超级电容器储能控制技术研究
劳斯佳，尹忠东，单任仲
（华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室，北京102206)
摘要：提出了双向DC-DC变换器在超级电容器充放电过程中的控制方法，能够解决绝大多数需要对超级电容器充放电的场合。在PSCAD/EMTDC电力系统仿真软件中构建超级电容器的充放电电路模型，通过对无补偿时双向控制模型分析，采用PI或者PID补偿环节实现系统的稳定，并进行仿真验证。为减小充电电流脉动，进一步提出对超级电容器进行多重充电的思路，给出仿真结果。仿真系统的稳定和良好的仿真结果说明所提出的方法可行。
超级电容器是近年来新型能源器件的一个研究热点，它与常规电容器不同，其容量可达到法拉级甚至数万法拉，而且能在电极端电压超过额定电压的过充电状态下不被击穿。作为一种理想的新型能源器件，它的比功率和比能量介于常规电容器和充电电池之间，在众多的应用领域里弥补了常规储能器件的单方面缺陷。此外，它还具有内阻小，充放电效率高（90％～95％）、循环寿命长（几万至十万次）、低温性能优越、无污染等独特的优点[1]。这些优点使得超级电容器非常适合用于短时间高功率输出的场合。
追求稳定运行、可靠供电的电力系统近几年也引进超级电容器作为新型储能设备，使其在电力系统出现电压波动、短时间供电中断等情况下快速充放电，从而保证系统的安全性及可靠性。目前对超级电容器在电力系统中应用的研究才掀起热潮，实用化的超级电容器充放电控制尚未成熟。本文将双向DC-DC变换器应用于超级电容器的充放电过程，对双向控制模型分析，采用PWM的控制策略，并针对充放电情况的不同分别加装PI及PID补偿环节，使系统比较稳定，满足绝大多数需要快速对超级电容器充放电的场合。
1双向DC-DC变换器模型
双向DC-DC变换器是直流母线和超级电容器之间的一个周期性通断的开关控制装置，它的作用是改变供给超级电容器的电压，实际上是作为一个电压调节系统而工作的。
为了满足使用需要，采用的变换器应该是电流可反向的两象限变换器，当电容对外放电时，DC-DC变换器处于升压状态，而对电容充电时，电流反馈，DC-DC变换器处于降压状态。
系统设计变换器可采用半桥式，由全控型晶体管IGBT∶S1和S2，以及续流二极管D1和D2，保护超级电容器的二极管D3和D4，电感L组成，见图1。
当S1处于工作状态，S2关断，S1和D2构成降压斩波电路，此时双向DC-DC变换器处于Buck状态。在一个开关周期Ts内，当S1闭合时（即0＜t＜ton，其中t为时间变量），二极管D2承受反向电压，电流反向向电容充电，能量从直流母线直接充入超级电容器，同时电感L存储部分能量；当S1断开时（即ton＜t＜Ts），二极管D2承受正向偏压为电感L释放能量构成通路，向电容充电。当电路处于降压Buck状态时，两端电压的相互关系为：
