基于超級電容混合儲能的分布式光伏發電技術探究

摘" 要：世界人口的持續增加、工業化發展進程的加快以及社會大眾生活水平的提高使得全球能源需求呈現出快速增長的趨勢，再加上社會群眾環境保護意識的持續增強，新型能源利用技術的研究逐漸受到更多關注。而光伏發電作為新能源利用的新型方式之一，其系統受到光照、天氣等條件的影響，導致輸出功率與穩定性存在大幅波動，這種不穩定性不僅影響了光伏發電系統的供電效率，也對整個能源供應網絡的穩定性帶來了挑戰。在此基礎上，[ 2]"從超級電容混合儲能的視角出發，對分布式光伏發電技術以及其系統進行分析。先介紹了超級電容混合儲能的工作原理和特性，然后從輸出特性和管理策略兩方面對分布式光伏發電技術的能量管理做出詳細論述，最后對分布式光伏發電系統進行詳細設計與運行說明。旨在推動能源行業的持續健康發展。[A3]

關鍵詞：超級電容 "混合儲能 "分布式光伏發電 "能源管理

中圖分類號：TM61

Exploration of Distributed Photovoltaic Power Generation Technology Based on Supercapacitor "Hybrid Energy Storage

CAI Lulu

Guoneng Zhejiang Beilun First Power Generation Co.， Ltd.， Ningbo， Zhejiang Province， 315000 China

Abstract： The continuous increase of the world population， the acceleration of the industrial development and the improvement of the living standard of the general public have led to a rapid growth trend in global energy demand. In addition， with the continuous enhancement of the public awareness of environmental protection， the research on new energy utilization technology has gradually attracted more attention. As one of the new ways of using new energy， photovoltaic power generation is affected by light， weather and other conditions， resulting in large fluctuations in output power and stability. This instability not only affects the power supply efficiency of the photovoltaic power generation system， but also poses challenges to the stability of the entire energy supply network. On this basis， from the perspective of supercapacitor hybrid energy storage， the distributed photovoltaic power generation technology and its system are analyzed. Firstly， the working principle and characteristics of supercapacitor hybrid energy storage are introduced， and then the energy management of distributed photovoltaic power generation technology is discussed in detail from the perspectives of output characteristics and management strategy， and finally， the distributed photovoltaic power generation system was designed and operated in detail. It aims to promote the sustainable and healthy development of the energy industry.

Key Words： Supercapacitor; Hybrid energy storage; Distributed photovoltaic power generation; Energy management

作為一種具有良好發展前景的可再生能源利用方式，分布式光伏發電技術與當今社會對各類清潔能源和環境保護的需求有著較高契合度。但目前該技術在應用過程中仍存在明顯的間歇性和波動性，不穩定程度的加劇給系統運行帶來了極大挑戰。因此，如何利用超級電容混合儲能的方式實現電力能源的高效存儲和釋放，成為了十分關鍵的研究問題。

1" 超級電容混合儲能

與傳統儲能方式不同，基于電化學雙層原理的超級電容混合儲能，具有充放電迅速、功率密度高、循環壽命長等優勢。雙電層是在其電極與電解質溶液相接觸時而形成的，這種電荷分布情況能夠滿足對光伏發電功率波動等相關問題的解決。

另外，超級電容混合儲能系統能夠根據所使用超級電容和電池的特性，針對光伏發電過程中可能出現的不同現象，如由于輸出功率不穩定而導致的電能質量下降、某一種儲能設備出現性能問題等時，利用其自身儲能冗余性和靈活性對充放電過程進行優化，同時保證其他儲能設備在一段時間內的持續穩定運行。

2" 分布式光伏發電技術的能量管理[4]"策略

2.1" 光伏發電輸出特性

如果分布式光伏發電技術在其工作期間內所處環境光照強度強且伴隨明顯上升趨勢，則基于超級電容混合儲能的光伏發電系統的輸出功率也會隨之增大，若其工作期間內所處環境溫度較高，則可能會在一定程度上影響光伏電池轉換的效率，從而導致發電輸出功率有所降低。另外，以云層遮擋為主要影響因素的天氣變化情況也會導致當前光照強度的不穩定加劇。

2.2" 能量管理策略

2.2.1" 功率分配算法

功率分配算法是一種基于光伏發電輸出功率、系統負載需求以及超級電容混合儲能大小的能量管理手段。具體來說，若當前系統負載需求指數小于光伏發電輸出功率，則系統應按照先超級電容、后其他電池的順序，將電能進行存儲；反之亦然。另外，為保證分布式光伏發電系統能夠以更加靈活的狀態面對各種復雜狀況并及時做出有效應對，還可以使用基于模糊邏輯算法的分配功率方式，及時對超級電容和其他電池的充放電運行功率進行調節^[1]。

2.2.2" 工況切換

工況切換是根據分布式光伏發電系統所處不同工況條件而對其運行方式進行調節的一種手段。在光照充足的白天，主要由光伏發電為主導儲能設備的實際充電管理需根據光伏發電效果來進行；而在多云陰天或夜間等光照不足的工況下，主要由超級電容混合儲能設備為主導實現對負載的穩定供電，并同時根據當前光伏發電輸電功率的穩定程度、實際負載需求混合儲能狀態等因素，對現有放電策略進行調節。

2.2.3" 平滑功率波動

若分布式光伏發電系統在實際運行過程中所產生的功率波動情況較為劇烈或已經超出安全預設值，則需要利用系統內置控制器系統對超級電容進行精準充放電操作，并基于預測控制的方法將系統所處工況環境因素納入預測指標內，由此展開對超級電容充放電狀態的前瞻性調整。

3" 分布式光伏發電系統[5]"的具體設計

3.1" 總體架構設計

基于超級電容混合儲能的分布式光伏發電系統主要有儲能裝置、光伏陣列、功率轉換器、內置控制器等裝置構成，具體如圖1[ 6]"所示。

其中：搭載了超級電容功能的儲能裝置能夠對系統電能進行緩沖和調節；光伏陣列為系統提供電力能源，將太陽能轉化為高效電能；功率轉換器通過對電能在不同電壓等級和形式之間的轉換，為系統各部分的運行進行能源傳輸；內置控制器則是對發電系統進行運行協調的關鍵。

在設計過程中需要充分考慮分布式光伏發電系統內部各結構匹配性與兼容性、超級電容和電池的實際容量。例如：在功率轉換器的選擇上，目前通常采用具有完整拓撲結構，并且用于直流電壓升降轉換的Buck-Boost轉換器；而將直流電轉換為交流電并以此滿足負載交流或并網需求則需采用DC-AC 逆變器來實現^[2]。

3.2" 主電路

針對PV輸出電壓范圍寬的特性，可以采用Boost變換電路對光伏發電系統的輸出電能進行升壓處理。由于Boost變換電路在實際運行過程中，電感儲存能量與其在相應周期內所存儲與釋放的電能相等，因此可以實現PV和電感同時經由電容向負載的有效供電。

另外，電感的取值要根據開關頻率、輸入輸出電壓范圍以及最大電流等參數進行精確計算，針對Buck-Boost變換器的拓撲結構，可以在盡可能降低電感電流紋波和開關損耗的同時，滿足電流連續模式（ContinuousConduction Mode，CCM）或斷續模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）的要求。

超級混合儲能電池電路主要由蓄電池、雙向DC-DC變換電路組成，雙向DC-DC線能夠有效連接蓄電池與另一側的直流母線，由此實現對儲能裝置的充放電控制，如下圖所示。

若系統運行過程中并網功率指數小于光伏側電能輸出值時，則需要通過雙向DC-DC線向直流母線側輸送一定量電能；反之，若系統運行過程中出現并網功率指數上升并超過光伏側電能輸出值時，為實現直流檢測電壓的緩解和有效分流，則需要通過DC-DC變換電路將多余電能傳輸至超級電容混合儲能電路中。

3.3" 控制電路

基于超級電容混合儲能裝置的分布式光伏發電系統的控制核心，通常為微控制器或數字信號處理器DSP^[3]。控制核心搭載了脈寬調制PWM技術，能夠在控制電路中實現對功率轉換器開關器件的控制。逆變器在發電系統運行過程中所輸出的交流電壓能夠在PWM脈沖信號的影響下實現精密調節。

3.4" 驅動電路

驅動電路主要作用在PWM信號上，通過驅動操作內置芯片系統和IGBT管件，為半橋電路和芯片系統營造一個穩定驅動環境。具體來說，控制信號在經由芯片發出后會沿著光耦隔離電路、驅動放大電路進行行動，同時輸出能夠控制IGBT管件的PWM控制信號，并通過GE兩端實現對IGBT管件的驅動操作^[4]。

3.5" 采樣電路

采樣電路主要依靠電阻分壓方法、電流互感器設備或霍爾傳感器等來實現采集^[5]。其中，基于電阻分壓式采樣的直流電壓采樣電路能夠把高電壓依照一定比例降至適宜控制器處理的電平范疇，而后從中間節點引出采樣信號；而基于變壓器降壓式采樣的交流電壓采樣電路能夠使高電壓交流信號降壓到合適的電平范圍，之后再經過整流、濾波等操作將其轉換為直流信號，以供控制器進行采樣。

4" 結語

綜上所述，基于超級電容混合儲能的分布式發電技術已經能夠在電力能源行業中正常使用并取得不錯的成效。相關技術人員應在充分考量當前能源發展格局的基礎上，通過優化和完善控制算法、提升能源轉換效率等方式為整個行業的發展贏得更多經濟效益、社會效益和生態效益。

參考文獻

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[4]劉輝.基于超級電容混合儲能的分布式光伏發電系統[D].合肥：安徽理工大學，2023.

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