论文部分内容阅读
在大功率储能系统中,超级电容作为一种新型储能元件受到的重视程度越来越高。其快速的功率吸纳与释放能力使其较比各种电池类储能元件在一些需要快速功率变换的领域更为适合。为了保证超级电容储能系统可靠性以及使用寿命,需要对其进行有效管理。本文对超级电容管理系统进行研究,它主要包括两个功能:超级电容单体电压均衡与超级电容状态估计。论文中首先考虑到多单体的串联结构中,各单体之间的差异引起在储能系统充放电过程中逐渐出现电压差,这种电压差的累计会严重影响其正常工作,针对这一问题研究了电压均衡方法。其中,本文对多绕组变压器均压拓扑进行了建模分析,可以预测出模组均衡速度。同时该拓扑具有均衡单体数受限的缺陷,为此,本文在模组内使用多绕组变压器均压拓扑实现电压均衡的基础上提出一种新型的模组间单体的电压均衡方式,从而提高所能均衡单体的数量,同时因为均衡原理与多绕组变压器均压拓扑相同而能够保持其优点。这两种拓扑的有效性均通过Simulink仿真和实验进行验证。超级电容管理系统在实现电压均衡的同时,还需要给出超级电容单体实时的电量指标,并且能检测出超级电容在使用过程中的性能衰变,从而进行故障诊断,所以还需要具备在线估计超级电容状态(包括荷电状态SOC和健康状态SOH)的能力。首先,本文针对超级电容经典的三RC支路模型,分别使用卡尔曼滤波器和滑模观测器估计其SOC。两种观测器估计SOC都需要已知模型参数。为此本文使用Simulink集成的离线参数识别功能来识别三支路模型参数,并提出可以简化模型为二RC支路,从而减少待定参数数量;其次,超级电容SOH的估计是由超级电容等效串联内阻或容值的估计得到,本文提出使用线性最小二乘与EKF算法来识别其容值,并提出使用EKF来同时估计二RC支路模型包括容值的多个参数与SOC。以上算法的有效性均通过Simulink仿真验证。在论文的研究过程中,结合中车“地铁超级电容线路储能系统”工程,开展了超级电容管理系统的原理研究、仿真分析和实验研究。研究成果可为超级电容的进一步应用提供参考依据。