農(nóng)村儲能裝置超級電容模組充放電控制研究

黃玉芳

(貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學院，貴州 貴陽 550014)

1 引言

農(nóng)村電網(wǎng)供電系統(tǒng)故障引發(fā)斷電，將會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成損失以及對居民生活帶來諸多麻煩。采用蓄電池做后備電源維護工作量大，故障率高，成本高，切換復雜，且污染嚴重，以超級電容為代表的新型蓄能器件，既有靜電電容器的高放電功率優(yōu)勢，且同蓄電池一樣具有較大電荷儲存能力，它的功率密度大，高溫性能好，充放電循環(huán)壽命長，容量配置靈活，因此超級電容大量用于后備電源。本文利用超級電容的良好儲能和釋能特性，當電網(wǎng)或負載穩(wěn)定狀態(tài)失去平衡，以雙向DC-DC電路實現(xiàn)對超級電容的充電放電控制，保障負載恒定功率需求，以期解決因電網(wǎng)掉電或負載變化時給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)村生活造成的困擾，助力我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和農(nóng)村現(xiàn)代化。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲

農(nóng)村備用儲能裝置—超級電容模組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

在圖1中，對儲能特性分析，超級電容需要將電網(wǎng)輸入端的交流電整流為直流電才能進行能量存儲，實現(xiàn)能量的流動與存儲備用。因此在電網(wǎng)和儲能設備—超級電容之間需要加入整流環(huán)節(jié)。農(nóng)村地區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈的作業(yè)設備具有不同的工作特性，有的以交流電作為設備電源，因此超級電容模組存儲的直流電經(jīng)過逆變后才能為負載提供電能。

若農(nóng)村電網(wǎng)供電系統(tǒng)故障引發(fā)斷電，超級電容隨著放電時間的持續(xù)，其端電壓會持續(xù)降低，但逆變器在一定電壓范圍內(nèi)才能正常工作，因此為了維持系統(tǒng)的正常運行，有必要在超級電容和逆變電路間嵌入升壓環(huán)節(jié)。

在圖1中需要實時采樣電網(wǎng)狀態(tài)，電網(wǎng)穩(wěn)定運行時為儲能設備充電，當超級電容端電壓達到閾值時停止充電，切斷供電回路；電網(wǎng)故障發(fā)生時超級電容進入供電模式，采樣的變量有超級電容端電壓和回路電流，并實時采樣電網(wǎng)狀態(tài)，電網(wǎng)恢復則儲能供電回路停止工作，切換為電網(wǎng)為負載供電模式。因此需要微機控制單元對系統(tǒng)進行自動控制，處理不同情況的系統(tǒng)工作模式。若控制電路(虛線部分)檢測到超級電容的端電壓過低，則能量從電網(wǎng)經(jīng)DC-DC電路流向超級電容[1～3]，完成能量存儲；若檢測到電網(wǎng)掉電，則啟動超級電容經(jīng)DC-DC電路逆變后為負載供電。

3 Buck-Boost電路控制策略

采用等效模型對超級電容進行充放電分析，超級電容電能具有能量雙向流動的特性，利用DC-DC電路將儲能設備超級電容植入電網(wǎng)系統(tǒng)，當超級電容模組儲能被充電時，電路工作于Buck模式；當超級電容模組釋能為負載供電時，電路工作于Boost模式[4]。

超級電容模組等效模型用電容與電阻串聯(lián)來表征。超級電容儲能充電過程中，雙向DC-DC變換器工作于Buck模式，為了實現(xiàn)實時測量、控制與保護，滿足穩(wěn)態(tài)性能與動態(tài)響應特性的要求，因此采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略；而為了把被調(diào)參數(shù)控制在給定值，采用經(jīng)典的PI算法即可[5～7]，控制算法與控制策略如圖2所示。

圖2 buck電路控制策略與算法

當電網(wǎng)意外斷電或發(fā)生故障檢修時，需要控制的變量有超級電容端電壓，負載的電壓，電感電流這3個變量，單閉環(huán)控制策略不能滿足控制需求，因此也采用了電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略[8]。對于Boost型變換器的控制，在算法抉擇上則采用PI控制算法[9]，可以在很大程度上減少外部擾動，保證系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性，其控制算法與控制策略如圖3所示。

圖3 boost電路控制策略與算法

4 仿真與試驗

圖4～7為MATLAB仿真結(jié)果示意圖，其中將電流內(nèi)環(huán)等效電流跟隨器，電壓環(huán)以積分環(huán)節(jié)來表征[10]。

圖4 buck電路電流環(huán)的閉環(huán)系統(tǒng)波特圖

以美國Maxwell超級法拉電容單個2.7V，3000F組成超級電容試驗模組。超級電容模組采用恒流充電模式，當充電電流不同時，電流為3 A的充電模式較電流為2 A的先達到15 V，且用時縮短約40 min(圖8)。如圖9所示，當超級電容模組處于放電狀態(tài)，負載較大(800 W)則在3 min左右達到最低放電電壓。

圖5 buck電路電壓環(huán)的閉環(huán)系統(tǒng)波特圖

圖6 boost電路電流環(huán)的閉環(huán)系統(tǒng)波特圖

圖7 boost電路電壓環(huán)的閉環(huán)系統(tǒng)波特圖

圖8 超級電容充電曲線

圖9 超級電容放電曲線

5 實驗分析

實驗參數(shù)為[11]：超級電容模組的滿充電壓為15 V，Buck模式下，輸入電壓為30 V，恒流充電的電流為2 A，恒壓充電的電壓為15 V。在Boost模式下，負載為直流伺服電機，將負載的電源電壓控制恒為25 V。

通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)，充電階段超級電容模組端電壓變化曲線如圖10所示。放電階段，為了給負載提供穩(wěn)定的電壓值，超級電容端電壓從15 V下降到12 V，直流伺服電機的功率為40 W，拖動負載工作45 min，工作電壓為25 V，Boost模式輸出端電壓波形如圖11所示，由圖可知，低電壓基本恒定在25 V。

圖10 超級電容模組端電壓波形

圖11 boost模式輸出電壓波形

6 結(jié)論與討論

超級電容因其良好性能而廣泛被作為農(nóng)村地區(qū)的備用電源，為了更好地管理超級電容能量，助力農(nóng)村產(chǎn)業(yè)在電網(wǎng)故障時能為負載賡續(xù)供電。本文以超級電容模組為充放電研究對象，研究了電路在Buck-Boost工作模式時的控制方法，為滿足系統(tǒng)實時控制和穩(wěn)定的需求，給出了超級電容模組采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的經(jīng)典控制策略。結(jié)合計算機軟件仿真技術(shù)，將兩種工作模式進行仿真分析，最后進行了實驗驗證討論，仿真與實驗結(jié)果表明了系統(tǒng)穩(wěn)定，算法有效可行，研究結(jié)果可為大容量或超大容量的超級電容模組研究奠定基礎。