6光伏系统之储能电池及充放电控制器Word下载.docx

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3）相比常规能源发电，可再生能源发电的装机容量小，负荷调控手段简单，易受冲击性负荷的影响等。

于是，分布式发电系统中储能系统的研究问题就日益凸显。

随着分布式发电技术的发展，大规模储能技术巅峰实用化已经成为制约可再生能源广泛应用的关键技术和重要前提。

对于可再生能源发电方式，系统的优化输配电显得十分重要，可以显著提高电网的可靠性、稳定性以及清洁性。

例如，用西部地区的风力发电和太阳能发电解决东部地区的工业用电需求等。

这种分布式可再生能源发电的资源互补技术与大规模储存电能技术相结合，使得分布式电源不再单纯给特定地区供电，具有可调度性，将是未来智能电网的核心技术之一。

1.2研究意义

光伏发电具有间接性、波动性，为了保证对负荷的稳定、连续供电，就必须在其发电系统中安装储能单元。

储能系统在光伏发电系统中的功能特点主要体现在以下两个方面：

1）平衡发电量和用电量

一个地区的所有负荷总量往往是不断变化的，而分布式电源的输出功率也是间歇性的，两者之间是一个动态变化关系，当系统发电量大于系统总负荷时，过剩的发电电量可以通过并网送回到公共电网供其他地区使用，也可以通过储能单元将其存储起来；

当系统发电电量小于系统总负荷时，不足的能量可以从公共电网中吸收，也可以从储能单元中吸取。

通过储能单元的吸收和释放能量，就可以是实现光伏系统中发电量与负荷用电量之间的需求关系，维持系统供电的稳定性。

2）充当备用或应急电源

2．各种储能技术在光伏系统中的应用

2.1储能单元的概念

电力系统引入储能单元后，可以有效地消除昼夜峰谷差，可以提高系统的稳定运行、补偿负载波动，还可以降低分布式供电成本。

由于储能系统的重要性以及适用范围的增加，储能技术的发展迅速，储能方式也越来越多样化，一般地，储能方式主要有以下几种：

1）物理储能方式：

包括飞轮储能、抽水储能等；

2）电化学储能方式：

即蓄电池储能方式，包括铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池等；

3）电磁储能方式：

包括超导线圈储能、高能量电容储能等。

2.2飞轮储能技术

飞轮储能技术是一种机械储能方式。

早在20世纪70年代就有人提出利用高速旋转的飞轮来储存能量，并应用于电动汽车的构想。

由于飞轮材料和轴承问题等关键技术一直没有解决而停滞不前，20世纪90年代以来，由于高强度的碳纤维材料、低损耗磁悬浮轴承、电力电子学三方面技术的发展，飞轮储能器才得以重提，并且得到了快速的发展。

2.1.1飞轮储能原理

图1飞轮储能原理图

图1是飞轮储能的原理图，外部输入的电能通过电力电子装置驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮将电能储存为机械能，当外部负载需要能量时，飞轮带动发电机旋转，将动能变换为电能，并通过电力电子装置对输出电能进行频率、电压的变换，满足负载的需求。

实际的飞轮储能系统（EESS）基本结构由以下5个部分组成：

1）飞轮转子，一般采用高强度复合纤维材料组成。

2）轴承，用来支承高速旋转的飞轮转子。

3）电动/发电机，一般采用直流永磁无刷电动/发电互逆式双向电机。

4）电力转换器，这是将输入交流电转化为直流电供给电机，将输出电能进行调频、整流后供给负载的部件。

5）真空室，为了减小损耗，同时防止高速旋转的飞轮发生事故，飞轮系统必须放置于高真空密封保护套筒内。

另外在飞轮储能装置中还必须加入监测系统，监测飞轮的位置、振动和转速、真空度、电机参数等运行参数。

2.1.2飞轮储能优势

技术成熟度高、高功率密度、长寿命、充放电次数无限以及无污染等特性。

2.1.3飞轮储能局限性

飞轮储能需要电能的持续输入，以维持转子的转速恒定。

一旦断电，飞轮储能通常只能维持一两分钟。

这就是说，飞轮储能的优势不在于时间的长短，而在于充放的快捷。

2.2抽水储能技术

2.2.1抽水储能原理

抽水储能是在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库，将电能转化成重力势能储存起来，在电网负荷高峰期释放上池水库中的水发电。

2.2.2抽水储能优势

抽水储能目前技术成熟，容量大，是一种可靠的储能方式。

2.2.3抽水储能局限性

受地理位置影响较大，工期巨大，效率不高，且影响生态环境，需要可靠安全系统保证。

2.3压缩空气储能技术

2.3.1压缩空气技术原理

压缩空气技术在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩的空气推动汽轮机发电。

2.3.2压缩空气技术优势

压缩空气储能电站建设投资和发电成本均低于抽水储能电站，储气库漏气开裂可能性极小，安全系数高，寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快，效率高，主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用。

2.3.3压缩空气技术局限性

其能量密度低，并受岩层等地理条件的限制，需要占用大面积土地，且工程费用较高。

2.4超级电容器储能技术

超级电容电池它通过极化电解质来储能，属于双层电容的一种。

由于其储能的过程并不发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

超级电容一般使用活性碳电极材料，具有吸附面积大，静电储存多的特点，在新能源汽车中有广泛使用。

超级电容器电池是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。

超级电容器用途广泛。

用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力；

用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池；

用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车；

用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动（尤其是在寒冷的冬季）、作为激光武器的脉冲能源。

此外还可用于其他机电设备的储能能源。

双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。

同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达10E6次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特殊元器件。

2.4.1结构和工作原理

其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，双电层电容器是根据电化学基本原理而工作,即导体与电解质（液体与固体）接触后会在其表面（即界面）产生稳定而符号相反的双层电荷,称为双电层,这些电解质表面的电荷在一定的电压下是不能被双电层电荷所产生的电场拉到紧靠它且符号相反的电极上,因此,形成了事实上电容器的两个电极

传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离,两块极板之间为真空或一层介电物质（相对介电常数为ε）所隔离,电容为:

其中A为极板面积,d为介质厚度。

所储存的能量为:

其中C为电容值,ΔV为极板间的电压降.

可见,若想获得较大的电容量,储存更多的能量,必须增大面积A或减少介质厚度d，但这个伸缩空间有限，导致它的储电量和储能量较小。

超级电容采用活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成两个集电层,相当于两个电容器串联,由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积A）,而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm（即获得了极小的介质厚度d）,根据前面的计算公式可以看出,这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上,从而使单位重量的电容量可达100F/g，并且电容的内阻还能保持在很低的水平，碳材料还具有成本低，技术成熟等优点。

从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能，且在实际使用时，可以通过串联或者并联以提高输出电压或电流。

2.4.2超级电容器的简化等效电路模型

简化电阻电容模型将超级电容器等效为一个理想电容器C与一个阻值较大的电阻Rep（等效并联电阻）相并联,再与一个阻值较小的电阻Res（等效串联电阻）相串联的结构,如图所示。

由电路原理知道,由于Res的存在,充放电时电流流经Reg会产生能耗并引起超级电容器发热,因此,超级电容器的能效小于1;

在放电过程中,由于Res的分压作用而减少了放电电压范围,尤其当放电电流较大时,Res会消耗较大的能量,降低超级电容器实际可用的有效储能率;

超级电容器处于静置储能状态时,等效并联电阻Rep与等效理想电容器C之间会形成回路,随着静止时间变长,超级电容器所存储的能量会逐渐消耗在等效并联电阻Rep上,因此,处于储能保持态的超级电容器,通常要加能量保持电路,补偿由于Rep引起的静置能量损耗,维持一定的备用储能量。

在实际应用中,超级电容器通常并于较快的和频繁的充放电循环过程中,Rep的影响可以忽略。

因此,可进一步将超级电容器模型简化为理想电容器C和等效串联内阻Res的串联结构。

2.4.3超级电容器的充电特性

超级电容器在使用过程中老化现象不明显,同时超级电容器对充电储能没有记忆效应,理论上可以充放电无数次。

此外,超级电容器储存的电荷及储能量可以通过检测电压值的方式来近似确定,判断充电储能过程是否结束非常方便。

基于以上这些特点,超级电容器充电控制既可以借鉴蓄电池等电化学储能器件的充电储能方式,同时又由于其具有优越的大物理电容特性,对大脉动电流具有较好的吸收能力,能够简化充电控制要求,目前常用的超级电容器充电储能方式介绍如下:

（1）恒流充电

恒流充电的主要特点是适应性好,可以任意选择充电电流。

对超级电容器进行恒流充电,超级电容器的端电压随时间按直线规律升高。

由于超级电容器的充电电流选择范围较大,因此可结合不同应用需求以及超级电容器自身状态进行优化控制。

（2）浮充充电

浮充充电属于一种连续的、长时间的恒电压充电方法。

关于超级电容器的浮充充电,浮充电压的选择是很重要的。

浮充电过程中,超级电容器的浮充电压不能太低,否则不能补偿超级电容器的漏电流损耗,仍然会造成超级电容器的储能量流失;

也不能过高,否则会过多地增加能量损耗,或者因严重过充电缩短超级电容的使用寿命。

因此,在超级电容器的浮充充电储能过程中要注意对电压的监测。

（3）脉冲充电

超级电容器具有可以瞬时大功率充放电特性,能够平滑高峰脉冲功率,因此,超级电容器具有良好的脉冲充电特性。

目前,在许多电动车储能系统中,超级电容器与蓄电池配合构成的混合储能单元就是利用超级电容器瞬时大功率特性扩大混合储能单元的尖峰功率范围,既保证了电动车对于加速和制动瞬时功率的需求,又减少了瞬时大功率对蓄电池的冲击,延长了蓄电池的使用寿命。

（4）组合充电

为了充分利用超级电容器的储能特性,同蓄电池充电一样,目前对于超级电容器采用灵活的组合充电方式,例如在低压时采用大电流恒流充电,随着超级电容器端电压的升高改变为递减恒流充电或恒压限流等充