超级电容器组的固态变换器及其控制方式

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：由此可见，超级电容器组一般不能直接与负载连接，而是需要配置一个固态变换器作为与负载之间的功率接口，提升储能系统的电流值或电压值，以满足应用需求。此外，固态变换器还应该能够实现对超级电容器充放电电流的控制。另外，电感L用于平滑充放电电流Ic在其平均值附近的波动，减小因变换器高频运行所带来的高频电流分量。这样的一种变换器级联方式适用于输出电压Udc，有可能低于超级电容器组端电压Uc的情况。

超级电容器可以看成是一个直流电压源，但其输出电压不恒定，而是取决于荷电状态。另外，充放电电流必须得到控制以将效率维持在特定值。

由此可见，超级电容器组一般不能直接与负载连接，而是需要配置一个固态变换器作为与负载之间的功率接口，提升储能系统的电流值或电压值，以满足应用需求。此外，固态变换器还应该能够实现对超级电容器充放电电流的控制。

超级电容器有一个特性应该从开始就要考虑到：尽管超级电容器的串联阻抗可以被认为在很宽的频域范围内是恒定的，但是它可以迅速降低，以至于在几百赫兹左右可以认为该阻值为0^{[BUL 02]}。虽然超级电容器充放电电流的平均值决定了所储存能量的大小，但其他任何谐波分量应该被尽可能消减，以避免器件进入阻性频域内和高耗能模式。固态变换器在功能设计上应该能够满足这个要求。

在考虑了以上这些特性与需求之后，这里给出了固态变换器一个可行的结构，如图9-9所示。其中超级电容器组由一个等效电容C表示。

图9-9 可反向工作的升压型变换器

该变换器是一个DC-DC升压型变换器，可以双向工作，其输出电压U_dc总是大于超级电容器组的端电压U_c。这特点的一个重要好处是，避免了大量超级电容器的串联，因为它们本身的电压太低了。另外，电感L用于平滑充放电电流I_c在其平均值附近的波动，减小因变换器高频运行所带来的高频电流分量。由于双向工作的特点，这种结构在效率、重量与体积等方面可以大为优化，而且能量的双向流动是轮流进行的。

这是唯一的一个既可以提升电压，又可以直接控制超级电容器输出电流中的谐波成分的结构。在实际应用中，当有某些特殊需求，图9-9所示的结构无法满足时，那么就有可能采用图9-10所示的变换器级联结构。

图9-10 级联结构的变换器

图9-10a给出的结构是将一个双向升压变换器通过一个高电压等级的中间环节与一个双向降压变换器级联。这样的一种变换器级联方式适用于输出电压U_dc，有可能低于超级电容器组端电压U_c的情况。

图9-10b所示的结构适用于要求超级电容器储能交流输出的场合（目前主要是指三相交流）。其中，直流变换器的作用主要是提高超级电容器组的端电压，以支撑后级的电压型逆变器，因为中间电压U_i应该总是大于逆变器交流输出电压的峰值。对于超级电容器来说，由于其具有低电压特性，为了避免串联使用过多的单体器件，升压环节是必须要采用的。

图9-10c所示的结构也属于DC-DC变换器的范畴，这种结构适用于输出电压U_dc与超级电容器组的端电压U_c之间相差十分大，以至于无法由一个升压变换器完成的场合（超过升压变换器的调制极限）。因此需要借助于多级升压变换器，其工作原理是：首先，通过升压变换器产生电压U_i，并由一个单相逆变器变换成几千赫兹的交流电提供给变压器的一次侧，变压器二次侧与另一个电压型逆变器连接，使其工作于整流状态，输出所需的直流电压U_dc。使用千赫兹频率的变压器，既可以达到升压的目的，也可以减小体积和重量。

最后，我们应该注意到，图9-10给出的三种结构都将升压变换器作为前级。如果在具体应用中，所需的电压等级与超级电容器组的端电压（在其放电过程中）相匹配，这个升压变换器就可以省去。这种方式可以提高效率，但是超级电容器组与降压变换器、电压型逆变器，或者中频变换器之间必须有一个滤波器，用于限制充放电电流中的谐波成分^{[RUF 08]}。

超级电容器组的固态变换器及其控制方式

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