超级电容器储能直流变换器的设计
《电气应用》2006年第 25卷第 12期
超 级 电容 器储 能直流变换器 的设计
张慧妍 ，一 齐智平 韦统振
(1．中国科学院电工研究所 100080 2．北京工商大学信息工程学院 100037)
摘 要 结合超级电容器端电压在储 、释能过程 中变化范围宽的特点，配置双 向直流变换器
作为接 口电路 ，可实现充、放 电功率的灵活调节，并提高其储能利用率。详细分析 了双 向直流变
换器的拓扑结构及其功率电路的设计要点。为 了充分发挥超级电容器响应速度快的优势，采用负
载电流前馈实现 了输入 电压和负载变化的复合前馈补偿，实验结果验证 了该方案的有效性。
关键词 超 级 电容器 双 向直流 变换 器 前馈 控制
1 引 言
超级 电容 器 是 近年 来 发 展 起 来 的一 种 新 型 电
力储能器件 ，其工 作原 理是基 于 1879年德 国人
亥姆 霍 兹 (Helmholtz) 发 现 的 双 电 层 原 理 1 。
超级 电容器的电容量极大 ，可达数 千法拉 ，并 且
具有循环寿 命长 、工作 温度 范 围宽 、环境 友好 、
免维 护 的 优点 _3 J。
超级电容器 的储 能特性 类似 于蓄电池 ，但其
端 电压 在 充 、放 电过 程 中变 换 范 围很 宽 。增 设 双
向 DC—DC变 换 器 ，可提 供 恒 定 接 口电 压 ，并 灵
活 控 制 对超 级 电容 器 的 充 电 功 率 。本 文 设 计 了一
个双 向 DC—DC变换器作 为接 口电路 ，结合 超级
电容器的特点对其结构参数及 控制方法进行 了优
化 。实验结果表明该设计方案 的有效性 。
2 双 向直流 变换器
2．1 拓 扑 结构
超 级 电 容器 储 能 应 用 中的 双 向 DC—DC变 换
器可 以起 到如下作用 ：
(1)将承担超级 电容器储 、释能工作 的分立
变换器综合 为一个 变换器 。
(2)进 行 电压 匹 配 ， 可 大 范 围 提 高 超 级 电 容
器的储能利用率。
(3)在超 级 电容器 储 能 单元 进行 容 量 扩展
时 ，便 于采 用 PEBB技 术 。
在无 隔离要求 的应用 场合 ，可 以采用如 图 1
所 示 的 电流 可 正 、负 双 向流 动 的 Buck—Boost双
向直流变换 器[ 。]。
图 1中超 级 电容 器组 等效 为 一个 理 想 电 容
c 与一个等效电阻 ri串联。开关管 Sl、VD2工
作 ，变换器运行于常规 Buck降压模态 ；开关 s2、
VDl工作 ，变换器运行常规 Boost升压模态 。
【
2 『，
0、 l
l f
c
T
超级电窨器组 j强向DC／DC变挟器
图 1 超级 电容器储能装置功率 电路拓扑
2．2 参数设计
2．2．1 储 能电感的设计
由图 1可 知 ，双 向变换 器共用一个 电感 L，
典型方法设计共用 电感 ：先分别设计变换器 工作
在两种模式下所需 的电感量 ，而后选取其 中较 大
值作为 L的参数设定值
L i ：max(LB。。。t，LBuck) (1)
超级电容器组储 、释能功率不平衡 时 ，采用
式 (1)设计 的电感值较 大 ，则 在大功 率运行 模
式 下 电感 没 有被 充 分 的利 用 。
采 用 功 率开 关 管 互 补 驱 动 ，任 何 时 间 ，开 关
管 s 闭合 ，则开关管 s 必然断开 。这种工 作模
式 下 ，一 个 开关 周 期 内 电感 电流 可 以 沿 正 、负 两
个 方向流通 ，响应速度快 ，同时又扩大 了直流变
换 器 电感 电流连 续 模 式 的工 作 范 围 。
2．2．2 滤 波 电容 的设 计
双向 DC—DC变换 器 Boost功率 放 电期 间，
_ _ — — 97 -———
维普资讯 http://www.cqvip.com
《电气应用》2006年第 25卷第 12期 超级电容器储能直流 变换器 的设 计
若 负载突然由满载 降低为零 ，则开 关管 S：断开 ，
{ =A算十Bd+g (4)
A ：[ 1 D卦1C RC=[_ RC D]； 式中，A：I I；B：I I； I — I I 1 I L j L (1一 )j
c= 。 ；而 =【≥】；g=[ ]；u-为变
不 难 由式 (4)得 出
=
2
= ÷
1 D R
㈥ M
ri+ L 一 )‘
由式 (5)求导 ，则 Boost变换器 的实 际输 出
u。在 d。处输 出电压具有一个有限极大值 ，即
㈦ mnx 丽
式 中 ， do=1一 ri／冗。
这样超级 电容器储能装置 的变换 器设计 中引
入一条约束准则 ，即当 r 一定 时 ，参照式 (6)，
确定变换 器 的变 比范围是 否满 足系 统运行 要求 ；
反之 ，也可通过超级电容器 的选 型、超级 电容器
组 的串、并联组合等方式改变 ri来满足系统运行
要 求 。
3．2 瞬 态 分 析
如 图 2所 示 ，控 制 系 统 采 用 电 压 外 环 、 电 流
内环 的双 闭环结构 。
图 2 直流 变换器双 闭环 控制 框图
l f cs+ 2
＼ It
1
／
G (8
维普资讯 http://www.cqvip.com
超级电容器储能直流变换器的设计 《电气应 用》2006年第 25卷第 12期
图 3 带负载电流前馈 的直流变换器控制框 图
压 的影 响 为
： (9)
o S s
选取前馈控制器 的传递 函数
Gi。： (10)
J ：
这样可以消除 负载 电流变 化对 Boost运 行 时
直 流输 出 电压 “ 的影 响 。
作为超级电容器储 能单 元的功率变换器 ，在
Boost模 态放 电释能运行 过程 中 ，超级 电容 器 的
端电压作为输入端不断下降 ，有增加输入 电压前
馈的必 要 。利 用 理 想 的功 率平 衡 表达 式 i。“ =
f “ 得 到式 (8)中的 比例 系数 Ki=U。／U2，则
前馈电流给定 。f表达式为
式 (1 1)表明负载不 变时 ，前馈通道 可 以补
偿输入 U：侧超级 电容器 端 电压 的变化 ；负 载变
化时 ，前馈通路具有 同时补偿输入 电压 和负载 电
流变化 的功能 ，使 储 能 系统 具 有较 快 的 动态 响
应 。
4 实 验 结 果
为了进行 实验 验 证 ，在一 台 7．5kW 的 双 向
Buck—Boost变换 器低 压侧 连接 超级 电容器组 作
为供 电电源 ，实验参数如下 ：输 出直流母线 电压
为 300V，超 级 电容 器 组 电 压 为 60 90V，超 级
电容器组等效串联阻抗 r 为 12mQ，储能电感为
0．6mH，滤 波 电 容 为 6．6mF， 开 关 频 率 为
10kHz。
实验结 果如 图 4a所示 ，显示 了超级 电 容器
储能单元 由备用到投 入运行 ，进行 电压支撑和功
率补偿 的启动过程 ；图 4b为 300V直流母 线电压
“ 在 负 载 由 18Q 切 换 到 12Q 时 的 实 验 波 形 ， 可
见系统具有较快的响应 。
喜
邑
三1
痒
暮
2
图 4 实验结 果
S 结束语
本 文 针对 超 级 电容 器 的 应 用 特 性 ，提 出 适 合
超级 电容器储能 的电流双 向流动的 DC—DC变换
器 的设 计考 虑 ，并 对 Boost升 压 运 行 模 式 进 行 了
分析 ，采用双闭环加前馈 的复合控制 。最后构建
了超级 电容器直流储能实验平 台，系统运行的稳
定性和 良好的动态性表明本文 分析及设计的正确
性 。这为超级 电容器今后 的进 一步应用发展提供
了较 好 的 参考 。
参考 文 献
[1] Spyker R L，Nelms R M．Double layer eapacitor／DC DC con—
verter system 叩 ed to constant power loads[c] ．Energy
Conversion Engineering Conference， 1996， 1 1 ～ 16：
255—259．
[2] BuUard G L，Sierra—Alcazar H B．et a1．Operating princi—
pies of the ultraeapaeltor[J]．IEEE Transactions on
Magnetics，1-989，25 (1)： 102—106．
[3] 程华 ，徐政 ．分布式发电 中的储能技术 [J]。高压电
器 ，2003，39 (3)：53—56．
[4] Sng E K K，Choi S Skian，et a1．Analysis of series compCn—
sation and DC Link Voltage Controls of Transformerless self-
charging dynamic voltage restorer[J]．IEEE Transactions
On Power Delivery，2004，19 (3)： 151l一1518．
[5] Ruler A，Hotellier D，Barrade P．A supercapaeitor—based
energy storage substation for voltage compensation in
一 99 —
维普资讯 http://www.cqvip.com
《电气应 用》2006年 第 25卷第 12期 超级电容器储能直 流变 换器的设计
weak transportation networks [J]．Power Dellverv
IEEE Transactions 2004，19 (2)：629—636。
l6 J Schupbach R M，Balda J C．Comparing DC DC conv钟t埘 for
power mtmagement in hybrid electric vehicles[c]．Electric
Machines and Drives Conference， 2003， 3： 1369 ．
1374．
[7] 朱 成花 ，张方 华 ，严 阳光 ．双端 稳 压 软 开关 BUCK／
BOOST变换器研究 [j]．南京航空航天大学学报 ，2004，
36 (2)：226—230．
[8] 蔡宣三 ，龚绍 文 ，等 ．高频功率电子 学—— 直流 一直
流变换部分 [M ]．北京 ：科学 出版社 ，1993．
[9] 董轻鹏 ，王兆安 ．具 有快速动态性应的单位功率 因数
PWM整 流 器 [J]．西 安 交 通 大 学 学 报 ，1997，31
(11)：77—82．
[10] Van de Sype D M，Keen De Gusaeme，et a1．Duty-ratio
feedforward for digitafly controfled boost PFC converters
[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，
2005．52 (1)：108—115．
Design DC-DC Converter for Ultracapacitor
Energy Storage
Zhang Huiyan
(Chinese Academy of Sciences)
Abstract A detailed analysis and desigen on bi-·directional DC-·
DC converter for ultracapacitors aFe presented。A feedforward
control channel is buiht which can compensate the voltage sag of
uhracapacitors when the energy storage is discharging and can
also enhance the transient performance of uhracapacitor energy
storage．The experimental results are given to valid the suggest-
ed approach．
Keywords ultracapacitor bi-directional DC·DC converter
feedfor,~ard c~ntrol
收稿 日期 ：2006—03—13
《电气应用》 投稿须知
(1)要求来稿理论和技术观点明确 、数据 准确可靠。推理合乎逻辑 、内容充实 、结构严谨 、文字精
炼、通顺易懂。文章字数控制在 4500 5000字 (包括插图、表格等)，在文章末尾处注明作者的详细联系
方式 (包括工作单位、通信地址 、邮政编码、电话传真、E—marl及个人简历)。
(2)稿件主体 内容 ：题 目、真实姓名 、详 细工作单位及邮政编码 、21)0字 以内的中文摘要和 3—5条
关键词 ；对于中文摘要要以 100 200字为宜，用第三人称写，不 分段 。摘要为不加评论和补充解释，简
明、确切地记述文章重要内容的短文 ，包括 目的、方法 、结果、结论 四要 素。若来稿属基金项 目请写明基
金编号 、国家攻关项 目编号。文尾附英文题 目、汉语拼音的姓名 、工作单位 的英文译名 、200个单词左右
的英文摘要和 3 5条与中文关键词对应的英文关键词。文稿摘编或引用他人作品 ，应在参考文献中列 出，
并在引用之处标出参考文献号码 。非正式 出版物不应列入，必要时可文中加注说 明。
(3)文稿要求 A4稿纸 5号字双栏打印 ，每页 1800字 以内，字迹清晰。文稿应按国家有关法令 、标
准 ，使用法定计量单位 ，同时以电子邮件方式发送文稿电子版。
(4)插 图控制在 6幅以内 (含分 图)，按照最新图形符号、文字符号国家标准绘制底图。
(5)来稿请勿一稿 多投，请 自留底稿 。本刊欢迎 E—mail投稿 ，若采用信函投稿的方式 ，请同时提交
电子文档。作者只需将 ．DOG格式的文章通过 E～mail传 到本刊电子信箱 (etj@mail．machineinfo．gov．
cn) 即可 。
(6)来稿收到后于一周内向作者发收稿通知。一般在 2个月 内通知作者稿件审理结果。对拟刊用的稿
件 ，编辑部保留作适当文字上删改及后期处理的权力。来稿～经刊登 ，本刊将按字数酌致稿酬 ，并赠当期
《电气应用》杂志一本。
一 00 —
维普资讯 http://www.cqvip.com
超级电容器储能直流变换器的设计.pdf
