基于PSIM的双电层电容器仿真器的研究

关 静

(常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏 常州 213002)

与具有KCM静电容量的电容的端子电压等效，因此能够模拟比所使用的电解电容CM容量大的静电容量。PWM整流器充电时将剩余电能再生给系统电源，放电时从系统电源供给不足的电能，PWM 整流器采用直流电容 CDC 稳压控制[9-11]。以下对升降压斩波器和PWM整流器的控制方法进行研究，图1中iCh=iL-iCM，为了模拟K倍的静电容量，当iCM=iL/K时，可得:

基于PSIM的双电层电容器仿真器的研究

关 静

(常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏 常州 213002)

文章提出了一种用电解电容和三相变换电路构成的双电层电容器仿真器模型，阐述和分析了该仿真器模型的工作原理，并在PSIM6.0环境下对仿真器模型进行了计算机仿真，仿真结果验证了所提出的仿真器模型的正确性，它能够用小容量的电解电容有效地模拟大容量的双电层电容器。

双电层电容器;升降压斩波器;PWM整流器;PSIM

0 引言

双电层电容器(EDLC:Electric Double Layer Capacitor)能量密度高、寿命长，易作为能量存储设备使用[1-4]。近年来在后备电源、燃料电池、航空航天等领域的应用研究越来越广泛[5-7]。为了进行EDLC能量存储系统的开发研究，提出了一种利用电解电容和升降压斩波器实现EDLC仿真器的方法[8]，此方法提出通过升降压斩波器控制流入流出电解电容的电流，模拟比电解电容自身的静电容量大的大容量电容，但由于通过电阻消耗EDLC仿真器充电动作时产生的电能的剩余部分，因此存在EDLC仿真器电能损失大的问题。

文章提出利用电解电容和三相变换电路进行EDLC仿真器研究的方法，三相中一相作为升降压斩波器工作，剩余两相作为PWM整流器工作。EDLC仿真器放电模式时，通过PWM整流器从系统电源向电解电容提供负载要求的放电电能，EDLC仿真器充电模式时，PWM整流器作为逆变器工作，使电解电容上不能存储的剩余电能再生给系统电源，由此解决了仿真器用电阻消耗充电时的剩余电能的问题。

1EDLC仿真器

图1是EDLC仿真器图，EDLC仿真器由主电解电容CM、升降压斩波器及PWM整流器构成。升降压斩波器由电感 LCh和 Q1、Q2组成，PWM 整流器由 Q3、Q4、Q5、Q6组成。在 EDLC 仿真器中，通过升降压斩波器控制流入流出主电解电容CM的电流iCM，使主电解电容能够模拟大容量的EDLC。EDLC仿真器充电模式时，Q1通常为OFF状态、Q2进行开关，由此形成升压动作，通过从负载来的输出电流iL向主电解电容CM供给充电电流iCM，通过升压斩波器控制，使iCM为iL的1/K倍，所以负载电流iL的大部分流入升压斩波器，此时通过使PWM整流器的逆变动作，使不流入电解电容CM的电能剩余部分再生给系统电源，由此能够解决文献[8]仿真器由电阻消耗剩余电能的问题。另外，在EDLC仿真器处于放电模式时，通常使Q2为OFF状态、Q1进行开关，作为降压斩波器动作。在此放电模式时，从系统侧被供给的电流通过PWM整流器与主电解电容CM的放电电流iCM一起供给负载侧，降压斩波器控制使从主电解电容CM向负载的放电电流iCM为iL的1/K倍。

图1 EDLC仿真器图

假设EDLC的静电容量为C、充放电电流为iC、电容的初始电压为uC(0+)，则t时刻电容的电压uC为:

本文提出的EDLC仿真器利用升降压斩波电路控制流入流出主电解电容CM的电流为iCM=iL/K。此时，主电解电容CM的端子电压uCM为:

由式(2)可知，EDLC仿真器的端子电压uCM

与具有KCM静电容量的电容的端子电压等效，因此能够模拟比所使用的电解电容CM容量大的静电容量。PWM整流器充电时将剩余电能再生给系统电源，放电时从系统电源供给不足的电能，PWM 整流器采用直流电容 CDC稳压控制[9-11]。以下对升降压斩波器和PWM整流器的控制方法进行研究，图1中iCh=iL-iCM，为了模拟K倍的静电容量，当iCM=iL/K时，可得:

根据式(3)，通过升压斩波器控制电流iCh能够模拟主电解电容的K倍的静电容量。在图1中检测负载电流iL、乘以1/K，再从iL中减去后的值作为流入流出升降压斩波器的电流理想值。检测，通过PI调节器放大电流理想值和的偏差，采用三角波比较方式PWM开关Q1或Q2来追踪理想值，由式(3)给予的电流流入流出升降压斩波器，此电流控制中PI调节器的参数为KP1=10，tI1=1 ms。PWM整流器通过直流电容CDC的稳压控制，将充电时的剩余电能再生给系统电源，放电时从系统电源供给不足的电能。通过PI调节器放大直流电容电压的理想值和检测的直流电容电压uDC的偏差，运算用于控制直流电容电压的有效电流振幅IP。另一方面，从系统侧检测到的uS=USsinωt产生振幅为■2的正弦基准电压，将此基准电压乘以IP，成为将uDC控制成一定值的电流理想值，求得检测到的系统侧的电流iS和电源电流理想值的偏差，再通过PI调节器放大，利用三角波比较方式PWM，开关Q3、Q4、Q5、Q6使iS追踪理想值，此电压控制中PI调节器的参数为=1，=33 ms。

2 仿真结果

为了确认EDLC仿真器的有效性，通过PSIM进行了计算机仿真。用于模拟大容量的静电容量的主电解电容CM及PWM整流器的直流电容均取3 300 μF。仿真中式(2)控制增益K取10，相当于模拟了33 mF的静电容量，直流电容CDC电压的理想值为250 V。

图2是EDLC仿真器充电模式时的PSIM的仿真结果。

图2 EDLC仿真器充电模式时的仿真波形

仿真波形从上至下依次表示负载电流iL、流入升降压斩波器的电流、直流电容电压uDC和EDLC仿真器的电压。通过PWM整流器的直流电容稳压控制，使直流电容CDC电压在250 V稳定的状态下通过2.5 A的负载电流iL充电，负载电流iL的大部分流入升降压斩波器，剩余的电流成为主电解电容CM的充电电流。充电模式时通过升压斩波器控制，EDLC仿真器的电压从初始电压的100 V在1.6 s间上升到约214 V。图3(a)是EDLC仿真器充电模式时的系统侧电压uS、电流iS及EDLC仿真器电压uCM的放大波形，图3(b)是对应的Q3～Q6波形。

图3 EDLC仿真器充电模式时系统侧的电压、电流波形及对应的Q3～Q6波形

在图2、图4的仿真结果中，负载电流为2.5 A，充放电时间为1.6 s，此时 Δ为114 V，代入式(4)，得C=35 mF，从而确认能够模拟主电解电容10倍静电容量的事实。

图3中由于系统侧电压和电流逆相，因此PWM整流器作为逆变器动作，能够将充电时发生的电能剩余部分再生给系统。

图4是EDLC仿真器放电模式时的PSIM的仿真结果。与充电模式时相同，在放电模式时，通过直流电容稳压控制，使电容电压在250 V状态下通过 -2.5 A的负载电流iL放电。比起升降压斩波器流出的电流iCh，负载电流iL的大部分从系统侧供给，剩余电流为从CM来的放电电流。放电模式时通过降压斩波器控制，EDLC仿真器的电压从初始电压214 V在1.6 s间下降到100 V。图5(a)是EDLC仿真器放电模式时的系统侧电压uS、电流iS及EDLC仿真器电压的放大波形图，图5(b)是对应的Q3～Q6波形。由图5可知，与充电模式时相反，系统侧在放电时电压和电流同相，从而确认通过PWM整流器放电时所需的电能由系统供给。这里EDLC仿真器的静电容量的充放电特性可表示为:

图4 EDLC仿真器放电模式时的仿真波形

3 结语

图5 EDLC仿真器放电模式时系统侧的电压、电流波形及对应的Q3～Q6波形

本文提出了利用电解电容和三相变换器电路组成的EDLC仿真器，三相中一相作为升降压斩波器动作、剩余两相作为PWM整流器动作。在EDLC仿真器放电模式时，负载要求的放电电能通过PWM整流器从系统供给主电解电容;在EDLC仿真器充电模式时，PWM整流器作为逆变器使用，使主电解电容不能存储的剩余电能再生给系统。文中研究了升降压斩波器和PWM整流器的控制方法，然后基于PSIM6.0仿真了所提出的EDLC仿真器，仿真结果验证了所提出的EDLC仿真器的有效性，通过计算机仿真证明能够用主电解电容模拟10倍的静电容量，从而验证了EDLC仿真器的正确性。下一步工作准备进行EDLC仿真器模型的实践电路的研究。

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PSIM-based Exploration of Electric Double Layer Capacitor Simulator

GUAN Jing

(School of Electronic Information ＆ Electric Engineering，Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002)

This paper presents an electric double layer capacitor simulator composed of the electrolytic capacitors and a three-phase converter circuit，and the circuit principle is discribled and analyzed.Then the circuit simulation is finished in the PSIM6.0 software environment，whose results demonstrate the validity and correctness of the proposed electric double layer capacitor simulator.In such circuit a small capacity capacitors can perform a large capacity electric double layer capacitor.

electric double layer capacitor;buck-boost chopper;PWM rectifier;PSIM

TM531.5

A

1671-0436(2011)03/04-0001-05

2010-12-17

常州工学院自然科学基金项目(YN04059)

关静(1978— )，女，讲师。

责任编辑:张秀兰