超級電容器在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇徐州,221140）

超級電容器在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

詹新生,張江偉

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇徐州,221140）

對超級電容器串聯(lián)后電壓、容量、儲能大小情況進(jìn)行分析，介紹電容器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)均壓的幾種方法，用實(shí)際案例說明超級電容器在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

超級電容器；串聯(lián)；均壓；光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電在有陽光時才能發(fā)電，晚上或陰雨天不能發(fā)電或很少發(fā)電，因此，在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，需使用儲能裝置將太陽能組件發(fā)出電儲存起來，以便保證負(fù)載正常工作。最常用的儲能裝置有鉛酸蓄電池、超級電容器等。鉛酸蓄電池具有使用壽命短、對環(huán)境有污染、對環(huán)境溫度要求高、充電時間長等不足。而超級電容器不僅具有工作溫度范圍寬、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、儲能效率高和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，而且在功率密度和充放電速度方面也具有極強(qiáng)的優(yōu)勢，因此應(yīng)用越來越廣泛。

1 超級電容器的串聯(lián)

由于超級電容器的耐壓通常為3V以下，而在實(shí)際使用時工作電壓要求較高，常將電容器串聯(lián)起來提高電壓從而滿足系統(tǒng)工作需要。

設(shè)n個耐壓為U、容量為C的超級電容器串聯(lián)，則

總電壓為

即串聯(lián)后總電壓為每個單體電容器電壓的n倍。

串聯(lián)后的電容為

即串聯(lián)后的電容為每個單體電容容量的1/n。

串聯(lián)后的電容器儲存能量為

上式說明，雖然串聯(lián)后的電容容量為單體電容的1/n，但由于總電壓為單體電容器電壓的n倍，所以串聯(lián)后的儲存能量為單體電容器存儲容量的n倍。

2 超級電容器串聯(lián)的均壓技術(shù)

超級電容器在串聯(lián)使用時，由于單體電容器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不可能完全一致，導(dǎo)致在充放電過程中電容器上的電壓不完全一致，出現(xiàn)欠電壓和過電壓兩種不健康狀況。過電壓將縮短電容器的使用壽命，嚴(yán)重時會發(fā)生爆炸；處于欠壓狀態(tài)時，容量不能很好的利用，造成資源浪費(fèi)。所以，超級電容器串聯(lián)使用時需加入均壓技術(shù)，提高電容器組的可靠性和利用效率，延長使用壽命。根據(jù)均壓過程能量消耗與否，分能量消耗型和能量轉(zhuǎn)移型。

2.1 能量消耗型均壓

能量消耗型均壓是將電壓較高的單體電容器以熱的形式消耗在電阻上或穩(wěn)壓管上。

2.1.1 并聯(lián)電阻法

并聯(lián)電阻法電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，直接在電容器兩端并上適當(dāng)阻值的電阻，電壓較高的單體電容通過電阻以熱的形式散出熱量，使其電壓與其他單體電壓一致，缺點(diǎn)電阻耗能太大，很少使用。

圖1 并聯(lián)電阻法

圖3 穩(wěn)壓管法

圖4 DC/DC變換法

圖5 開關(guān)電容法

圖6 開關(guān)電感法

2.1.2 開關(guān)電阻法

開關(guān)電阻法電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)超級電容器兩端電壓達(dá)到給定的電壓時，比較器發(fā)生反轉(zhuǎn)，輸出高電壓，開關(guān)管導(dǎo)通，通過放電電阻進(jìn)行放電，從而使電容器的電壓不再上升，達(dá)到均壓目的。具有電壓均壓效果好，精度高等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在電阻發(fā)熱損耗等問題，因此主要使作小功率的系統(tǒng)中。

圖2 開關(guān)電阻法

2.1.3 穩(wěn)壓管法

穩(wěn)壓管法電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，穩(wěn)壓管與超級電容器并聯(lián)，電容器上的電壓超過穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值時（即擊穿電壓），充電電流則從穩(wěn)壓管通過，限制電容器電壓進(jìn)一步上升。該方法優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低；缺點(diǎn)是穩(wěn)壓管發(fā)熱嚴(yán)重，浪費(fèi)相對較大，還會因?yàn)榉€(wěn)壓管的穩(wěn)壓精度問題，導(dǎo)致均壓效果達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。

2.2 能量轉(zhuǎn)移型均壓

能量轉(zhuǎn)移型均壓是通過能量變換器將電壓較高的單體電容器的能量轉(zhuǎn)移到電壓相對低的電容器上，實(shí)現(xiàn)動態(tài)均壓。

2.2.1 DC/DC變換法

DC/DC變換法電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，每兩個超級電容器之間接上DC/DC 變換器，比較相鄰電容器之間的電壓的大小，將電壓高的電容器的能量通過DC/DC變換器轉(zhuǎn)移到電壓低的電容器中。

2.2.2 開關(guān)電容法

開關(guān)電容法如圖5所示，利用容量較小的普通電容器作為中間儲能單元，通過開關(guān)的往復(fù)切換，將電壓高的單體超級電容中的一部分能量向電壓相對比較低的超級電容器中轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)相鄰超級電容器之間的電壓均衡。

2.2.3 開關(guān)電感法

開關(guān)電感法電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，利用電感作為中間儲能單元，通過開關(guān)的往復(fù)切換，經(jīng)電感將電壓高的單體超級電容中的一部分能量向電壓相對比較低的超級電容器中轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)相鄰超級電容器之間的電壓均衡。

3 超級電容器在光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用案例

圖7為基于超級電容器儲能的太陽能草坪燈系統(tǒng)的原理框圖，主要由太陽能電池板、超級電容器組、DC/DC轉(zhuǎn)換模塊、定時控制電路、LED燈等組成。白天太陽光照射在太陽能電池板上，把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能存貯在超級電容器件中，晚上通過超級電容器放電為LED燈提供電源。

圖7 基于超級電容器儲能的太陽能草坪燈系統(tǒng)原理框圖

[1] 馮驍，張建成.超級電容器及其在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電力電容器與無功補(bǔ)償，2015，36（3）：49

[2] 胡國文，李超，林萍等.超級電容器電壓均衡技術(shù)研究綜述[J].電測與儀表，2014，51（22）：22

[3] 劉雪冰，程明，丁石川.超級電容器均壓技術(shù)綜述[J].電氣應(yīng)用，2012.31（5）：26，29

Research and application of the super capacitor in the standalone photovoltaic power generation system

Zhan Xinsheng,Zhan Jiangwei
（Xuzhou College of Industrial and Technology, Jiangsu Xuzhou 221140）

The voltage,capacity and storage capacity of the super capacitor series are analyzed,and several methods for realizing the average pressure in series are introduced. The application of the super capacitor in the stand-alone photovoltaic power generation system is illustrated with a practical case.

super capacitor;series connection;pressure;PV system

詹新生(1975-)，男，江蘇銅山人，徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，本科，副教授，研究方向，電子技術(shù)應(yīng)用、光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用

徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目光伏－綠色儲能系統(tǒng)（項(xiàng)目號：xgy201215）研究成果。