风力机变桨系统超级电容充电机设计与仿真

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1、风力机变桨系统超级电容充电机设计与仿真摘要：本文根据超级电容的性质及风力机变桨系统运行特性，设计了一种带有浮充平台的级联BUCK电路。根据计算的参数在MATLAB/simulink中搭建模型并进行仿真实验，充分验证了对超级电容先恒流后恒压充电的设想。关键词：变桨系统，浮充平台，级联BUCK电路，先恒流后恒压充电。Abstract：Inthispaper,accordingtothenatureofsupercapacitorandthewindturbinepitchsystemoperatingc

2、haracteristics,afloatingplatformcascadeBUCKcircuitdesign.BuildamodelbasedontheparameterscalculatedinMATLAB/simulinkandsimulationexperiment,fullyvalidatedforafterthefirstconstant-currentconstant-voltagechargingthesupercapacitoridea.Keywords:pitchsystems

3、,floatingplatform,cascadeBUCKcircuit,afterthefirstconstant-currentconstant-voltagecharging.0引言超级电容具有内阻小、充电速度快、充放电效率高、循环寿命长、无污染等诸多优点，因此在太阳能、风能发电系统的储能装置，军事航天领域，工业领域[1]的后备电源，电动汽车领域等得到了广泛的应用。与超级电容配套的充电系统的设计显得尤其重要，充电机的好坏直接影响超级电容的充电的效率，及其使用寿命。本文针对超级电容在风力发电机变

4、桨备用电源中的应用，分析了超级电容的[2]存储特性，设计了带有浮充平台的级联式BUCK充电电路，利用matlab/simulink对充电电路搭建模型并进行了限压恒流充电及恒压充电的仿真。验证了此充电电路的高效稳定的特性。1超级电容特性超级电容存储的能量可表示为2E=CU/2（1-1）式中E—超级电容所存储的能量；C—超级电容的电容量；U—超级电容的端电压由上式可知，超级电容所存储的能量与电容的电容量和端电压有关。超级电容在充电的过程中，充电开始和结束的时刻，超级电容的端电压会出现∆U的突变，如图1所

5、示。该现象影响了超级电容的有效储能，并随着充电电流的增加，端电压的突变幅度增加，有效储能量降低。U程过电U充Ut图1充电过程的端电压特性示意图在超级电容充电过程中，假设超级电容采取恒流充电方式，电容C不随超级电容的端电压变化，则存储的能量是电容C和等效串联电阻R的函数，任意时间t时刻，超级电容所存储的能量可表示为：2E=QU/2=CU/2（1-2）tttt式中Q—超级电容t时刻的电荷量；tU—超级电容t时刻的端电压t当初始端电压为??时U=U+RI+U(t)（1-3）tischc式中I—恒定充电电流

6、；chR—等效串联电阻sU(t)为超级电容容量C和恒流充电时间∆t的函数，即cU(t)=IΔt/C(1-4)tchC—等效的理想电容R—等效的串联电阻SR—等效的绝缘电阻L风力发电机组变桨系统在使用超级电容作为备用电源时，为了获得足够的能量和电压，超级电容一般串联使用。所以超级电容的串联内阻较大，在大电流充电结束时，端电压会出现明显的回落现象，相应的有效储能就会降低。2超级电容的充电方法研究及拓扑设计2.1超电容充电方法研究通过上面的分析可知，为减小超级电容在充电结束时端电压的突变以保证超级电容后备

7、电源中获得足够的电量和电压，应在充电结束前对其进行小电流充电。同时要保证充电前期的快速性，在满足上述要求的情况下，力求控制简单方便，[3]因此设计了采用两阶段充电的方式。首先采用恒流限压充电方式，控制电压，保证恒流输出，采用大电流以节省充电时间，保证高效率；恒流结束后转入恒压浮充，小电流充电可以使超级电容组在断电瞬间的电压回落减小，有效的促进超级电容内部电荷的均化过程，提高了实际充入超级电容的内部的有效电量，更大[4]的程度上发挥超级电容的容量。2.2超级电容充电机拓扑设计设计中，风力发电机变桨系统

8、供电是380V三相交流电压，经整流滤波后，得到近乎稳定的直流母线电压，经过DC/DC变换后得到稳定的电压和电流输出，由于输入的直流母线电压要大于超级电容的最终的电压值，一次选用降压斩波电路。采用传统的单极BUCK电路对超级电容进行恒流充电，母线输入电压为560V，初始充电时，由于超级电容本身的内阻非常小，端电压很低，这就要求BUCK的占空比很小，过小的占空比会引发一系列问题。本设计中为了避免初始充电时占空比小引起的问题，同时能够根据超级电容组端电压的变化而随之改变电压