《基于城市轨道交通车辆的超级电容储能系统的研究_王雪迪.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于城市轨道交通车辆的超级电容储能系统的研究_王雪迪.docx（69页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 硕士学位论文 基于城市轨道交通车辆的超级电容储能系统的研究 Study oil Supercapacitor Energy Storage System Based on Urban Rail Transit Vehicle 作者：王雪迪 导师：杨中平 北京交通大学 2008年 6月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说
2、明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年月日 签字日期： 年月日 中图分类号： TM359.4 学校代码 ： 100044 北京交通大学 硕 士 学 位 论 文 基于城市轨道交通车辆的超级电容储能系统的研究 Study on Supercapacitor Energy Storage System Based on Urban Rail Transit Vehicle 作者姓名：王雪迪 ： 学 号： 06121885 导师姓名：杨中平 职 称：副教授 学位类别：工学 学位级别：硕士 学科专业：高电压与绝缘技术 研究方向：城市轨道交通 北京交通大学 2008年 6月 本论文的工作是在
3、我的导师杨中平副教授的悉心指导下完成的，杨中平副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年来杨中平老师对我的关心和指导。 杨中平副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向杨中平老师表示衷心的谢意。 郑琼林教授、游小杰教授、林飞副教授、郝瑞祥老师、张立伟老师等课题组 多位老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感 谢。 在实验室工作及撰写论文期间，孙瑞、顾赞等同学对我论文中的理论及实验 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人及所 有亲朋好友，他们的理解和支持使我能
4、够在学校专心完 成我的学业。 中文摘要 摘要：在城市轨道交通系统中，如何稳定直流电网电压波动是个重要的研究课题， 直流储能装置作为主要的解决方案越来越受到人们的关注，超级电容以其长寿命， 高效率，低污染，免维护，快速充放电等优异特性 #到广泛的应用。为此，本文 对车载超级电容储能系统进行了研究，提出了稳定直流电压的控制方法。旨在为 将来车载超级电容储能系统在城市轨道交通中的实际应用奠定理论基础。 在城市轨道交通中，列车牵引或加速时， 控制超级电容放电，可抬升直流电 网电压， 列车惰行期间，储能系统处于备用保持态；列车制动或减速时，超级电 容充电，把电网上的多余能量传递给超级电容。通过以上三个状
5、态的切换，即可 避免直流电网电压大范围波动，改善供电质量。 本文详细讨论并搭建了超级电容储能系统实验平台，通过控制直流电机负载 , 实验平台可完全模拟城市轨道交通供电系统。在此基础上，完成对储能系统的数 学建模，经过对其传递函数的分析，采用电压、电流双闭环的控制方法，实现了 超级电容储能系统对直流电压的稳定作用。 本文还采用 MATLAB/SIMULINK软件对超级电容储能系统进行了建模仿真， 通过一系列的仿真结果表明所提出的控制方法在保证系统稳定性，快速性，精确 性的基础上完全实现了稳压要求。最后，对储能系统的各部分硬件进行调试，实 验结果表明超级电容储能系统实验平台的硬件设计完全达到了预期
6、效果。 关键词：城市轨道交通；超级电容；直流电网电压 分类号： TM359.4 ABSTRACT ABSTRACT: In urban rail transit system, how to stabilize DC electric network fluctuation has been important study subject. An energy storage medium is much concerned about as primary method. Supercapacitor which is rapidly charged and discharged, offe
7、rs long life, maintenance-free, low pollution and high efficiency, has been developed in wide range. Therefore, we carried out studies about supercapacitor energy storage system on board and presented control method to stabilize electric network. All of this is prepared for actual application of sup
8、ercapacitor in urban rail transit. In urban rail transit, in powering or accelerating, supercapacitor is discharged, and the DC electric network voltage heighten; In inertia running, supercapacitor keq)s the state; In braking and decelerating, supercapacitor is charged, and rest energy in DC electri
9、c network is stored. By switching amount three states above, DC electric network voltage avoid huge fluctuation and improve electrical energy quality In this paper, we study and produce experiment platform of supercapacitor energy storage system. By controlling the load of DC motor, it can simulate
10、fully traction power supply diagram of urban rail transit. Based on that, math module is established, and after analyzing the transfer function, double loops of voltage and current is put forward. The double loops of voltage and current control scheme designed in the paper is simulated by Matlab. Th
11、e result indicate that it not only stabilize DC electric network voltage but also ensure stability, rapidity and precision performance. In final, a series of experimental study proved that hardware design of supercapacitor energy storage system is wished. KEYWORDS ： Urban Rail Transit; Supercapacito
12、r, DC Electric Network Voltage CLASSNO： TM359.4 北京交通大学硕士学位论文 目录 目录 中文摘要 . iii ABSTRACT . iv 1 . 1 1.1 电能存储装置的比较 . 1 1.1.1蓄电池 . 1 1.1.2飞轮储能 . 2 1.1.3超级电容 . 3 1.2 储能装置在城市轨道交通中的应用 . 4 1.2.1稳定直流电网电压 . 6 1.2.2防止再生失效 . 7 1.2.3提高高速区间电制动力 . 7 1.2.4省去部分架线 . 9 1.3 课题提出及论文安排 .:. . . 9 2 新型储能元件超级电容 . 11 2.1 超级电
13、容储能机理 . 11 2.1.1双电层电容器 . 11 2.1.2电化学电容器 . 12 2.2 超级电容的性能特点 . . 12 2.3 超级电容应用于城市轨道系统的优势 . 13 3 超级电容储能系统的硬件设计 . 15 3.1 交 -直 -交硬件实验平台的设计 . 16 3.1.1实验平台的硬件选择 . 16 3.1.2牵引特性曲线的设计 . . . 18 3.2 双向 DCDC变换器的设计 . 19 3.2.1双向 DC/DC变换器主电路分析 . 20 3.2.2双向 DC/DC变换器主电路参数的设计 . 21 3.3 超级电容器组的设计 . 26 3.3.1超级电容的串并联特性 .
14、26 3.3.2超级电容器组的容量的确定 . 27 3.4 超级电容储能系统控制电路的设计 V 30 北京交通大学硕士学位论文 目录 4 超级电容储能系统控制策略的研究 . 34 4.1 双向 DC/DC变换器数学模型的建立 . 34 4.2 双向 DC/DC变换器的传递函数 . 35 4.3 电压、电流双闭环 PI控制设计 . 39 5 超级电容储能系统实验及仿真研究 . 42 5.1 数字定标 . 42 5.2 超级电容储能系统控制策略的软件设计 . 43 5.3 超级电容储能系统硬件调试 . 46 5.4 超级电容控制策略的仿真分析 . 50 6 结论与展望 . 55 6.1 . 55
15、6.2 今后工作展望 . 55 参考文献 . 56 作者简历 . 58 独创性声明 . 59 学位论文数据集 . 60 vi 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1绪论 1.1电能存储装置的比较 能源问题是 21世纪整个人类所面临的重大课题。电能是当今应用最广泛和利 用方式最多的能量形式，但电能即发即用的特点也限制了它进一步的应用，而储 能装置的出现，在某些方面弥补了电能的这种不足。目前，储能装置在我们曰常 生活和社会进步中扮演重要的角色。传统的储能装置主要是蓄电池，经过历代的 发展，蓄电池技术己逐步趋向成熟，性能也趋向稳定，不过受到储能方式本身特 性的限制，一些主要性能总是难以提髙，同时它的环境
16、污染和腐蚀问题在注重环 保的今天，与社会的进步显得尤为不和谐，所以人们逐渐将目光放在了更加先进 的储能方式上。飞轮储能以及超级电容储能是新兴储能方式的代表，它们绿色环 保，符合国家提倡的可持续发展及建设节约型社会的发展策略，近年来得到普遍 的重视和大力发展。国家十五计划 “863” 电动汽车重大专项攻关中己将电动车用 超级 电容的开发列入发展计划，对于飞轮储能清华大学也早于 1995年成立了飞轮 储能实验室，并于 1997年设计出第一套碳纤维复合材料飞轮系统，随着不断的发 展，近年来国内飞轮储能装置已有重大突破。随着新型储能装置相关技术的突破 性发展，可以预见，蓄电池将会逐渐被新型储能元件全面
17、取代。下面将简要介绍 蓄电池、飞轮和超级电容储能的优缺点及目前的应用情况。 1.1.1 蓄电池 蓄电池储能是现在使用较为广泛的一种短期储能技术之一 16。化学蓄电池无 疑是技术最为完善，也是目前产量最大的储能装置，它是通过将电能转化为化学 能实现电能存储的。从经济性角度考虑，铅酸电池储能最具竞争力。近年来，随 着市场需求的变化，铅酸蓄电池技术也在发展，各种生产方式及工艺的不断完善， 使得铅酸蓄电池的设计制造水平不断提升，电池比能量、循环寿命、性能的一致 性、使用的安全性和环保性有了进一步的提高，市面上也有许多不同的商业化产 品可供选择。 铅酸蓄电池利用其成本可接受、产业化发展成熟等优势，在近期
18、国家产业发 展中仍将占主流地位，不可动摇。铅酸蓄电池广泛应用于国防、航空、通信、交 通等众多领域，它的技术进步，促进了信息、通信、汽车等相关产业的发展。 阀 1 控式铅酸蓄电池，己成为我国通信、电力等系统的核心部件。因此，没有铅酸蓄 电池技术的发展，其相关应用领域的技术发展就无从谈起。近年来，风能和太阳 能非并网发电系统成为蓄电池的又一大市场，我国太阳能储能电池技术已经与曰 本、澳大利亚产品的性能相当，达到了国际先进水平。因此，铅酸蓄电池已成为 社会生产经营活动和人类生活中不可或缺的产品。 尽管化学电池在技术以及价格方面有着无可比拟的优势，但由于储能方式本 身的特性，限制了其进一步发展。化学电
19、池主要存在两大缺点：一 是比能量低， 质量和体积太大，且一次充电能量较少；另一个是充电速度慢，使用寿命短，总 体来说使用成本过高。另外，铅酸电池主要由铅、硫酸以及部分其他金属及塑料 组成，废电池酸液中含有大量的铅，随意排放会造成严重污染。随着对环保和电 池性能的不断提高，人们已经不能接受化学电池的弊端，而将目光投向了更具潜 力的绿色储能装置上了。 1.1.2 飞轮储能 飞轮用于储存电能，其特性类似于标准电池，于是人们提出了一个新概念一 一飞轮电池。飞轮电池概念一经提出，便以其储能密度高、体积小、质量轻、充 电快、寿命长、对环境无污染、经济、高效、稳定等特点，受到广泛关注，是一 种绿色能源，被认
20、为是近期最有希望和最具竞争力的储能技术，有着非常广阔的 应用前景，引起国际能源界与工程界的极大重视。历史上，受到制作材料的限制， 飞轮的转速不能太髙。摩擦力、高速空气阻力等的影响，飞轮能量损耗大，且以 飞轮作为储能器件，释放能量的同时，转速变化也大，使用极不方便。因此，飞 轮储能的制作和使用，受到极大的限制，使得这一古老技术长期以来得不到发展。 直到近年来，随科学技术的发展，这些困难得以克服，这一储能思想又获得了新 的生 命。 飞轮储能系统 7基本结构一般包括五个部分组成 17:飞轮、电动 发电机、电 力电子装置、轴承及真空罩，如图 1-1所示。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 图 1-1飞轮
21、储能系统示意图 Fig. 1-1 Schematic diagram of flywheel energy storage system 飞轮储能系统的工作过程可分为三种模式 ： 1) 飞轮充电模式，飞轮控制器控制电能输入使飞轮达到额定最高工作转速； 2) 飞轮能量保持模式，保持飞轮在最高工作转速运行； 3) 飞轮放电模式，飞轮通过控制器向外输出电能，飞轮转速下降。 如何使飞轮储能系统工作在良好的状态，使其实现工业应用，是人们关心的 也是重点研究的问题。 目前，国外，主要是欧洲、美国，现在已有正式的商业产品，广泛应用于航 天、电力、运输等行业。国内由于起步晚，现在还处于研究阶段，但从国内现有
22、的研究状况来看，关键技术也基本成熟，自行研制飞轮储能系统的条件已经基本 具备，完全可以研制出具有自己知识产权的国产化飞轮储能系统。由于飞轮储能 具有良好的性能和相对比较理想的性能价格比，而越来越多的用于各种场合，己 经成为近几年储能设备应用的主要对象。 1.1.3 超级电容 超级电容器 （ Supercapacitor)是近年来出现的一种新型能源器件 19,与常 规电容器不同，其容量 可达法拉甚至数千法拉。它兼有常规电容器功率密度大、 蓄电池能量密度高的优点，可快速充放电。而且寿命长，已经发展成为一种新型、 高效、实用的能量储存装置，因此有人认为它是介于蓄电池和电容器之间的一种 3 北京交通大
23、学硕士学位论文 绪论 新型的能源器件。 根据储能机理的不同，可以将超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容 器两大类。双电层电容器是建立在双电层理论基础上，充电时，电解质发生离解 , 阴阳离子分别向着正负极运动并吸附在电极表面，形成双电层，电荷储存在双电 层中。放电时，电子通过外负载运动到正极，与正极的阳离子发生了电中和，同 时电极表面的阴阳离子发生了解吸，重新回到电解质主体中。法拉第准电容器在 法拉第电荷转移的电化学变化过程中产生， H或一些碱金属 （ Pb， Bi， Cu)在 Pt或 Aii上发生单层欠电势沉积或多孔过渡金属氧化物（如 Ru02、 Ir02)发生氧化还原反 应时，电荷发生了
24、迁移和存储。法拉第准电容器不仅发生在电极表面，而且可深 入电极内部，因而可获得比双电层电容器更高的电容量和能量密度。 超级电容器由于具有其它储能器件所不可比拟的优越性，因此具有广泛的应 用领域。如用做微型计算机、系统主板和钟表等的备用电源；内燃机、太阳能电 池等的辅助电源；电动汽车电源；还可用于航天航空等领域。目前，在超级电容 器产业化方面，美国、日本、俄罗斯处于领先地位，几乎占据了整个超级电容器 市场。这些国家的超级电容器产品在功率、容量、价格等方面各有自己的特点与 优势。从目前的情况来看，实现产业化的超级电容器基本上都是双电层电容器。 在我国，上海奥威科技开发有限公司、北京集星科技公司等诸
25、多厂家也已研发出 高性能的双电层电容器，并已开始批量生产。 目前常用的电能存储方式主要为以上三种 ：蓄电池、飞轮和超级电容，这几 种储能方式各具优点，不同的应用场合，应视情况予以考虑，表 1-1给出了几种储 能方式的比较。 表 1-1储能方式的比较 Table. 1-1 Comparison of storage modes 储能类型 能量密度 (kwh V) 功率密度 (kwm-3) 效率 (24h) 寿命（年） 铅酸电池 70.7 106.0 92 3 高速飞轮 424.0 1766.8 89 20 超级电容 53.0 176700 94 20 1.2储能装置在城市轨道交通中的应用 与道路
26、、航空等交通方式相比，轨道交通运输具有运量大、定时、安全、环 保、节能等显著优点。在全球倡导保护环境、防止地球暖化的今天，轨道交通环 保、节能的优点已越来越受到人们的重视，今后应大力发展轨道公共交通已成为 4 世界各国的共识。从 20世纪 80年代开始，随着电力电子技术的飞速发展，交流 牵引传动技术开始在轨道交通车辆上得到应用，并迅速普及。 城市轨道交通电力牵引供电系统主要包括直流牵引变电所、馈电线、接触网 (或地面供电线 )、走行轨及回流线等部分组成。直流牵引变 电所将三相高压交流 电变换成适合列车应用的低压直流电；馈电线是将牵引变电所的直流电送到接触 网上；接触网是沿列车走行轨架设的特殊供
27、电线路，电动车辆通过其受流器与接 触网的直流接触而获得电能。走行轨道构成牵引供电回路的一部分，将轨道回流 引向牵引变电所。图 1-2说明了城市轨道交通电力牵引供电系统的各组成部分关 系 3。 1:发电厂： 2:升压变压器 ； 3:电力 W: 4:主降压变电站 ： S:直淹 牵引变电所 ； 6:馇电线； 7:接触 W: 8:走行轨： 9:回流线 图 1-2城市轨道交通牵引供电图 Fig. 1-2 Traction power supply diagram of urban rail transit 直流牵引变电所的主要功能是将交流进线电压通过整流变压器降压，然后经 过整流器将交流电变换成直流电供
28、动车的牵引电动机使用，目前变电所的整流器 多采用二极管不控整流。为了提高直流电的供电质量，降低直流电源的脉动，通 常采用多相整流的方法，所以降压变压器不仅起到降压的作用，还要将三相交流 电变成多相交流电供整流器整流，整流变压器与整流器合称为整流装置。整流后 的电能通过馈电线供给直流电网，目前世界上城市轨道中的 直流牵引供电等级繁 多，其发展趋向是 IGC标准中的 600, 750和 1500伏，中国国家标准地铁直流 供电系统规定为 750和 1500伏两种，这两种直流供电电压制式都能满足城市轨 道交通的要求。列车在牵引时通过受电弓获取能量，再生制动时向直流电网反馈 能量。受电弓得到的电流通过走
29、行轨及回流线流回变电所，构成完整的回路。 北 京 交 通 大 学 硕 士 学 位 论 文 绪论 1.2.1 稳定直流电网电压 牵引变电所通过直流电网给城市轨道交通车辆提供能量，由于线路阻抗的存 在，当直流电网上的力行列车较多时，列车受电弓的电压往往大幅下降，如图 1-3 所示。以广州地铁四号线为例，直流电网的额定工作电压为 1500V,允许的电压波 动范围为 1000V 1900V,因此在实际的城市轨道交通系统中，直流电网电压是大 幅波动的。直流电网电压的下降将使列车牵引力不足，影响列车的正常可靠运行 , 甚至导致列车的晚点运行。 图 1-3直流电网电压波动 Fig. 1-3 Fluctuat
30、ion of DC electric network 在城市轨道交通引入交流传动以后，再生制动成为列车常用制动时的主要制 动方式，由于牵引变电所采用不可控整流，列车的再生制动能量只能由附近的牵 引列车吸收，为了充分利用再生能量，将直流电网电压的安全值抬髙，这样再生 制动能量将输送得更远，利用几率更大，但这样做的缺点也是显而易见的：一是 电压的抬高将 导致再生能量在直流电网上的损耗增大；二是为了保证直流电网及 网上其他设备的安全，直流电网电压的最高值要设定在安全以内，这就是下面要 讨论的再生失效问题。 由此可见，现有的城市轨道交通供电系统，在列车牵引与制动时，直流电网 电压将大幅波动，如何减小直
31、流电网电压波动，是世界轨道交通界讨论的热点问 题。其中的一种办法就是利用电能存储装置 6将再生制动能量暂时储存起来，当列 车牵引时将这部分能量释放出来，这样既实现了再生制动，也不必将直流电网电 压抬高，由其他列车消耗再生能量。同时，列车牵引时由于电能存储装置提供能 量，减少了直流电网电流，改善了直流电网电压的波动。 6 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1.2.1 防止再生失效 列车通常由附近的变电所不间断供电，但是一般的变电所没有逆变器，冲击 直流电能不能逆向返送回交流端，即变电所电能流动是单向的。当再生能量返回 电网时，附近直流电网上没有牵引列车，或者牵引功耗需求太低，再生功率则需 要被调节
32、到平衡水平，再生能量利用不完全。另外，当再生车辆与牵引车辆距离 太远时，再生能量就会堆积在列车上的滤波电容里，导致直流供电电网电压升高， 为了确保直流供电网的安全及网上其他设备的安全，列车受电弓电压要受到限制， 再生制动将会被切除，也就是再生制动失效 45，对于广州地铁四 号线的 1500V直 流电网，再生失效电压一般为 1800V或更髙，但不会超过 1900V。 多佘的再生能量 通过制动电阻转化为热能，这便失去了再生制动的一个优势 一一 节约能量。若将 制动电阻用电能存储装置替代，再生失效的问题将迎刃而解。 1.2.2 提高高速区间电制动力 电制动是城市轨道交通最理想的制动方式，是车辆制动系
33、统的首选。通过控 制电机电流可以直接获得再生制动力，控制精确，响应速度快。图 1-4为日本直 线电机地铁常用制动原理示意图。车辆在中高速时完全为再生制动，大约在 10km/h时改为反接制动，当速度降到 lkm/h， 由空气制动单独制动，直至停车。 图 14日本直线电机地铁常用制动原理示意图 Fig. 1-4 Schematic diagram of frequent braking mode of linear induction motor in Japan 列车在中高速、低速基本运行在恒转矩区，列车的电制动力保持恒定，然而 高速时，由于是在特性区间，电制动力较小。图 1-5为牵引电机的特性
34、曲线。要 提高高速区域的电制动力，还需考虑再生能量的吸收问题。若直流侧有直流储能 7 装置，这个问题将变得简单，下面将对提高高速区电制动力方案做简要讨论。 图 1-5牵引电机的制动特性曲线 Fig. 1-5 Natural voltage braking performance of traction motor 众所周知，电机可以瞬时承受一定的过电压，这为增加电机 的高速区电制动 力提供了可能。我们可以利用直流侧储能装置将直流侧电压稳定在较高电压值， 通过逆变器使加在电机上的端电压提高，这样电机在高速区域的电制动力将得到 很大的改善。图 1-6为电机端电压提高后的特性曲线，由图可明确看到，端
35、电压 提高后，电制动力有了很大的提高。与此同时，电机再生的制动能量将被直流储 能装置所吸收。 图牵引电机在过电压下的制动特性曲线 Fig. 1-6 Beyond voltage braking performance of traction motor 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1.2.3 省去部分架线 车载储能装置可在短时间能为列车提供能量，省去部分架线，这对拓宽车辆 的使用范围有如下好处： 1) 当线路供电故障时，可运行至下一个车站，乘客无须在中途下车，这将大大改 善车辆的安全性与舒适性； 2) 由于车辆可在短线上无架线运行，车辆可利用储能装置，在车库与车间自由运 行； 3) 当部分
36、线路出现问题（如结冰或过分相等 )，通常可用储能装置实现不断电运 行。 1.3课题提出及论文安排 城市轨道交通的站距很短，一般在 lkm左右，列车启动、加速、减速及停车频 繁。因此，地铁列车再生制动电能为脉冲式，将其返回直流电网，通过储能设备， 可使直流电网电压得到稳定，并改变再生能量的品质，供网上其他用电设备或牵 引列车使用，是最经济合理、最环保、最节能的能量利用方案。 超级电容的电气特性介于蓄电池与普通电容器之间，可以满足城市轨道交通 车辆频繁起、制动和较大的能量密度与功率密度的要求。由于城市轨道交通的站 距较短，储能器必须适应每年 10万 30万次的负载循环，这是蓄电池不可能达到 的。同
37、时，超级电容自身的技术也日臻成熟，国产超级电容可作为车载储能装置 应用于城市轨道交通系统，尽管相对于蓄电池造价仍较高，但随着技术的发展， 呈逐渐降低趋势，但与飞轮储能相比，其技术完善，控制简单，经济适用，毫无 疑问超级电容储能器将在城市轨道交通系统得到重要应用。应此，本文将着重研 究利用车载超级电容储能装置稳定直流电网电压。 然而，由于直流储能技术在城市轨道交通上的研究尚处于起步阶段，应用也 仅局限在几条试验线，因此该领域的许多基本理论问题和实际工程问题都有待进 行深入研究，比如： 1) 超级电容储能装置的基本结构； 2) 超级电容控制电路的控制策略。 所以，本论文通过对大量文献的査阅，经对比
38、分析，提出超级电容储能系统 的基本结构 双向 DC/DC变换器和双电层结构超级电容器，利用状态空间平均 法对双向 DC/DC变换器进行建 模，经过小信号分析，得到电压、电流双闭环的控 制策略，为了验证超级电容储能系统的设计及控制策略的合理性，搭建超级电容 9 储能系统实验小平台，完全模拟城市轨道交通牵引供电系统，以使实验结果更具 参考意义，更具说服力。 本论文主要由以下三个部分组成： 1) 超级电容储能系统的硬件设计及实现； 2) 超级电容储能系统控制策略的研究； 3) 超级电容储能系统控制方法的软件实现。 2新型储能元件超级电容 超级电容器 (Supercapaci tor)是 20世纪 6
39、0年代发展起来的一种新型 C能元 件， 80年代国外己达到商业应用规模。由于它具有功率密度高、充电时间短、使 用寿命长等优异特性，近年来得到了飞快的发展，不仅其技术水平在日新月异， 而且应用范围也在不断扩大。超级电容器也被称作双电层电容器 (Electric double-layer capacitor，简称 EDLC)和电化学电容器 （ Electrochemical capacitor)， 是一种基于新材料和新工艺，具有很大电容密度的电容器。超级电 容器是一种比较理想的储能器件，它具有比传统的电 容器更高的电容密度和能量 密度；比蓄电池更高的功率密度、更长的寿命和更快的充放电时间；比超导储
40、能 装置更少的投资和比飞轮储能装置少得多的占地。 2.1超级电容储能机理 2.1.1 双电层电容器 早在 1879年德国亥姆霍兹 （ Helmholtz)就提出了双电层的理论 18。当金属插 入电解液中时，金属表面上的净电荷将从溶液中吸引部分不规则分配的带异种电 荷的离子，使它们在电极 /溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排成一排 .形成与 电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。这个界面由两个电荷层组成， 一层在电极上，另一层在溶液中，固此称为双电层。由于界面上存在一个位垒， 两层电荷都不能越过边界彼此中和，按照电容器原理将形成一个平板电容器。一 个完整的双电层超级电容器包含双电极 （ 活
41、性碳 )、电解质、集流体 （ 铝电极 )、 隔离物四个部件，如图 2-1所示。 图 2-1双电层电容器原理图 Fig.2-1 Schematic diagram of electric double-layer capacitor 北 京 交 通 大 学 硕 士 学 位 论 文 新 型 储 能 元 件 超 级 电 容 双电层电容器本质上是一种静电型能量储存元件，其电容值的大小与电极电 位和比表面积的大小有关，因而可以通过提高电极电位和增大电极比表面积来提 高双电层电容量。但由于电解液中溶剂在电压过高的时候可能会分解，而且电离 层的厚度一般只有 lnra， 也不能耐受过高的电压，所以双电层电容器
42、的充电电压只 能达到 1 4V， 主要通过加大电极比表面积来增加电容量。现在大多采用活性炭作 为电极材料，活性炭多孔的结构使其单位质量的表面积可以达到 2400cra2/g或者更 大。而电极 /电解质双电层上可於存的电量其典型值约为 .2ffh， 所以通过使用比 表面积大的电极材料可以有效的增大超级电容器的电容量。现在双电层电容器的 电容值己经可以达到 15000F甚至以上，但是电压只有 1 3V。 2.1.2 电化学电容器 电化学电容器结构上同双电层电容器的最大的不同在于电极材料不再是活性 炭材料，而是所谓的电活性物质。在电活性物质中，随着存在法拉第电荷电极的 电化学过程的进行，如 H或 Pb在贵金属 (如 Pt或 Au)上发生欠电位沉积或多孔过