超級電容在住宅戶用供電系統中的應用

劉怡然+樸金子+樸在林

摘要：在新型能源陽光工程的推動下，住宅戶用小型光伏發電系統興起，使電能的存儲及延遲使用成為關注熱點。分析超級電容在離網型住宅戶用供電系統中的應用優勢及穩定性，詳細探討其充、放電控制方法，為超級電容更加高速、有效的應用于住宅戶用小型光伏發電系統提供參考。

關鍵詞：超級電容；戶用型住宅供電系統；充放電控制；穩定性

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0044-03

在當今社會，干凈、高效的能源獲取變得極其重要，這使得太陽能和風力發電在能源領域異軍突起，成為新型能源的“新貴”。在戶用型住宅供電系統中，主要采用新型能源保證電力輸出，而新型能源具有不穩定性，必須找到自由存取電能的儲能方式。傳統的蓄電池易老化、價格高、二次污染嚴重，極易成為經濟情況一般住戶的經濟負擔。超級電容采用非化學儲能方式，具有強大的可操作性，可以很好地滿足當前小戶型住宅供電的需求。光伏能源是主要的能源提供方式，但需要進行具體的量化分析使其正常應用于各個負載。為此，對超級電容器的穩定性及充放電控制進行研究，使其可以更高效、安全、可靠的并入系統。

1 超級電容應用于系統的優勢

超級電容作為新型儲能方式，在戶用型系統中的優勢非常明顯，其主要表現為：超級電容器可在額定電壓范圍內被充電到任意電位，并可完全放出；超級電容的荷電狀態（SOC）可與電壓構成簡單函數；與體積相似的傳統電容器相比，超級電容器可存儲更多的能量；超級電容可反復傳輸能量脈沖，且無任何不良影響；超級電容器可反復循環使用幾十萬次，循環利用率極高。

超級電容具有三大功能：一是作為基本儲能裝置，在因陰雨、黑夜、室外陽光不足導致的供電短缺時為系統負載提供電能輸出；二是作為濾波器，對太陽能電池板向系統傳輸的不穩能量進行濾波，確保電能輸出穩定；三是與充、放電控制器進行配合，實現最大功率點跟蹤。

由于光伏發電系統極易受外界因素影響，所以系統設計了充、放電控制器，對光伏輸出系統進行細部控制。根據系統運行狀況，通過充電控制器發出的脈沖寬度調制信號對功率開關管進行調節，并回饋到控制系統，實現超級電容器組充放電的有效控制，其主要方式為最大功率點跟蹤、限流輸出與恒壓輸出。

由于太陽能系統的原因，超級電容器兩端的電壓不穩定，需要放電控制器對輸出電壓進行穩壓調節，調節后的交流電壓可直接使用或經DC/AC逆變，以保證持續向負載輸送220 V的穩頻電壓。

控制系統的主要作用是實現能量的分配與控制、檢測當前系統的狀態參數、當系統故障時發出警報。其中，能量管理主要實現充電控制器充電方式選擇，并觀測放電控制器和負載單位的數據，當外界供給與內部能量不足時及時并入外界電源，保證用戶正常供電。簡易離網型光伏發電系統的結構如圖1所示。

2 系統穩定性分析

由于超級電容在戶用型住宅供電系統中計算困難，因此采用等效模型進行計算。等效電路模型的運行方式與規劃設計更為直觀。充電控制器的主要結構為BUCK，由功率二極管F、功率開關管M和電感L構成。為使分析過程簡單化，將超級電容器組分別簡化為等效串聯內阻Rs和串聯結構理想電容器C，并用等效電阻R代替放電控制器和負載。等效電路如圖2所示。

設BUCK變換器處于電感電流連續狀態中，開關的占空比為D，以電感電流IL和理想電容器的電壓Uc作為狀態變量，利用狀態平均法得到狀態平均方程：

x=Ax+Bu

y=Cx （1）

式中，A=

-

-

-；B=

0，x=[ILUC]T，u=U，y=UO。

向基本型狀態平均方程添加擾動，瞬時值d=D+，iL=IL+L，uc=Uc+c，u=U+，得到擾動方程：

=A

+B+

0Tu

y=C

（2）

將擾動方程轉至S域，并用拉普拉斯變換，忽略高次分量，得到系統的控制—輸出傳遞函數（設Rs<

│（s）=0= （3）

由式（3）可知，放電控制器的內部架構對系統穩定性有著至關重要的影響。當電感L與負載R確定時，決定系統穩定性的是超級電容的電容量C和Rs，并且可知系統的開環傳遞函數是0型，為有差系統。為消除系統余差，在控制系統中設置PI調節器的積分時間常數，用以串聯校正。限流輸出與恒壓輸出方式參與系統校正，校正后的系統為1型，穩態性能得到提升，在能量輸入不穩定的環境下，可保障系統安全運行。

3 系統充放電控制

超級電容器具有能量密度大、循環和儲能效率高、使用次數多、經濟性較好等優點，因此設定一套與之相適應的控制系統尤為重要。對系統進行充放電控制，可以提高系統的穩定性，確保其運行更加靈活，提升使用效率，避免造成不必要的能源浪費。

3.1 充電控制

以太陽能電池板作為系統的電源。系統對光能源的依賴性非常大，但該能源不能直接用于負載，需要用Boost-Buck DC/DC換流器調節。為保證負載起到最大功率點跟蹤的作用，將換流器置于放電控制器中，使電壓穩定在負載需求的區間范圍內。通過使用換流器，超級電容器組具有CCCM恒流充電、CVCM恒壓充電、CPCM恒功充電3種充電模式。

在充電模式確定前，保證超級電容器組的溫度T低于其可承受的最高溫度Tmax。在充電初始期間，電容器組的端電壓很小，而電流強度非常大，高于給定電流Ir，此時系統采用CCCM控制模式；隨著時間推移，端電壓上升，高于給定電壓值Ur，電流值下降，系統切換到CPCM控制模式；隨著時間繼續推移，當電壓達到系統滿電壓Ufull時，系統切換至CVCM控制模式。這3種模式之間的切換，能使超級電容器組的充電時間大大縮短。離網型系統中超級電容器的充電控制流程見圖3。

3.2 放電控制

根據系統負載的需求，需要通過串、并聯來形成特定結構的超級電容器組。系統的瞬時功率往往不大，一般不會超出超級電容器的承受范圍，且功率能夠滿足電氣設備的要求，因此，儲能容量對超級電容器組至關重要。當單個超級電容器即時電壓低于其額定輸出電壓最低值Um時，則認為其已達到最大放電，放電深度為：

d=1-×100% （4）

式中，UM為單個電容器的輸出電壓最高值。

所需單個電容器數量N由負載使用的總電量W決定，即

N= （5）

式中：C為單體電容量；η為設備放電效率。

超級電容器組中單個電容器串聯數為Ns，并聯支路個數為Np。其中放電控制器的輸入電壓范圍決定Ns。放電控制器的輸入電壓應在超級電容器組的最高和最低工作電壓區內，以確保放電控制器正常工作，并且滿足負載用電需求。成型后的超級電容器組端電壓變化范圍為dNsUm～NsUm。

4 結論

利用超級電容作為儲能裝置的戶用型住宅供電系統，不論是在經濟性上，還是在分布式電源的研究上，都具有重要的參考價值。隨著科技的發展和新能源政策的逐步推進，戶用型住宅小型光伏供電模式必將大面積推廣，超級電容器組儲能方式的應用也將越來越廣泛。對超級電容器組的架構與穩定性進行深入分析，有利于其更加高速、有效的存儲電能。

摘要：在新型能源陽光工程的推動下，住宅戶用小型光伏發電系統興起，使電能的存儲及延遲使用成為關注熱點。分析超級電容在離網型住宅戶用供電系統中的應用優勢及穩定性，詳細探討其充、放電控制方法，為超級電容更加高速、有效的應用于住宅戶用小型光伏發電系統提供參考。

關鍵詞：超級電容；戶用型住宅供電系統；充放電控制；穩定性

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0044-03

在當今社會，干凈、高效的能源獲取變得極其重要，這使得太陽能和風力發電在能源領域異軍突起，成為新型能源的“新貴”。在戶用型住宅供電系統中，主要采用新型能源保證電力輸出，而新型能源具有不穩定性，必須找到自由存取電能的儲能方式。傳統的蓄電池易老化、價格高、二次污染嚴重，極易成為經濟情況一般住戶的經濟負擔。超級電容采用非化學儲能方式，具有強大的可操作性，可以很好地滿足當前小戶型住宅供電的需求。光伏能源是主要的能源提供方式，但需要進行具體的量化分析使其正常應用于各個負載。為此，對超級電容器的穩定性及充放電控制進行研究，使其可以更高效、安全、可靠的并入系統。

1 超級電容應用于系統的優勢

超級電容作為新型儲能方式，在戶用型系統中的優勢非常明顯，其主要表現為：超級電容器可在額定電壓范圍內被充電到任意電位，并可完全放出；超級電容的荷電狀態（SOC）可與電壓構成簡單函數；與體積相似的傳統電容器相比，超級電容器可存儲更多的能量；超級電容可反復傳輸能量脈沖，且無任何不良影響；超級電容器可反復循環使用幾十萬次，循環利用率極高。

超級電容具有三大功能：一是作為基本儲能裝置，在因陰雨、黑夜、室外陽光不足導致的供電短缺時為系統負載提供電能輸出；二是作為濾波器，對太陽能電池板向系統傳輸的不穩能量進行濾波，確保電能輸出穩定；三是與充、放電控制器進行配合，實現最大功率點跟蹤。

由于光伏發電系統極易受外界因素影響，所以系統設計了充、放電控制器，對光伏輸出系統進行細部控制。根據系統運行狀況，通過充電控制器發出的脈沖寬度調制信號對功率開關管進行調節，并回饋到控制系統，實現超級電容器組充放電的有效控制，其主要方式為最大功率點跟蹤、限流輸出與恒壓輸出。

由于太陽能系統的原因，超級電容器兩端的電壓不穩定，需要放電控制器對輸出電壓進行穩壓調節，調節后的交流電壓可直接使用或經DC/AC逆變，以保證持續向負載輸送220 V的穩頻電壓。

控制系統的主要作用是實現能量的分配與控制、檢測當前系統的狀態參數、當系統故障時發出警報。其中，能量管理主要實現充電控制器充電方式選擇，并觀測放電控制器和負載單位的數據，當外界供給與內部能量不足時及時并入外界電源，保證用戶正常供電。簡易離網型光伏發電系統的結構如圖1所示。

2 系統穩定性分析

由于超級電容在戶用型住宅供電系統中計算困難，因此采用等效模型進行計算。等效電路模型的運行方式與規劃設計更為直觀。充電控制器的主要結構為BUCK，由功率二極管F、功率開關管M和電感L構成。為使分析過程簡單化，將超級電容器組分別簡化為等效串聯內阻Rs和串聯結構理想電容器C，并用等效電阻R代替放電控制器和負載。等效電路如圖2所示。

設BUCK變換器處于電感電流連續狀態中，開關的占空比為D，以電感電流IL和理想電容器的電壓Uc作為狀態變量，利用狀態平均法得到狀態平均方程：

x=Ax+Bu

y=Cx （1）

式中，A=

-

-

-；B=

0，x=[ILUC]T，u=U，y=UO。

向基本型狀態平均方程添加擾動，瞬時值d=D+，iL=IL+L，uc=Uc+c，u=U+，得到擾動方程：

=A

+B+

0Tu

y=C

（2）

將擾動方程轉至S域，并用拉普拉斯變換，忽略高次分量，得到系統的控制—輸出傳遞函數（設Rs<

│（s）=0= （3）

由式（3）可知，放電控制器的內部架構對系統穩定性有著至關重要的影響。當電感L與負載R確定時，決定系統穩定性的是超級電容的電容量C和Rs，并且可知系統的開環傳遞函數是0型，為有差系統。為消除系統余差，在控制系統中設置PI調節器的積分時間常數，用以串聯校正。限流輸出與恒壓輸出方式參與系統校正，校正后的系統為1型，穩態性能得到提升，在能量輸入不穩定的環境下，可保障系統安全運行。

3 系統充放電控制

超級電容器具有能量密度大、循環和儲能效率高、使用次數多、經濟性較好等優點，因此設定一套與之相適應的控制系統尤為重要。對系統進行充放電控制，可以提高系統的穩定性，確保其運行更加靈活，提升使用效率，避免造成不必要的能源浪費。

3.1 充電控制

以太陽能電池板作為系統的電源。系統對光能源的依賴性非常大，但該能源不能直接用于負載，需要用Boost-Buck DC/DC換流器調節。為保證負載起到最大功率點跟蹤的作用，將換流器置于放電控制器中，使電壓穩定在負載需求的區間范圍內。通過使用換流器，超級電容器組具有CCCM恒流充電、CVCM恒壓充電、CPCM恒功充電3種充電模式。

在充電模式確定前，保證超級電容器組的溫度T低于其可承受的最高溫度Tmax。在充電初始期間，電容器組的端電壓很小，而電流強度非常大，高于給定電流Ir，此時系統采用CCCM控制模式；隨著時間推移，端電壓上升，高于給定電壓值Ur，電流值下降，系統切換到CPCM控制模式；隨著時間繼續推移，當電壓達到系統滿電壓Ufull時，系統切換至CVCM控制模式。這3種模式之間的切換，能使超級電容器組的充電時間大大縮短。離網型系統中超級電容器的充電控制流程見圖3。

3.2 放電控制

根據系統負載的需求，需要通過串、并聯來形成特定結構的超級電容器組。系統的瞬時功率往往不大，一般不會超出超級電容器的承受范圍，且功率能夠滿足電氣設備的要求，因此，儲能容量對超級電容器組至關重要。當單個超級電容器即時電壓低于其額定輸出電壓最低值Um時，則認為其已達到最大放電，放電深度為：

d=1-×100% （4）

式中，UM為單個電容器的輸出電壓最高值。

所需單個電容器數量N由負載使用的總電量W決定，即

N= （5）

式中：C為單體電容量；η為設備放電效率。

超級電容器組中單個電容器串聯數為Ns，并聯支路個數為Np。其中放電控制器的輸入電壓范圍決定Ns。放電控制器的輸入電壓應在超級電容器組的最高和最低工作電壓區內，以確保放電控制器正常工作，并且滿足負載用電需求。成型后的超級電容器組端電壓變化范圍為dNsUm～NsUm。

4 結論

利用超級電容作為儲能裝置的戶用型住宅供電系統，不論是在經濟性上，還是在分布式電源的研究上，都具有重要的參考價值。隨著科技的發展和新能源政策的逐步推進，戶用型住宅小型光伏供電模式必將大面積推廣，超級電容器組儲能方式的應用也將越來越廣泛。對超級電容器組的架構與穩定性進行深入分析，有利于其更加高速、有效的存儲電能。

摘要：在新型能源陽光工程的推動下，住宅戶用小型光伏發電系統興起，使電能的存儲及延遲使用成為關注熱點。分析超級電容在離網型住宅戶用供電系統中的應用優勢及穩定性，詳細探討其充、放電控制方法，為超級電容更加高速、有效的應用于住宅戶用小型光伏發電系統提供參考。

關鍵詞：超級電容；戶用型住宅供電系統；充放電控制；穩定性

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0044-03

在當今社會，干凈、高效的能源獲取變得極其重要，這使得太陽能和風力發電在能源領域異軍突起，成為新型能源的“新貴”。在戶用型住宅供電系統中，主要采用新型能源保證電力輸出，而新型能源具有不穩定性，必須找到自由存取電能的儲能方式。傳統的蓄電池易老化、價格高、二次污染嚴重，極易成為經濟情況一般住戶的經濟負擔。超級電容采用非化學儲能方式，具有強大的可操作性，可以很好地滿足當前小戶型住宅供電的需求。光伏能源是主要的能源提供方式，但需要進行具體的量化分析使其正常應用于各個負載。為此，對超級電容器的穩定性及充放電控制進行研究，使其可以更高效、安全、可靠的并入系統。

1 超級電容應用于系統的優勢

超級電容作為新型儲能方式，在戶用型系統中的優勢非常明顯，其主要表現為：超級電容器可在額定電壓范圍內被充電到任意電位，并可完全放出；超級電容的荷電狀態（SOC）可與電壓構成簡單函數；與體積相似的傳統電容器相比，超級電容器可存儲更多的能量；超級電容可反復傳輸能量脈沖，且無任何不良影響；超級電容器可反復循環使用幾十萬次，循環利用率極高。

超級電容具有三大功能：一是作為基本儲能裝置，在因陰雨、黑夜、室外陽光不足導致的供電短缺時為系統負載提供電能輸出；二是作為濾波器，對太陽能電池板向系統傳輸的不穩能量進行濾波，確保電能輸出穩定；三是與充、放電控制器進行配合，實現最大功率點跟蹤。

由于光伏發電系統極易受外界因素影響，所以系統設計了充、放電控制器，對光伏輸出系統進行細部控制。根據系統運行狀況，通過充電控制器發出的脈沖寬度調制信號對功率開關管進行調節，并回饋到控制系統，實現超級電容器組充放電的有效控制，其主要方式為最大功率點跟蹤、限流輸出與恒壓輸出。

由于太陽能系統的原因，超級電容器兩端的電壓不穩定，需要放電控制器對輸出電壓進行穩壓調節，調節后的交流電壓可直接使用或經DC/AC逆變，以保證持續向負載輸送220 V的穩頻電壓。

控制系統的主要作用是實現能量的分配與控制、檢測當前系統的狀態參數、當系統故障時發出警報。其中，能量管理主要實現充電控制器充電方式選擇，并觀測放電控制器和負載單位的數據，當外界供給與內部能量不足時及時并入外界電源，保證用戶正常供電。簡易離網型光伏發電系統的結構如圖1所示。

2 系統穩定性分析

由于超級電容在戶用型住宅供電系統中計算困難，因此采用等效模型進行計算。等效電路模型的運行方式與規劃設計更為直觀。充電控制器的主要結構為BUCK，由功率二極管F、功率開關管M和電感L構成。為使分析過程簡單化，將超級電容器組分別簡化為等效串聯內阻Rs和串聯結構理想電容器C，并用等效電阻R代替放電控制器和負載。等效電路如圖2所示。

設BUCK變換器處于電感電流連續狀態中，開關的占空比為D，以電感電流IL和理想電容器的電壓Uc作為狀態變量，利用狀態平均法得到狀態平均方程：

x=Ax+Bu

y=Cx （1）

式中，A=

-

-

-；B=

0，x=[ILUC]T，u=U，y=UO。

向基本型狀態平均方程添加擾動，瞬時值d=D+，iL=IL+L，uc=Uc+c，u=U+，得到擾動方程：

=A

+B+

0Tu

y=C

（2）

將擾動方程轉至S域，并用拉普拉斯變換，忽略高次分量，得到系統的控制—輸出傳遞函數（設Rs<

│（s）=0= （3）

由式（3）可知，放電控制器的內部架構對系統穩定性有著至關重要的影響。當電感L與負載R確定時，決定系統穩定性的是超級電容的電容量C和Rs，并且可知系統的開環傳遞函數是0型，為有差系統。為消除系統余差，在控制系統中設置PI調節器的積分時間常數，用以串聯校正。限流輸出與恒壓輸出方式參與系統校正，校正后的系統為1型，穩態性能得到提升，在能量輸入不穩定的環境下，可保障系統安全運行。

3 系統充放電控制

超級電容器具有能量密度大、循環和儲能效率高、使用次數多、經濟性較好等優點，因此設定一套與之相適應的控制系統尤為重要。對系統進行充放電控制，可以提高系統的穩定性，確保其運行更加靈活，提升使用效率，避免造成不必要的能源浪費。

3.1 充電控制

以太陽能電池板作為系統的電源。系統對光能源的依賴性非常大，但該能源不能直接用于負載，需要用Boost-Buck DC/DC換流器調節。為保證負載起到最大功率點跟蹤的作用，將換流器置于放電控制器中，使電壓穩定在負載需求的區間范圍內。通過使用換流器，超級電容器組具有CCCM恒流充電、CVCM恒壓充電、CPCM恒功充電3種充電模式。

在充電模式確定前，保證超級電容器組的溫度T低于其可承受的最高溫度Tmax。在充電初始期間，電容器組的端電壓很小，而電流強度非常大，高于給定電流Ir，此時系統采用CCCM控制模式；隨著時間推移，端電壓上升，高于給定電壓值Ur，電流值下降，系統切換到CPCM控制模式；隨著時間繼續推移，當電壓達到系統滿電壓Ufull時，系統切換至CVCM控制模式。這3種模式之間的切換，能使超級電容器組的充電時間大大縮短。離網型系統中超級電容器的充電控制流程見圖3。

3.2 放電控制

根據系統負載的需求，需要通過串、并聯來形成特定結構的超級電容器組。系統的瞬時功率往往不大，一般不會超出超級電容器的承受范圍，且功率能夠滿足電氣設備的要求，因此，儲能容量對超級電容器組至關重要。當單個超級電容器即時電壓低于其額定輸出電壓最低值Um時，則認為其已達到最大放電，放電深度為：

d=1-×100% （4）

式中，UM為單個電容器的輸出電壓最高值。

所需單個電容器數量N由負載使用的總電量W決定，即

N= （5）

式中：C為單體電容量；η為設備放電效率。

超級電容器組中單個電容器串聯數為Ns，并聯支路個數為Np。其中放電控制器的輸入電壓范圍決定Ns。放電控制器的輸入電壓應在超級電容器組的最高和最低工作電壓區內，以確保放電控制器正常工作，并且滿足負載用電需求。成型后的超級電容器組端電壓變化范圍為dNsUm～NsUm。

4 結論

利用超級電容作為儲能裝置的戶用型住宅供電系統，不論是在經濟性上，還是在分布式電源的研究上，都具有重要的參考價值。隨著科技的發展和新能源政策的逐步推進，戶用型住宅小型光伏供電模式必將大面積推廣，超級電容器組儲能方式的應用也將越來越廣泛。對超級電容器組的架構與穩定性進行深入分析，有利于其更加高速、有效的存儲電能。