基于超级电容的直流应急照明系统设计与研究

摘要

变电站直流应急照明系统可以在变电站停电时提供应急照明，以方便人员巡视和事故处理。传统的应急照明系统由蓄电池供电，但是蓄电池存在维护困难复杂、使用寿命短和功率密度低等缺点。使用功率密度高、使用寿命长和几乎免维护的超级电容代替蓄电池储能可以减小维护工作和因储能装置故障而造成的事故，提高变电站直流应急照明系统经济性和可靠性。因此，对基于超级电容供电的直流应急照明系统进行研究与设计是十分有必要的。
　　论文首先对变电站直流应急照明系统进行了调研与分析，针对其设计要求与照明需要，确定了直流应急照明系统的接线方式、电压等级和负载情况等。并根据以上内容选择和计算超级电容的合理容量配置和电压大小。针对超级电容端电压在使用中下降较快，难以满足供电要求的缺点，本文经研究采用可以实现能量双向流动的双向DC-DC变换电路以实现超级电容供电电路的稳压输出。其中探讨比较了多种双向DC-DC拓扑的优缺点以及应用范围，并选择了一种适用于本文所研究场合的拓扑。经分析，选择电流控制方法为该双向DC-DC拓扑的控制策略并结合变电站直流应急照明系统的要求对电路参数进行设计。之后，依据之前所设计基于超级电容的应急照明系统电路结构及参数，在MATLAB中对该系统进行模型搭建及仿真，分析仿真中的供电情况能否满足设计要求以及设计是否合理等。最后，搭建小功率实验平台，考虑了通过使用性能更优越的碳化硅开关器件增加稳压放电时间。实测结果验证了仿真结果的正确性，同时仿真结果也对实验具有指导作用。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 变电站直流照明系统的发展和现状

1．3 直流电源系统中使用蓄电池组存在的问题

1．4 超级电容研究现状及其特点

1．4．1 超级电容研究现状

1．4．2 超级电容优点及存在的问题

1．5 双向DC／DC变换电路简介与研究现状

1．6 本文主要研究内容

第2章 基于超级电容的直流应急照明系统设计

2．1 变电站直流系统的基本要求

2．2 变电站直流应急照明系统的设计要求

2．2．1 接线方式的要求

2．2．2 变电站直流应急照明标准

2．3 变电站直流应急照明系统超级电容容量设计

2．4 超级电容储能的研究

2．4．1 超级电容基本原理

2．4．2 超级电容主要参数

2．4．3 超级电容的模型

2．5 结合应急照明要求的超级电容模组设计

2．6 本章小结

第3章 双向DC-DC变换器的研究

3．2 双向DC-DC变换器拓扑研究与选择

3．2．1 非隔离型双向DC-DC变换器基本拓扑结构

3．2．2 隔离型双向DC／DC变换器基本拓扑结构

3．2．3 双向DC-DC变换器拓扑的比较与选择

3．3 单相Buck-Boost电路的控制策略研究与参数设计

3．3．1 单相Buck-Boost电路原理分析

3．3．2 双向DC-DC变换器的控制策略分析与设计

3．3．3 Buck-Boost电路的参数设计

3．4 本章小结

第4章 基于超级电容的双向DC-DC变换系统仿真

4．1 仿真的主要模块简介

4．2 Buck模式下的系统仿真波形及分析

4．3 Boost模式下的系统仿真波形及分析

4．4 本章小结

第5章 小功率应急照明系统实验平台搭建与仿真

5．1 实验平台的设计概要

5．2 实验电路的搭建及元件选择

5．2．1 超级电容的选择

5．2．2 照明负载的选择

5．2．3 IGBT的选择

5．2．4 稳压电容和电感的选择

5．2．5 IGBT驱动板的选择

5．2．6 基于DSP320F2812编程控制

5．3 实验结果及分析

5．4 应用硅开关器件在模拟小功率实验平台中的仿真

5．5．1 碳化硅MOSFET优势简介

5．5．2 仿真及分析

5．5．3 实验结果及分析

5．6 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢