超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究Word格式.docx
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文献［８～１２］针对脉动负载，就超级电容器对混合储能系统性能的改善进行了分析和研究，包括峰值功率增强、运行时间延长、内部损耗
收稿日期：
２００５一１０．２７
１模型分析
为了简化分析过程，根据文献［１３］，蓄电池模型可简化为一个理想电压源与其等效内阻的串联结构，超级电容器简化为一个理想电容器与其等效内阻的串联结构。
因为主要研究系统的动态过程，对超级电容器和蓄电池的并联内阻可以不予考虑。
受气候或环境等因素的影响，光伏系统的输出功率是断续的和不稳定的。
为了提高光伏系统的发
电利用率，系统常常工作于最大功率跟踪（ＭＰ阿）状
态，光伏系统输出功率的这种不稳定性就更加明显，主要表现为输出电流的波动。
因此，作为光伏发电的极限情况，可以将其等效为脉冲电流源。
混合储能模型如图ｌ所示。
基金项目：
国家高科技研究发展计划（８６３计划）（２００２』认５１６０２０）
万方数据
２期
唐西胜等：
超级电容器蓄电池｝昆合储能独立光伏系统研究
１７９
蓄电池的支路电流：
“肚等掣ｅ一赤＋
Ｃ
图１超级电容器蓄电池并联模型
、Ｆｉｇ．１
Ｐａ瑚ＩｌｌｅｌＩｎｏｄｅｌｏｆｕｌｔ瑚Ｉｃａｐａｃｉｔｏｒ／ｂａ＿№ｒｙ
ｈｙ陆ｄ
图中，Ｒ。
和尺。
分别为超级电容器和蓄电池的等效串联内阻。
ｉ。
为超级电容器的支路电流，ｉ。
为蓄电池的支路电流。
对电路模型进行拉氏变换，并用ｎｅｖｅｎｉｎ定理简化，图１中，
Ｉ嚣篡川丁，］
一（·
一忐ｅ一端ｍ蛳＋啪）ｊ
（９）
超级电容器的支路电流：
［ｅ一赫ｊ５（￡一七ｒ）一ｅ一端拳（ｔ一（屉＋Ｄ）ｒ）】
图２所示为混合储能系统在电源输出脉动电流
以儿％掣ｅ一赤＋擞鏊×
设定脉动电流源ｉ（￡）周期为ｒ，占空比为Ｄ，电流幅值为，，可表示为：
邪，＝器·
蔫
吣）＝訾＋熹‘蒜蔫㈩
（２）
时各支路的电流波形（参数设置：
Ｒ。
＝５０－ｍ，Ｒ。
＝
５ｍＱ，Ｇ＝１０００Ｆ，丁＝１０ｓ，Ｄ＝１０％，，＝１０Ａ）。
可以
看出，由于并联了超级电容器，当电源输出脉动电流时，流人蓄电池的支路电流较小，而且在整个脉动周期内相对比较平滑。
这说明了超级电容器等效串联内阻低、功率密度高，能够在脉动电源和蓄电池之间产生滤波效果，使蓄电池的充电电流变得平滑。
１０
ｉ（￡）＝，∑［ｊ５（ｔ一矗ｒ）一声（￡一（五十Ｄ）丁）］
（３）
—。
ｉ０）
８
一／ｉ。
０）
式中，声（ｆ）——标准阶跃函数，其频域表达式：
，（ｓ）＝，∑ｆ坐一竺１
＾＝ｏ
≤６
（４）
警４
鹾２脚Ｏ
一２Ｏ１０２０
乇Ｏ）
ｂ—
Ｌ
５
Ｓ
Ｊ
脉动电流在ｚ（｜ｓ）上产生的脉动压降：
吣，＝揣摹×
『ｓ＋去
３０
时间／ｓ
脉动电流源的输出电压％（Ｊｓ）为：
ｌｉ磊。
一
ｅ～“…咖
％（Ｓ）＝Ｉ，（Ｓ）＋圪（Ｓ）
Ⅳ一Ｉ＾＝Ｏ
图２混合储能系统在电源脉动时的响应（５）
Ｆｉｇ．２
Ｒｅｓｐｏｎｓｅ
ｏｆ
ｈｙ晡ｄｕｎｄｅｒ叫ｓｅ
ｐｏｗｅｒ
ｃｏ础ｔｉｏｎ
２系统结构设计
（６）
采用超级电容器蓄电池混合储能的独立光伏系统，主要由光伏阵列、充电控制器、并联控制器、超级电容器、蓄电池和负载等组成，如图３所示。
其时域表达式：
“ｔ）＝Ｋ＋≤‰（‰一吮）ｅ一町讧＋
Ｒ。
，∑
（１＿志ｅ一转ｍ一圳一（·
一志ｅ一黜ｍ川＋啪）
（７）
懒Ｈ荔Ｈ蒹盯
超级电ｆ
容器组ｌ
ｆ蓄电池
组
图３混合储能独立光伏系统结构示意图
Ｆｉｇ．３
Ｓｃｈｅｍｅｏｆｓｔａｎｄ－ａｌｏｎｅＰＶｓｙ吼ｅｍｗ油ｈｙ陆ｄｓｔｏｍｇｅ
太
阳
能
学
报
２８卷
其中，充电控制器对光伏阵列的输出能量进行控制，根据系统的实际状态，以一定的方式输出电能
分容量配置、当地气候条件、蓄电池型别等。
在该系统中，超级电容器组的端电压总是低于蓄电池组的端电压，而且其充放电电流允许范围很宽。
因此，系统的控制过程主要由蓄电池的参数决定，包括蓄电池的端电压和充放电电流。
对系统的控制主要通过充电控制器实现，使其处于不同的工作状态，影响光伏输出能量以及必要的系统保护功能。
图５所示为系统的控制过程状态机。
系统启动
（包括ＭＰ盯模式、限流模式和恒压模式）。
系统中
配置一定容量的超级电容器，具有一定的能量储存能力，可以减少蓄电池的充放电小循环次数，还可以对光伏系统的输出电能进行滤波，优化蓄电池的充放电电流。
蓄电池作为系统的主要能量储备装置，直接接负载，与超级电容器一起向负载提供所需的能量和功率。
并联控制器是超级电容器向蓄电池传递能量的控制环节，对其控制的目的是尽量优化蓄电池的工作环境，延长使用寿命。
根据并联控制器的不同，系统具有不同的实现方案。
一般来说，并联控制器可以分为无源式结构和有源式结构。
在有源式储能结构中，超级电容器通过ＤＣ／ＤＣ变换器与蓄电池连接，通过控制Ｄｃ／ＤＣ变换器实现超级电容器对蓄电池或负载的能量传输。
这种结构具有较大的控制灵活性，但电路结构复杂，能耗较大。
图４所示为无源式混合储能结构，超级电容器 通过一个功率二极管向蓄电池或负载供电。
超级电容器首先接受来自光伏电池通过充电控制器输出的电能，当端电压上升到蓄电池电压时（包括二极管的导通压降），蓄电池开始接受充电电流。
该结构能够有效地抑制光伏输出电流波动对蓄电池的冲击，并能大大降低蓄电池在脉动负载时的输出电流峰值，提高储能装置的功率输出能力，简单可靠、造价低。
本文主要对无源式混合储能结构进行研究。
后首先进入ＭＰ町状态，检测蓄电池组的端电压和
充电电流，系统工作状态的转移条件都采用滞环控
制。
当蓄电池组端电压大于设定值吧，时，充电控
制器转到恒压充电状态；
当其小于设定值‰时
（ｙ。
臣＜％。
），从恒压充电状态中退出，转到ＭＰＰｒ充
电状态或限流充电状态。
当蓄电池充电电流大于设定值，。
，时，充电控制器从ＭＰＰｒ状态转到限流充电状态，以对蓄电池进行大电流充电保护；
当蓄电池充电电流小于设定值，。
以时（，翘＜，酬），充电控制器切
换到ＭＰ盯工作状态。
当蓄电池的端电压低于设定
值‰。
或充电电流大于设定值，蛐时，切断负载，避
免蓄电池过放电和放电电流过大；
当蓄电池端电压
达到设定值ｙ。
以时（‰。
＜ｙＭ），重新启动负载。
根
据系统配置不同，可以修改参数的设定值，使系统大
部分时间都处于Ｍｐ胛状态，并使蓄电池保持在合
理的电压和充放电电流范围内。
⑨
图５系统控制过程状态机
Ｆｉｇ．５
Ｓｔａｔｅｍａｃ｝ｌｉｎｅｏｆｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｍｌｐｒｏｃｅｓｓ
图４无源式并联储能结构Ｆｉｇ．４鼬ｕｃｔｕｒｅｏｆ
ｐａ鼹ｉｖｅ
ｈｙｂ削
４仿真分析
如前所述，光伏系统的工作输出电流具有脉动性。
蓄电池在大电流充电时会产生极化现象，其严重阻碍了电解化学反应的进行，最终导致蓄电池的不可逆反应；
大电流充电会造成极板活性物质脱落损坏，还会使蓄电池温升和出气加重，导致蓄电池容量损失或过早失效。
越来越多的数字设备投入运
３控制环节设计
系统的控制目标就是在最大限度利用光伏发电量和满足负载需求的前提下，使蓄电池工作在优化的充放电状态中，并使其充放电循环次数尽可能少。
在具体方案设计时，要综合考虑多方面因素，如各部
１８１
行，使得负载功率在一定程度上也具有脉动性。
过大的放电电流会使蓄电池极板弯曲变形，也会产生过大的电压跌落而导致蓄电池的不正常关断。
本文针对独立光伏系统工作中的这两种情况进行仿真分
析。
串５并组成超级电容器组，等效电容１０００Ｆ，最高工作电压３０Ｖ；
ＶＲＩＡ蓄电池的容量为１２Ａｈ，通过串联组成蓄电池组，额定电压为２４Ｖ。
超级电容器组与蓄电池组之间串联一个肖特基二极管ＭＢＲ２０１００ＣＴ，接法如图４所示。
采用了ＮＩ公司的数据采集系统ＤＡＱ６０２３Ｅ和ＬＡＢｖⅢｗ软件，采集相关参数，并用ＭＡ耵ＡＢ描绘其波形。
图８所示为系统工作过程的描述。
开始时，由于超级电容器组的端电压小于蓄电池组的端电压（包括二极管的导通压降），光伏输出电能只给超级电容器组充电；
随着充电过程的继续，超级电容器组的端电压不断上升，大约在４００ｓ时，二极管导通，开始给蓄电池充电，蓄电池的充电电流平滑上升。
当光伏系统停止发电时（１４３５ｓ），由于蓄电池的等效串联内阻大于超级电容器，其端电压跌落大于超级电容器组，于是，超级电容器组继续给蓄电池组充电，其充电电流平滑下降，至二极管截止。
设定由于日照量变化，光伏系统的输出电流呈周期性三角波变化，周期为１ｓ，电流波动幅度为２Ａ，图６所示为系统稳态时，光伏的输出电流、蓄电池的支路电流和超级电容器的支路电流。
可见，尽管电流源输出电流波动很大，超级电容器通过自身的充放电，使蓄电池的充电电流保持在较平滑的水平，受光伏系统输出功率变化的影响很小。
４．００３．００。
２．ｏｏ１．００Ｏ．００３．００２．００。
１．００Ｏ．００—１．００２０００．００２００５．００２０１０．００
２叭５．ｏｏ
２０２０．００》■
图６储能系统在输入电流波动时的响应
ｎｇ．６
Ｈｙｂｄｄ
ｒｅｓｐｏｎｓｅ
ｗｉ血ｎｕｃｔ咖ｔ
ｉｎｐｕｔ
ｃｕｎ蜘庀
ｏｒＩｏ回
对混合储能系统施加脉动负载，周期为１ｓ，占空比为２０％，脉动负载的电流幅值为４Ａ。
图７所示为系统的响应。
当负载功率波动发生脉动时，超级电容器及时调整输出电流，以适应负载功率的变化，而蓄电池输出电流的脉动很小。
随着放电过程的继续，蓄电池的输出电流逐渐增大，但波动性仍然很小。
６４
时
ｖ１口净
Ｈ．ｊ
∞∞加Ｏ如加ｍ如加ｍ
时间／８
图８混合储能系统的工作过程
Ｆｉｇ．８
Ｏｐｅｒ砒ｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｙｂＩｉｄｐｃｌｗｅｒ
ｓｙｓｔ啪
图９所示为日照量变化时，超级电容器组和蓄
■
２Ｏ∞∞∞∞
ｊ｜工｝＿１
电池组的响应。
光伏系统的输出功率随着日照量的变化发生较大幅度的波动（主要表现为输出电流的脉动），由于超级电容器的高功率密度，对脉动电流
２≯山／１趔ｆｌＯ４
冬ｌ０肚一托皿：
二『ｌ』ｒ｛
Ｆｉｇ．７
０．００：
Ｌ＿———亡ｋ—＝—￡ｆ：
———￡蔓＝＝！
＝＝￡∑三三三￡三＝＝＝ｊ
图７混合储能系统在负载功率脉动时的响应
Ｈ审ｂｒｉｄＩ℃ｓｐｏｎｓｅｗｉｔｈｎｕｃｔｕａｎｔ１０ａｄｐｏｗｅｒ
２０
２
５实验及结果
本文构建了超级电容器蓄电弛混合储能的独立
光伏系统。
采用３块单晶硅太阳电池串联，功率为２２５Ｗｐ；
采用ＳＵ２４００Ｐ＿００２７Ｖ．１ＲＡ型超级电容器，１２
ｏｒＩ口目／Ｉ甸ｆｌ—ｒ１蟹≯／１格；
Ｏ
图９
Ｆｉｇ．９
日照量变化时混合储能系统的响应Ｓ）ｒｓｔ锄ｒｅ８ｐｏｎｓｅｗｉｔ｝ｌｖａｒｙｉｌｌｇｉ珊ｄｉ撕ｏｎ
１８２
产生了很好的滤波效果，使得蓄电池组的充电电流比较平滑，受气候变化的影响很小。
图１０所示为混合储能系统在脉动负载时的响应。
其中，负载的脉动周期为５ｓ，占空比为２０％，电流幅值为４Ａ。
可见，在负载脉动期间，超级电容器分担了大部分电流，蓄电池的输出电流较小，电压跌落也较小。
图１１所示为蓄电池单独储能的独立光伏系统，在相同脉动负载时蓄电池的响应。
由于要承担全部脉动电流，蓄电池端电压跌落幅度很大。
比较可见，由于并联了超级电容器，储能系统的峰值功率能力大大提高了。
致的不必要的充放电小循环，延长了使用寿命。
无源式混合储能系统简单可靠、经济有效，对解决目前光伏等可再生能源系统中的储能问题，具有现实可行性。
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ｅｒ
图１０负载脉动时混合储能系统的响应
Ｆｉｇ．１０
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ｉｍｐｒｏｖ锄ｅｎｔａｒＩｄ岫－
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１０ａｄｐｏｗｅｒ
ｉｎｔｅ删埘ｂｌｅ
Ｉｎｔ即枷ｏｎａｌ
Ｓ朋ｉ岫［Ｃ］，２００２，４：
１２４７—１２５２．
Ｙ，ＫｕｄｏＭ，ｅｔ
ｓｕｐｐｌｙ［Ａ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ铲ｏｆｔｈｅ２００２
［６］Ａｋｉｙａ眦Ｋ，Ｎ０ｚａｌ【ｉ
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ｅｎｃｅ
２０００（Ｃ］，２０００，３８７—３９３．
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ｍＥＥＣｏｒＩｆ２００３［ＣＪ，２００３，９１８—９２３．
图１１脉动负载时蓄电池储能系统的响应
ｎｇ．１１
跏ｅｒ）ｒ
ｒｅｓ岬ｎ眙埘ｔＩｌｖａＩｙｉＩｌｇ１０ａｄ—ｗｅｒ
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ＴＡ，Ｍａ玛ＪＰ，ｒＩ’ｕｍｅｒＧＡ．ｕｓｉｎｇ
６结
论
ｉｍｐ附ｖｅ
ｂａｔｔｅｒ），ｐｅ面黼ｅ［Ａ］．ＩＥＥＥ
Ａ，ｕｕ
ｓｕｐｅｒｃ删ｉｔｏｒｓ
ｔｏ
ｃｏ缸２００２［ｃ］，
Ｅ．Ｐｏｗｅｒｍｌｄｌｉｆｅ
ｏｎ
２００２．１２４—１２８．
等效数学模型分析表明，超级电容器能够提升储能系统的峰值功率，优化蓄电池的充放电电流，使其工作在良好的环境中。
本文提出了一种无源式混合储能结构，并应用于独立光伏系统中，建立了相应的控制系统。
仿真和实验结果表明，由于超级电容器的滤波作用，在光伏系统的输出功率和负载功率大幅波动时，蓄电池的充放电电流能够保持在较平滑的水平，避免了因充放电电流过大而引起的容量损失和过早失效。
此外，由于超级电容器具有一定容量的储能能力，减少了蓄电池由于气候原因所导
［９］Ｄ删Ｒ
１８０．
ｓｈｅｎｇｙｉ，ｗｌｌｉｔｅ砌ｐｈ
ｅ妣ｅ鸺ｉｏｎｏｆ
Ｃ０畔ｎｔｓ８ｎｄＰａｃｋａｇｉｎｇ‰ｈｎｏｌ晒船，２００２，２５（１）：
１７５－
［１０］Ｇ∞Ｌ，ＤｃＦｕｇａｌ
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ｈｙ蚰ｄ［Ｊ］．
１ｈ鹏ｏｎＰ０ｗｅｒＥｌｅｃｔｒ叽ｉｃｓ，２００５，２０（１）：
２３６＿—２４３．
［１１］
酗Ｊ
ｐｕｌｓｅｄ
Ｐ，Ｊ０ｗＴＲ，ＤｉＩｌｇＭ
ｓ．Ｈｙ陆ｄｐｗｅｒ∞ｕＩ℃ｅｓ
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Ｓ啷ｅｒ鹏，ＩＥＥＥ１ｈ璐，２００１，３７（１）：
２８８—２９２．［１２］
Ｂ阳ＩｌｄｌｌｏｒｓｔＨｗ，２ｈｅｎｇＣ｝ｌｅｎ．Ａｃｈｉｅｖｉｎｇ
１８３
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ｔｌｌｅｂａ肚ｅｒｙ—ｃａｐａｃｉｔｏｒｃｏｍｂｉｍ一ｓｉｘｆｅｅｎｔｌｌＡｎｎｕａ】
［１３］
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ｔｅｒｉｅｓ
ｔｉｏｎ［Ａ］．Ａｐ曲ｃ撕ｏｎｓ明ｄＡｄｖａｎｃｅｓ，ｒ１１１ｅ
Ｂａ仕ｅｒｙ
ｃｏｒｌ６ｅｒｅｎｃｅ［ｃ］，２００１，１５３—１５６．
ｅｌｅｃｔｒｏｃｈ砌ｃａｌｅａｐａｃｉｔｏｒｓ［Ａ］．Ｂａｎｅｒ），ｃｏⅢ．ｅｒｅｒｌｃｅＡｐｐｈｃ面ｏＩｌｓａｎｄ』执蚰ｃ船［ｃ］，１９９９，１ｃｒ７—１０９．
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