检测到超级电容的端电压过低，则能量从电网经DC-DC电路流向超级电容[1～3]，完成能量存储；若检测到电网掉电，则启动超级电容经DC-DC电路逆变后为负载供电。

3 Buck-Boost电路控制策略

采用等效模型对超级电容进行充放电分析，超级电容电能具有能量双向流动的特性，利用DC-DC电路将储能设备超级电容植入电网系统，当超级电容模组储能被充电时，电路工作于Buck模式；当超级电容模组释能为负载供电时，电路工作于Boost模式[4]。

超级电容模组等效模型用电容与电阻串联来表征。超级电容储能充电过程中，双向DC-DC变换器工作于Buck模式，为了实现实时测量、控制与保护，满足稳态性能与动态响应特性的要求，因此采用电压外环电流内环的双闭环控制策略；而为了把被调参数控制在给定值，采用经典的PI算法即可[5～7]，控制算法与控制策略如图2所示。

图2 buck电路控制策略与算法

当电网意外断电或发生故障检修时，需要控制的变量有超级电容端电压，负载的电压，电感电流这3个变量，单闭环控制策略不能满足控制需求，因此也采用了电压外环电流内环的双闭环控制策略[8]。对于Boost型变换器的控制，在算法抉择上则采用PI控制算法[9]，可以在很大程度上减少外部扰动，保证系统闭环稳定性，其控制算法与控制策略如图3所示。

图3 boost电路控制策略与算法

4 仿真与试验

图4～7为MATLAB仿真结果示意图，其中将电流内环等效电流跟随器，电压环以积分环节来表征[10]。

图4 buck电路电流环的闭环系统波特图

以美国Maxwell超级法拉电容单个2.7V，3000F组成超级电容试验模组。超级电容模组采用恒流充电模式，当充电电流不同时，电流为3 A的充电模式较电流为2 A的先达到15 V，且用时缩短约40 min(图8)。如图9所示，当超级电容模组处于放电状态，负载较大(800 W)则在3 min左右达到最低放电电压。

图5 buck电路电压环的闭环系统波特图

图6 boost电路电流环的闭环系统波特图

图7 boost电路电压环的闭环系统波特图

图8 超级电容充电曲线

图9 超级电容放电曲线

5 实验分析

实验参数为[11]：超级电容模组的满充电压为15 V，Buck模式下，输入电压为30 V，恒流充电的电流为2 A，恒压充电的电压为15 V。在Boost模式下，负载为直流伺服电机，将负载的电源电压控制恒为25 V。

通过调节PID参数，充电阶段超级电容模组端电压变化曲线如图10所示。放电阶段，为了给负载提供稳定的电压值，超级电容端电压从15 V下降到12 V，直流伺服电机的功率为40 W，拖动负载工作45 min，工作电压为25 V，Boost模式输出端电压波形如图11所示，由图可知，低电压基本恒定在25 V。

图10 超级电容模组端电压波形

图11 boost模式输出电压波形

6 结论与讨论

超级电容因其良好性能而广泛被作为农村地区的备用电源，为了更好地管理超级电容能量，助力农村产业在电网故障时能为负载赓续供电。本文以超级电容模组为充放电研究对象，研究了电路在Buck-Boost工作模式时的控制方法，为满足系统实时控制和稳定的需求，给出了超级电容模组采用电流内环和电压外环的经典控制策略。结合计算机软件仿真技术，将两种工作模式进行仿真分析，最后进行了实验验证讨论，仿真与实验结果表明了系统稳定，算法有效可行，研究结果可为大容量或超大容量的超级电容模组研究奠定基础。