獨立光伏系統(tǒng)中超級電容器儲能研究

陳宇

（香港華藝設(shè)計顧問（深圳）有限公司,深圳518031）

電力儲能環(huán)節(jié)在獨立光伏系統(tǒng)中具有很重要的地位。目前,一般以鉛酸蓄電池作為獨立光伏系統(tǒng)的儲能器件,但蓄電池自身并不完善,環(huán)境污染、循環(huán)壽命短、維護(hù)量較大以及不適用于脈動負(fù)載等缺點,制約了獨立光伏系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展[1-3]。

作為新興電力儲能器件,超級電容器隨著納米碳材料和電極制作工藝的進(jìn)步,其性能不斷改善,尤其是能量密度有了較大提高,具有實現(xiàn)大容量電力儲能,替代蓄電池的發(fā)展?jié)摿4-6]。近幾年，超級電容器的基礎(chǔ)研究己經(jīng)非常成熟，包括電極活性物質(zhì)的制備、電極成型、電解液的研究等。液體電解質(zhì)雙電層電容器的研究成為主要方向，而在電極材料方面的研究方向主要包括活性炭、活性炭纖維、碳?xì)饽z、碳納米管等。

目前,國外以超級電容器單獨作為電力儲能裝置的研究已經(jīng)出現(xiàn)[7-10],但國內(nèi)還很少有系統(tǒng)性的研究和運行特性試驗。因此,開展以超級電容器為電力儲能系統(tǒng)的研究和特性試驗具有重要的意義。本文搭建了超級電容器作為儲能裝置的光伏系統(tǒng)，充分發(fā)揮了超級電容器的優(yōu)點,通過相應(yīng)的電力電子變換及控制技術(shù)對不足之處進(jìn)行彌補(bǔ),最后仿真驗證了光伏輸入不穩(wěn)定條件下，系統(tǒng)具有較好的性能。

1 光伏矩陣數(shù)學(xué)模型

單個光伏電池的輸出特性如下式所示

式中，U為電池端電壓；K為玻耳茲曼常數(shù)（1.38×1023J/K）；T為光伏電池的絕對溫度；q為電子電荷量（1.6×1019C）。由此可得單個光伏電池的電路模型（其等效電路由光生電流源及內(nèi)部并聯(lián)電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs組成）如圖1所示。

圖1 單個光伏電池的電路模型

對于光伏陣列，可以看作是若干單個光伏電池的串并聯(lián)，可以根據(jù)實際情況做一些假設(shè)后，光伏陣列的輸出將滿足如下方程組

式中,Ucell為單個光伏電池的輸出電壓；Icell為單個光伏電池的輸出電流；Pcell為單個光伏電池的輸出功率；Ns為光伏陣列中串聯(lián)電池個數(shù)；Np為光伏陣列中并聯(lián)電池個數(shù)；Uall為整個光伏陣列的輸出電壓；Iall為整個光伏陣列的輸出電流；Pall為整個光伏陣列的輸出功率。

則整個光伏陣列的電路模型將如圖2所示（假設(shè)有2個光伏電池串聯(lián)）：

圖2 光伏陣列的輸出電路模型

為了達(dá)到工程要求的精度,光伏陣列輸出電流的計算需要增加參數(shù)A,Rs,Rsh,從而有

由此得到光伏陣列的直流電路模型如圖3所示。

圖3 光伏陣列的等效直流電路模型

2 建立光伏陣列仿真模型

根據(jù)光伏陣列數(shù)學(xué)模型公式，在設(shè)置好參數(shù)后，利用PSIM軟件實現(xiàn)光伏模型[11-13]如圖4所示。

圖4 PSIM下實現(xiàn)的光伏陣列模型電路

其中，端口S、T、P和N是與外圍主電路相連接的端口，分別設(shè)置光照強(qiáng)度、溫度以及光伏陣列的輸出電壓端口。其中核心部分為光伏陣列中電壓與電流非線性關(guān)系的描述，在此電路中對電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過乘K和ax的運算，形成對應(yīng)的參考電流，再通過C/P控制和壓控流源產(chǎn)生相應(yīng)的電流，實現(xiàn)模型中的電壓與電流非線性關(guān)系。另外，在該電路模型中對溫度進(jìn)行了相應(yīng)的校正。

為了分析和分析方便，將光伏陣列電路模型作為子電路方式描述，如圖5所示。其中，器件的S端子為光伏陣列的光照強(qiáng)度輸入端子；T端子為光伏陣列溫度參數(shù)輸入端子；P端子為光伏陣列功率輸出正極；N為光伏陣列功率輸出負(fù)極。

圖5 光伏陣列模型封裝后為子電路后的模型

3 超級電容器的充電控制器設(shè)計

基于超級電容器儲能的獨立光伏系統(tǒng)，主要由光伏陣列、充電控制器、超級電容器組和負(fù)載等組成[14]。

光伏陣列作為系統(tǒng)的電源，具有較軟的外特性，容易受到日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、負(fù)載工況等因素的制約。因此，系統(tǒng)設(shè)計了充電控制器，對光伏陣列的輸出電能進(jìn)行控制，本系統(tǒng)的充電控制器采用Buck-Boost變換器，如圖6所示，該電路是在Buck變-換器后串聯(lián)一個Boost變換器，Buck-Boost變換器輸出電壓可以在很寬的范圍工作，可以得到高壓或低于輸入電壓的輸出電壓，即在要求輸出電壓一定的情況下，允許輸入電壓有較大的變化范圍[15-16]。

圖6 充電控制器Buck-Boost結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)開關(guān)T導(dǎo)通時，電流Is流入電感線圈L，電感電流iL上升并存儲能量。當(dāng)開關(guān)T斷開時，電感電流iL有減小趨勢，電感線圈產(chǎn)生反向電勢，為上負(fù)下正。二極管D1承受正向偏壓而導(dǎo)通，負(fù)載上有了輸出電壓U,電容C充電儲能，以備開關(guān)管T接通時向負(fù)載放電維持U基本不變。

4 建立光伏陣列仿真模型

利用上述構(gòu)建的光伏陣列模型和超級電容器充電控制器模型，搭建了以超級電容器作為儲能裝置的光伏發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)圖，如圖7所示，在一定的時間段內(nèi)采樣脈動負(fù)載的工作電流，計算其平均值，作為充電控制器電流輸出的參考值，并與實際的輸出電流比較，產(chǎn)生誤差信號，通過PI調(diào)節(jié)器，最終產(chǎn)生控制充電控制器中功率開關(guān)管的PWM信號。

圖7 超級電容器作為儲能裝置的系統(tǒng)控制模型

圖8 所示分別為穩(wěn)態(tài)時，光伏陣列通過充電控制器的輸出電流Ipv、超級電容器組的輸入電流Ic和負(fù)載的電流Ib。可見，當(dāng)光伏陣列的輸出電流波動很大時，超級電容器組及時調(diào)整自身的充放電電流，使負(fù)載的電流保持在較平滑的水平。

圖8 穩(wěn)態(tài)時光伏陣列輸入電流為I PV,超級電容器輸入電流為I c和負(fù)載電流I b

由此可知，在光伏系統(tǒng)中，盡管由于日照強(qiáng)度等環(huán)境因素突變等原因，會造成光伏陣列輸出電流（功率）的快速大幅度變化，但由于超級電容器良好的濾波效果，減弱了光伏陣列輸出功率的變化對負(fù)載的影響。

由實驗可以看出，采用超級電容器作為儲能裝置，應(yīng)用于獨立光伏系統(tǒng)中，提高了儲能裝置的功率輸出能力，并使系統(tǒng)能夠在比較穩(wěn)定的條件下工作。由于超級電容器和充電控制器的壽命很長，因而，在獨立光伏系統(tǒng)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過增加少量投資，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)性能的較大提高，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)實意義。

5 結(jié)語

本文以超級電容器作為儲能裝置,利用PSIM搭建了太陽能光伏電池和獨立光伏系統(tǒng)模型。對系統(tǒng)進(jìn)行了運行特性研究。通過仿真發(fā)現(xiàn)超級電容器對光伏陣列輸入功率的大幅波動具有很強(qiáng)的抑制能力。通過本系統(tǒng)的仿真和特性測試,說明超級電容器具有功率密度大、充放電效率高及循環(huán)壽命長等優(yōu)點,同時超級電容器的充電控制器設(shè)計方法靈活，可以根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。可以預(yù)見,在不遠(yuǎn)的將來,超級電容器作為電力儲能裝置,在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和電能質(zhì)量改善系統(tǒng)中,必定能發(fā)揮重要的作用。

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