獨立光伏系統的超級電容和蓄電池混合儲能系統研究

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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化有限公司，南京211111）

獨立光伏系統的超級電容和蓄電池混合儲能系統研究

溫鎮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化有限公司，南京211111）

對于獨立光伏發電系統，通常需要儲能系統來保證供電的穩定性和持續性。為了吸收光伏電池發出的脈動功率，從而抑制直流母線的電壓波動，并滿足向負載提供短時大功率的需求，提出了采用超級電容器和蓄電池混合儲能方案，并進行了充放電仿真分析，驗證了超級電容的蓄電池充放電特點，提出了充放電控制策略。

獨立光伏系統；超級電容；蓄電池；混合儲能

獨立光伏系統中，由于光伏電池輸出的隨機波動，即光伏電池并不是時刻運行在最大輸出功率狀態，且輸出最大功率會隨著光照和環境溫度的變化而變化，所以在獨立光伏系統中增加儲能系統是必不可少的[1-4]。

由于各種儲能電池都有優缺點，如果使用單一的儲能電池，則不能最大化利用光伏系統產生的富裕能量，而同時使用多種儲能電池，則可充分發揮各種儲能電池的優點，從而使光伏系統產生的富裕能量得到高效利用。因此，光伏系統中的混合儲能已逐漸受到重視。近幾年，國內外一些高校和科研院所對該技術做了初步的研究[5-8]。

以下對使用超級電容器和蓄電池相結合的混合儲能系統進行研究，內容主要包括系統架構，儲能模型的建立、分析及仿真。

1 混合儲能基本結構

1.1 混合儲能系統

獨立光伏系統中混合儲能基本結構如圖1所示，由光伏電池經充電電路至超級電容，同時，經并聯控制器向蓄電池或負載供電。

在獨立光伏系統混合儲能中，并聯控制器在超級電容和蓄電池之間起關鍵協調作用，根據并聯控制器的不同，控制器可分為無源式和有源式[9]。在無源式儲能結構中，超級電容器通過二極管向蓄電池或負載供電，結構簡單，但不具有可控性。在有源式儲能結構中，超級電容器通過DC/DC（直流）變換器實現對蓄電池的能量傳輸。

1.2 獨立光伏系統

如圖2中的圖（a）所示，并網光伏發電系統將發出的電能匯入大電網中。圖（b）則是獨立光伏發電系統的結構圖，太陽能電池輸出的直流電通過蓄電池供給直流負載，或者增加逆變器后向交流負載供電，但不與交流大電網連接，獨立光伏發電系統的應用對于光照富裕且邊遠偏僻的地區有著重要的意義。

1.3 蓄電池

對蓄電池的建模分析是對整個混合儲能系統分析的基礎?？紤]所需的蓄電池用于獨立光伏儲能系統，需能較好地分析儲能系統在充電和放電之間切換的過渡過程，且達到一定的精度，因此，選取Shepherd等效電池模型為蓄電池的模型。

迄今為止，用于描述光伏系統或風力發電系統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）可由下式計算得到：

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電壓的快速跌落；Es為蓄電池開始放電時的電壓；C（1-SOC）為考慮空載電壓隨放電程度變化（電解液濃度變化）所引進的修正項；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 超級電容

超級電容器是基于雙電層原理的大容量電容器，當外加電壓作用于兩個極板時，存儲的電荷是正電極與正電荷對應、負電極與負電荷對應。而超級電容器除了此之外，若受到電場作用則會在電解液、電極之間產生相反的電荷，此時正電荷、負電荷分別處于不同的接觸面，這種條件下的負荷分布則屬于雙電層，原理如圖4所示。

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

2 混合儲能系統結構

獨立光伏系統中的混合儲能系統主要包括蓄電池、超級電容器和DC/DC變換控制器，同時為了充分發揮超級電容器功率密度大和蓄電池能量密度大的特點，以及增加混合儲能的控制靈活性，采用超級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構，其系統結構框圖如圖6所示。

圖6中，由于超級電容器功率密度大，循環壽命長，而蓄電池循環壽命較短，不宜經常進行充放電，所以二者不便采用并聯結構，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。

由于混合儲能系統需在直流母線電能過剩時存儲電能，在負載所需電能不足時釋放電能，因此，在通常情況下需要頻繁進行充放電的切換。而蓄電池由于循環壽命小，不宜頻繁進行充放電切換。由于超級電容器功率密度大，補充電能功率的缺失也較快，所以頻繁切換使用超級電容器。而需混合儲能系統長時間放電時，則由蓄電池進行放電。

另外，考慮光伏電源（包括光伏電池及其變換控制器）可能在突然出現遮光等情況時，導致輸出的電壓出現跌落或上升，此時光伏電源需脫離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時不用通過開關器件的關斷來實現脫離母線的功能。此時，混合儲能系統可以通過檢測光伏電源輸出電壓的跌落，由超級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，光伏電源會對直流母線產生沖擊，此時，混合儲能系統也可通過檢測光伏電源輸出電壓的上升，對超級電容器或蓄電池充電。

3 混合儲能系統的充電研究與仿真分析

在對混合儲能系統充電過程中，可能出現超級電容器或蓄電池單獨充電，以及二者聯合充電3種情況。由于二者的充放電是相互獨立，所以，只研究超級電容器或蓄電池單獨充電控制策略，并對充電性能進行仿真分析。

3.1 超級電容器充電控制策略與仿真分析

超級電容器模型為改進串聯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，對超級電容器單獨充電時，較宜采用恒功率充電。但是當超級電容器起始電壓為零時，若采用恒功率充電，則起始電流非常大，此時若采用恒壓啟動，效率又較低，所以在超級電容器起始電壓為零時采用恒流啟動較為合適。同時，由于在電壓為零對其恒流充電時，變換器并不能在電壓很小時保持電流連續，在零時刻起始充電時剛開始的電流并不連續，并且此時的電流類似于脈沖電流，會對超級電容器產生一定的沖擊，為限制電壓電流在零時刻對超級電容器的沖擊，宜串聯一個較小的電阻。對于串聯電阻的阻值選擇，可以根據超級電容器所能承受的最大電流和系統所需的充電效率與時間要求來確定。

當采用恒功率充電方式對超級電容器充電到接近額定電壓（在本系統中額定電壓為24 V）時，超級電容器基本達到充滿狀態。倘若繼續采用恒功率充電，則宜造成電壓電流的波動，轉換到恒壓充電方式較佳。在超級電容器達到額定電壓時，采用恒壓充電方式可以較好地補充超級電容其等效并聯電阻消耗的電能。

針對以上超級電容器充電策略進行仿真，并分析其可行性。另外，由于超級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，需滿足超級電容器本身性能（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此進行對比分析。

利用構建的超級電容器充電仿真模型，Ⅰ型充電控制策略為起始串聯電阻恒流啟動充電，然后切除電阻繼續恒流充電，再轉換為恒功率充電，最后采用恒壓充電的控制策略，對超級電容器的充電過程進行仿真。在仿真之前，需設定超級電容器參數。為了減小仿真的時間，取超級電容器改進RC模型中的等效電容值為1F，串聯電阻Rs=25 mΩ，并聯電阻Rp=20 kΩ。同時，設定啟動串聯電阻Rstart=1 Ω。首先5 A恒流充電，然后在超級電容器電壓為5 V時切除啟動電阻后繼續恒流充電，當電壓為10 V時轉為100 W恒功率充電，最后當超級電容器電壓達到24 V時轉為恒壓充電。根據設定的參數進行仿真，得到圖7所示的仿真波形。

根據圖7的仿真波形可以看出，變換器在第1 s內對加有串聯電阻的超級電容器恒流充電，在第1 s時超級電容器電壓達到切除串聯電阻設定的5 V，因此切除串聯電阻并繼續進行恒流充電，此時變換器輸出的電壓等于超級電容器的電壓。由變換器輸出電流波形可以看出，在電阻切除時輸出的電流出現了較大的沖擊。在第2 s時檢測到超級電容器的電壓達到了10 V，因此該時刻切換為恒功率充電，此時變換器輸出的電流并沒有出現較大的沖擊，過渡過程較為平穩。在恒功率控制期間，由于變換器輸出的電壓不斷上升，輸出電流出現了一定的波動。在恒功率轉換為恒壓控制時，變換器的輸出電流也出現了一定程度的沖擊。

Ⅱ型超級電容器充電策略為串電阻恒流啟動充電；在電壓達到一定值時，切除串聯電阻轉為恒功率充電；最后，在超級電容器電壓接近額定值時轉換為恒壓充電方式。對于Ⅱ型充電策略設定在超級電容器電壓為6 V時，切除串聯電阻直接轉換為100 W恒功率充電方式，其他充電過程閾值參數與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。

根據圖8的仿真波形可以看出，其充電過程的波形與Ⅰ型超級電容器充電波形相似。但由于在切除電阻后直接轉換為恒功率充電，其電流沖擊較大。同時，根據Ⅰ型和Ⅱ型充電時間的對比，可以Ⅰ型充電時間需要4.5 s才達到額定電壓24 V，而Ⅱ型充電時間則需要4 s，因此，Ⅱ型超級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

目前對于蓄電池的充電控制策略已經非常成熟，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到額定電壓時，改用恒壓充電方式向蓄電池充電，在充電末期，蓄電池容量達到系統額定容量后，采用微小電流對蓄電池進行涓流充電，以補充蓄電池的自放電。

蓄電池SOC和電壓可分別根據式（1）和（2）計算得出，在對蓄電池充電控制策略進行仿真時，為了減小仿真時間，并能夠觀測到由恒流至恒壓充電模式的切換，設定蓄電池的容量為0.01 Ah，額定電壓為24 V，仿真時設定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%，設定蓄電池在小于20 V時采用5 A恒流充電方式，當超過20 V時采用24 V恒壓充電方式。經仿真得到蓄電池充電時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，但當蓄電池的電量達到一定程度時，蓄電池的電壓會類似于指數曲線增長。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時間，而之前蓄電池電壓基本沒有發生變化。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，電流突然出現了躍升，但隨后又呈指數曲線下降，直至電流最后接近于0。但在實際充電過程中，蓄電池有恒流至恒壓變換時電流不宜出現躍升，這樣容易對蓄電池造成沖擊，在切換時電流應不大于恒流充電時的電流值。

4 混合儲能系統的放電研究與仿真分析

在混合儲能系統向直流母線補償電能時，可能出現超級電容器或蓄電池單獨放電，以及二者聯合放電3種情況。同時由于二者放電是相互獨立的，所以，本課題主要研究這3種情況下的放電性能，并進行仿真分析。

4.1 超級電容器放電控制與仿真分析

混合儲能系統的超級電容器向48 V直流母線補償電能時，超級電容功率密度比較大的特點將得到充分發揮，可以向直流母線釋放較大的電流。但由于超級電容器能量密度比較小，所以在放電過程中超級電容器電壓變化比較快，由此對放電控制器的性能要求較高。適當調整參數后對超級電容器單獨放電進行仿真，并使負載由9 Ω躍變至10 Ω，得到如圖10所示的負載擾動情況下的電壓仿真波形。

由圖10可以看出，超級電容器在單獨放電、負載產生擾動的情況下，系統輸出恢復得較慢，且在恒壓放電響應時，出現了一定的超調量，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，因此應在混合儲能系統直流母線側增加濾波電容，使其超調量減小。

4.2 蓄電池放電控制與仿真分析

當直流母線須長時間補充電能時，混合儲能系統的蓄電池應向48 V直流母線補償電能。此時，蓄電池能量密度大的特點將得到充分發揮。由于是向48 V直流母線放電，所以變換器只需要實現48 V恒壓輸出即可。使負載由9 Ω躍變至10 Ω，經仿真得到如圖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，啟動響應的過程中基本沒有超調量。但與超級電容器放電曲線相比，在負載變換相同的條件下，電壓跌落較大，由此也可以看出超級電容器能夠較好的抑制電壓跌落，具有較大的功率密度。

5 結論

對光伏系統混合儲能技術進行了研究，提出了一種混合儲能的方案，并對其充放電控制策略做了分析，再運用Matlab中的Simulink模塊分別對超級電容先恒流、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對負載放電的過程進行了仿真，得出了相應的規律，在后續的工作中，將做出樣機來驗證所得仿真結果的正確性。

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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（1985-），男，江蘇常熟人，碩士，助理工程師，主要從事輸電線路運行檢修及光伏系統應用研究。