獨(dú)立光伏系統(tǒng)的超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

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（1.嘉興電力局，浙江嘉興314033；2.南京四方億能電力自動(dòng)化有限公司，南京211111）

獨(dú)立光伏系統(tǒng)的超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

溫鎮(zhèn)1，張勇1，潘曉純1，盛銀波1，劉千杰2

（1.嘉興電力局，浙江嘉興314033；2.南京四方億能電力自動(dòng)化有限公司，南京211111）

對(duì)于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，通常需要儲(chǔ)能系統(tǒng)來保證供電的穩(wěn)定性和持續(xù)性。為了吸收光伏電池發(fā)出的脈動(dòng)功率，從而抑制直流母線的電壓波動(dòng)，并滿足向負(fù)載提供短時(shí)大功率的需求，提出了采用超級(jí)電容器和蓄電池混合儲(chǔ)能方案，并進(jìn)行了充放電仿真分析，驗(yàn)證了超級(jí)電容的蓄電池充放電特點(diǎn)，提出了充放電控制策略。

獨(dú)立光伏系統(tǒng)；超級(jí)電容；蓄電池；混合儲(chǔ)能

獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，由于光伏電池輸出的隨機(jī)波動(dòng)，即光伏電池并不是時(shí)刻運(yùn)行在最大輸出功率狀態(tài)，且輸出最大功率會(huì)隨著光照和環(huán)境溫度的變化而變化，所以在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中增加儲(chǔ)能系統(tǒng)是必不可少的[1-4]。

由于各種儲(chǔ)能電池都有優(yōu)缺點(diǎn)，如果使用單一的儲(chǔ)能電池，則不能最大化利用光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的富裕能量，而同時(shí)使用多種儲(chǔ)能電池，則可充分發(fā)揮各種儲(chǔ)能電池的優(yōu)點(diǎn)，從而使光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的富裕能量得到高效利用。因此，光伏系統(tǒng)中的混合儲(chǔ)能已逐漸受到重視。近幾年，國內(nèi)外一些高校和科研院所對(duì)該技術(shù)做了初步的研究[5-8]。

以下對(duì)使用超級(jí)電容器和蓄電池相結(jié)合的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行研究，內(nèi)容主要包括系統(tǒng)架構(gòu)，儲(chǔ)能模型的建立、分析及仿真。

1 混合儲(chǔ)能基本結(jié)構(gòu)

1.1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)

獨(dú)立光伏系統(tǒng)中混合儲(chǔ)能基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光伏電池經(jīng)充電電路至超級(jí)電容，同時(shí)，經(jīng)并聯(lián)控制器向蓄電池或負(fù)載供電。

在獨(dú)立光伏系統(tǒng)混合儲(chǔ)能中，并聯(lián)控制器在超級(jí)電容和蓄電池之間起關(guān)鍵協(xié)調(diào)作用，根據(jù)并聯(lián)控制器的不同，控制器可分為無源式和有源式[9]。在無源式儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)中，超級(jí)電容器通過二極管向蓄電池或負(fù)載供電，結(jié)構(gòu)簡單，但不具有可控性。在有源式儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)中，超級(jí)電容器通過DC/DC（直流）變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的能量傳輸。

1.2 獨(dú)立光伏系統(tǒng)

如圖2中的圖（a）所示，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)將發(fā)出的電能匯入大電網(wǎng)中。圖（b）則是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，太陽能電池輸出的直流電通過蓄電池供給直流負(fù)載，或者增加逆變器后向交流負(fù)載供電，但不與交流大電網(wǎng)連接，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于光照富裕且邊遠(yuǎn)偏僻的地區(qū)有著重要的意義。

1.3 蓄電池

對(duì)蓄電池的建模分析是對(duì)整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)?？紤]所需的蓄電池用于獨(dú)立光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，需能較好地分析儲(chǔ)能系統(tǒng)在充電和放電之間切換的過渡過程，且達(dá)到一定的精度，因此，選取Shepherd等效電池模型為蓄電池的模型。

迄今為止，用于描述光伏系統(tǒng)或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池行為的模型最普遍的是1965年由C. M.謝菲爾德（Shepherd）提出的模型，等效電路模型如圖3所示，其中電池組SOC（荷電狀態(tài)）可由下式計(jì)算得到：

式中：Q0為電池組初始容量；Qmax為電池組最大容量；I為電池組電流，正值為放電，負(fù)值為充電。

蓄電池端電壓方程為：

式中：Ae-B（1-SOC）為用于校正一開始放電時(shí)電壓的快速跌落；Es為蓄電池開始放電時(shí)的電壓；C（1-SOC）為考慮空載電壓隨放電程度變化（電解液濃度變化）所引進(jìn)的修正項(xiàng)；Ki（SOC）I為由于電極板通道引起的壓降；RiI為有功電壓損失。

1.4 超級(jí)電容

超級(jí)電容器是基于雙電層原理的大容量電容器，當(dāng)外加電壓作用于兩個(gè)極板時(shí)，存儲(chǔ)的電荷是正電極與正電荷對(duì)應(yīng)、負(fù)電極與負(fù)電荷對(duì)應(yīng)。而超級(jí)電容器除了此之外，若受到電場(chǎng)作用則會(huì)在電解液、電極之間產(chǎn)生相反的電荷，此時(shí)正電荷、負(fù)電荷分別處于不同的接觸面，這種條件下的負(fù)荷分布則屬于雙電層，原理如圖4所示。

使用改進(jìn)RC電路模型對(duì)超級(jí)電容器的性能進(jìn)行分析，電路模型如圖5所示，由理想電容C、串聯(lián)等效電阻Rs和并聯(lián)等效電阻Rp組成。并聯(lián)等效電阻表征超級(jí)電容器的漏電流效應(yīng)，是影響超級(jí)電容器長期儲(chǔ)能的參數(shù)，這個(gè)模型能夠反映出超級(jí)電容器的基本物理特性。相對(duì)RC電路模型，該模型能精確描述電容器長期的工作狀態(tài)。

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

獨(dú)立光伏系統(tǒng)中的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括蓄電池、超級(jí)電容器和DC/DC變換控制器，同時(shí)為了充分發(fā)揮超級(jí)電容器功率密度大和蓄電池能量密度大的特點(diǎn)，以及增加混合儲(chǔ)能的控制靈活性，采用超級(jí)電容器和蓄電池分別接雙向Buck/ Boost變換器，然后再與直流母線相連的結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6中，由于超級(jí)電容器功率密度大，循環(huán)壽命長，而蓄電池循環(huán)壽命較短，不宜經(jīng)常進(jìn)行充放電，所以二者不便采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，宜分別通過充放電控制器（雙向Buck/Boost變換器Ⅰ和Ⅱ）與48 V直流母線相連。

由于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)需在直流母線電能過剩時(shí)存儲(chǔ)電能，在負(fù)載所需電能不足時(shí)釋放電能，因此，在通常情況下需要頻繁進(jìn)行充放電的切換。而蓄電池由于循環(huán)壽命小，不宜頻繁進(jìn)行充放電切換。由于超級(jí)電容器功率密度大，補(bǔ)充電能功率的缺失也較快，所以頻繁切換使用超級(jí)電容器。而需混合儲(chǔ)能系統(tǒng)長時(shí)間放電時(shí)，則由蓄電池進(jìn)行放電。

另外，考慮光伏電源（包括光伏電池及其變換控制器）可能在突然出現(xiàn)遮光等情況時(shí)，導(dǎo)致輸出的電壓出現(xiàn)跌落或上升，此時(shí)光伏電源需脫離48 V直流母線，為了防止在其脫離直流母線時(shí)向光伏電源饋送電能，采用功率二極管與直流母線相連，這樣可以在光伏電源輸出電壓小于48 V時(shí)不用通過開關(guān)器件的關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)脫離母線的功能。此時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過檢測(cè)光伏電源輸出電壓的跌落，由超級(jí)電容器或蓄電池向直流母線放電。而在光伏電源輸出電壓大于48 V時(shí)，光伏電源會(huì)對(duì)直流母線產(chǎn)生沖擊，此時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)也可通過檢測(cè)光伏電源輸出電壓的上升，對(duì)超級(jí)電容器或蓄電池充電。

3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電研究與仿真分析

在對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充電過程中，可能出現(xiàn)超級(jí)電容器或蓄電池單獨(dú)充電，以及二者聯(lián)合充電3種情況。由于二者的充放電是相互獨(dú)立，所以，只研究超級(jí)電容器或蓄電池單獨(dú)充電控制策略，并對(duì)充電性能進(jìn)行仿真分析。

3.1 超級(jí)電容器充電控制策略與仿真分析

超級(jí)電容器模型為改進(jìn)串聯(lián)RC模型，在恒功率充電模式下充電效率最高，恒流充電模式效率較高，而恒壓充電效率較低。因此，對(duì)超級(jí)電容器單獨(dú)充電時(shí)，較宜采用恒功率充電。但是當(dāng)超級(jí)電容器起始電壓為零時(shí)，若采用恒功率充電，則起始電流非常大，此時(shí)若采用恒壓啟動(dòng)，效率又較低，所以在超級(jí)電容器起始電壓為零時(shí)采用恒流啟動(dòng)較為合適。同時(shí)，由于在電壓為零對(duì)其恒流充電時(shí)，變換器并不能在電壓很小時(shí)保持電流連續(xù)，在零時(shí)刻起始充電時(shí)剛開始的電流并不連續(xù)，并且此時(shí)的電流類似于脈沖電流，會(huì)對(duì)超級(jí)電容器產(chǎn)生一定的沖擊，為限制電壓電流在零時(shí)刻對(duì)超級(jí)電容器的沖擊，宜串聯(lián)一個(gè)較小的電阻。對(duì)于串聯(lián)電阻的阻值選擇，可以根據(jù)超級(jí)電容器所能承受的最大電流和系統(tǒng)所需的充電效率與時(shí)間要求來確定。

當(dāng)采用恒功率充電方式對(duì)超級(jí)電容器充電到接近額定電壓（在本系統(tǒng)中額定電壓為24 V）時(shí)，超級(jí)電容器基本達(dá)到充滿狀態(tài)。倘若繼續(xù)采用恒功率充電，則宜造成電壓電流的波動(dòng)，轉(zhuǎn)換到恒壓充電方式較佳。在超級(jí)電容器達(dá)到額定電壓時(shí)，采用恒壓充電方式可以較好地補(bǔ)充超級(jí)電容其等效并聯(lián)電阻消耗的電能。

針對(duì)以上超級(jí)電容器充電策略進(jìn)行仿真，并分析其可行性。另外，由于超級(jí)電容器在充電過程中也面臨著充電策略與充電效率的匹配性，即在提高充電效率的同時(shí)，需滿足超級(jí)電容器本身性能（如最大充電電流、尖峰電壓等）的限制，因此在充電過程的仿真中也需對(duì)此進(jìn)行對(duì)比分析。

利用構(gòu)建的超級(jí)電容器充電仿真模型，Ⅰ型充電控制策略為起始串聯(lián)電阻恒流啟動(dòng)充電，然后切除電阻繼續(xù)恒流充電，再轉(zhuǎn)換為恒功率充電，最后采用恒壓充電的控制策略，對(duì)超級(jí)電容器的充電過程進(jìn)行仿真。在仿真之前，需設(shè)定超級(jí)電容器參數(shù)。為了減小仿真的時(shí)間，取超級(jí)電容器改進(jìn)RC模型中的等效電容值為1F，串聯(lián)電阻Rs=25 mΩ，并聯(lián)電阻Rp=20 kΩ。同時(shí)，設(shè)定啟動(dòng)串聯(lián)電阻Rstart=1 Ω。首先5 A恒流充電，然后在超級(jí)電容器電壓為5 V時(shí)切除啟動(dòng)電阻后繼續(xù)恒流充電，當(dāng)電壓為10 V時(shí)轉(zhuǎn)為100 W恒功率充電，最后當(dāng)超級(jí)電容器電壓達(dá)到24 V時(shí)轉(zhuǎn)為恒壓充電。根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行仿真，得到圖7所示的仿真波形。

根據(jù)圖7的仿真波形可以看出，變換器在第1 s內(nèi)對(duì)加有串聯(lián)電阻的超級(jí)電容器恒流充電，在第1 s時(shí)超級(jí)電容器電壓達(dá)到切除串聯(lián)電阻設(shè)定的5 V，因此切除串聯(lián)電阻并繼續(xù)進(jìn)行恒流充電，此時(shí)變換器輸出的電壓等于超級(jí)電容器的電壓。由變換器輸出電流波形可以看出，在電阻切除時(shí)輸出的電流出現(xiàn)了較大的沖擊。在第2 s時(shí)檢測(cè)到超級(jí)電容器的電壓達(dá)到了10 V，因此該時(shí)刻切換為恒功率充電，此時(shí)變換器輸出的電流并沒有出現(xiàn)較大的沖擊，過渡過程較為平穩(wěn)。在恒功率控制期間，由于變換器輸出的電壓不斷上升，輸出電流出現(xiàn)了一定的波動(dòng)。在恒功率轉(zhuǎn)換為恒壓控制時(shí)，變換器的輸出電流也出現(xiàn)了一定程度的沖擊。

Ⅱ型超級(jí)電容器充電策略為串電阻恒流啟動(dòng)充電；在電壓達(dá)到一定值時(shí)，切除串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)為恒功率充電；最后，在超級(jí)電容器電壓接近額定值時(shí)轉(zhuǎn)換為恒壓充電方式。對(duì)于Ⅱ型充電策略設(shè)定在超級(jí)電容器電壓為6 V時(shí)，切除串聯(lián)電阻直接轉(zhuǎn)換為100 W恒功率充電方式，其他充電過程閾值參數(shù)與Ⅰ型充電策略相同，從而得到如圖8所示的Ⅱ型充電策略仿真波形。

根據(jù)圖8的仿真波形可以看出，其充電過程的波形與Ⅰ型超級(jí)電容器充電波形相似。但由于在切除電阻后直接轉(zhuǎn)換為恒功率充電，其電流沖擊較大。同時(shí)，根據(jù)Ⅰ型和Ⅱ型充電時(shí)間的對(duì)比，可以Ⅰ型充電時(shí)間需要4.5 s才達(dá)到額定電壓24 V，而Ⅱ型充電時(shí)間則需要4 s，因此，Ⅱ型超級(jí)電容器充電速度較快。

3.2 蓄電池充電控制策略與仿真分析

目前對(duì)于蓄電池的充電控制策略已經(jīng)非常成熟，主要采用分階段充電方式，并且在充電初期，多采用恒流方式向蓄電池充電，待蓄電池電壓基本達(dá)到額定電壓時(shí)，改用恒壓充電方式向蓄電池充電，在充電末期，蓄電池容量達(dá)到系統(tǒng)額定容量后，采用微小電流對(duì)蓄電池進(jìn)行涓流充電，以補(bǔ)充蓄電池的自放電。

蓄電池SOC和電壓可分別根據(jù)式（1）和（2）計(jì)算得出，在對(duì)蓄電池充電控制策略進(jìn)行仿真時(shí)，為了減小仿真時(shí)間，并能夠觀測(cè)到由恒流至恒壓充電模式的切換，設(shè)定蓄電池的容量為0.01 Ah，額定電壓為24 V，仿真時(shí)設(shè)定Shepherd等效電池模型的Es為16 V，A為0.04，B為0.03，C為0.4，Ki為0.43，Ri為0.5，起始SOC為10%，設(shè)定蓄電池在小于20 V時(shí)采用5 A恒流充電方式，當(dāng)超過20 V時(shí)采用24 V恒壓充電方式。經(jīng)仿真得到蓄電池充電時(shí)恒流至恒壓充電方式的變換曲線見圖9。

如圖9所示，在恒流充電階段，蓄電池的電壓基本不變，但當(dāng)蓄電池的電量達(dá)到一定程度時(shí)，蓄電池的電壓會(huì)類似于指數(shù)曲線增長。由圖9（a）電壓變換曲線可以看出蓄電池的電壓在由16 V上升至20 V只用了約1 s時(shí)間，而之前蓄電池電壓基本沒有發(fā)生變化。圖（b）的電流變換曲線可以看出在由恒流充電至恒壓充電切換時(shí)，電流突然出現(xiàn)了躍升，但隨后又呈指數(shù)曲線下降，直至電流最后接近于0。但在實(shí)際充電過程中，蓄電池有恒流至恒壓變換時(shí)電流不宜出現(xiàn)躍升，這樣容易對(duì)蓄電池造成沖擊，在切換時(shí)電流應(yīng)不大于恒流充電時(shí)的電流值。

4 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電研究與仿真分析

在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)向直流母線補(bǔ)償電能時(shí)，可能出現(xiàn)超級(jí)電容器或蓄電池單獨(dú)放電，以及二者聯(lián)合放電3種情況。同時(shí)由于二者放電是相互獨(dú)立的，所以，本課題主要研究這3種情況下的放電性能，并進(jìn)行仿真分析。

4.1 超級(jí)電容器放電控制與仿真分析

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的超級(jí)電容器向48 V直流母線補(bǔ)償電能時(shí)，超級(jí)電容功率密度比較大的特點(diǎn)將得到充分發(fā)揮，可以向直流母線釋放較大的電流。但由于超級(jí)電容器能量密度比較小，所以在放電過程中超級(jí)電容器電壓變化比較快，由此對(duì)放電控制器的性能要求較高。適當(dāng)調(diào)整參數(shù)后對(duì)超級(jí)電容器單獨(dú)放電進(jìn)行仿真，并使負(fù)載由9 Ω躍變至10 Ω，得到如圖10所示的負(fù)載擾動(dòng)情況下的電壓仿真波形。

由圖10可以看出，超級(jí)電容器在單獨(dú)放電、負(fù)載產(chǎn)生擾動(dòng)的情況下，系統(tǒng)輸出恢復(fù)得較慢，且在恒壓放電響應(yīng)時(shí)，出現(xiàn)了一定的超調(diào)量，這在一定程度上是由于其放電過程中電壓變化較快造成的，因此應(yīng)在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)直流母線側(cè)增加濾波電容，使其超調(diào)量減小。

4.2 蓄電池放電控制與仿真分析

當(dāng)直流母線須長時(shí)間補(bǔ)充電能時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的蓄電池應(yīng)向48 V直流母線補(bǔ)償電能。此時(shí)，蓄電池能量密度大的特點(diǎn)將得到充分發(fā)揮。由于是向48 V直流母線放電，所以變換器只需要實(shí)現(xiàn)48 V恒壓輸出即可。使負(fù)載由9 Ω躍變至10 Ω，經(jīng)仿真得到如圖11所示的蓄電池放電波形。

由圖11可以看出，在蓄電池放電時(shí)，啟動(dòng)響應(yīng)的過程中基本沒有超調(diào)量。但與超級(jí)電容器放電曲線相比，在負(fù)載變換相同的條件下，電壓跌落較大，由此也可以看出超級(jí)電容器能夠較好的抑制電壓跌落，具有較大的功率密度。

5 結(jié)論

對(duì)光伏系統(tǒng)混合儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種混合儲(chǔ)能的方案，并對(duì)其充放電控制策略做了分析，再運(yùn)用Matlab中的Simulink模塊分別對(duì)超級(jí)電容先恒流、再恒壓，最后恒功率充電的三段式充電，蓄電池先恒流、后恒壓的二段式充電及各自單獨(dú)對(duì)負(fù)載放電的過程進(jìn)行了仿真，得出了相應(yīng)的規(guī)律，在后續(xù)的工作中，將做出樣機(jī)來驗(yàn)證所得仿真結(jié)果的正確性。

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（本文編輯：楊勇）

Study on Hybrid Storage System Based on Supercapacitor and Battery in Stand-alone PV System

WEN Zhen1，ZHANG Yong1，PAN Xiao chun1，SHENG Yin bo1，LIU Qian jie2
（1.Jiaxing Electric Power Bureau,Jiaxing Zhejiang 314033,China; 2.Nanjing Sifang Epower Automation Co.,Ltd.,Nanjing 211111,China)

Energy storage system is usually essential for stand-alone PV system to ensure power supply stability and sustainability.For the sake of pulse power absorption from photovoltaic cells so as to inhibit the voltage fluctuations of DC bus and to meet the needs of supplying short-term high-power to the load,the paper presents a hybrid energy storage scheme combining the supercapacitor with battery and conducts a simulated analysis on charging and discharging,which proves charging and discharging characteristic of supercapacitor and battery;it also proposes a charging and discharging control strategy.

stand-alone PV system;supercapacitor;battery;hybrid energy storage

TM531:TM912

：B

：1007-1881（2013）11-0057-06

2013-08-13

溫鎮(zhèn)（1985-），男，江蘇常熟人，碩士，助理工程師，主要從事輸電線路運(yùn)行檢修及光伏系統(tǒng)應(yīng)用研究。