超級(jí)電容在住宅戶用供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉怡然+樸金子+樸在林

摘要：在新型能源陽光工程的推動(dòng)下，住宅戶用小型光伏發(fā)電系統(tǒng)興起，使電能的存儲(chǔ)及延遲使用成為關(guān)注熱點(diǎn)。分析超級(jí)電容在離網(wǎng)型住宅戶用供電系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及穩(wěn)定性，詳細(xì)探討其充、放電控制方法，為超級(jí)電容更加高速、有效的應(yīng)用于住宅戶用小型光伏發(fā)電系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容；戶用型住宅供電系統(tǒng)；充放電控制；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）01-0044-03

在當(dāng)今社會(huì)，干凈、高效的能源獲取變得極其重要，這使得太陽能和風(fēng)力發(fā)電在能源領(lǐng)域異軍突起，成為新型能源的“新貴”。在戶用型住宅供電系統(tǒng)中，主要采用新型能源保證電力輸出，而新型能源具有不穩(wěn)定性，必須找到自由存取電能的儲(chǔ)能方式。傳統(tǒng)的蓄電池易老化、價(jià)格高、二次污染嚴(yán)重，極易成為經(jīng)濟(jì)情況一般住戶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。超級(jí)電容采用非化學(xué)儲(chǔ)能方式，具有強(qiáng)大的可操作性，可以很好地滿足當(dāng)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(jìn)行具體的量化分析使其正常應(yīng)用于各個(gè)負(fù)載。為此，對(duì)超級(jí)電容器的穩(wěn)定性及充放電控制進(jìn)行研究，使其可以更高效、安全、可靠的并入系統(tǒng)。

1 超級(jí)電容應(yīng)用于系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

超級(jí)電容作為新型儲(chǔ)能方式，在戶用型系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)非常明顯，其主要表現(xiàn)為：超級(jí)電容器可在額定電壓范圍內(nèi)被充電到任意電位，并可完全放出；超級(jí)電容的荷電狀態(tài)（SOC）可與電壓構(gòu)成簡(jiǎn)單函數(shù)；與體積相似的傳統(tǒng)電容器相比，超級(jí)電容器可存儲(chǔ)更多的能量；超級(jí)電容可反復(fù)傳輸能量脈沖，且無任何不良影響；超級(jí)電容器可反復(fù)循環(huán)使用幾十萬次，循環(huán)利用率極高。

超級(jí)電容具有三大功能：一是作為基本儲(chǔ)能裝置，在因陰雨、黑夜、室外陽光不足導(dǎo)致的供電短缺時(shí)為系統(tǒng)負(fù)載提供電能輸出；二是作為濾波器，對(duì)太陽能電池板向系統(tǒng)傳輸?shù)牟环€(wěn)能量進(jìn)行濾波，確保電能輸出穩(wěn)定；三是與充、放電控制器進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)極易受外界因素影響，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)了充、放電控制器，對(duì)光伏輸出系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)部控制。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，通過充電控制器發(fā)出的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)對(duì)功率開關(guān)管進(jìn)行調(diào)節(jié)，并回饋到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器組充放電的有效控制，其主要方式為最大功率點(diǎn)跟蹤、限流輸出與恒壓輸出。

由于太陽能系統(tǒng)的原因，超級(jí)電容器兩端的電壓不穩(wěn)定，需要放電控制器對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的交流電壓可直接使用或經(jīng)DC/AC逆變，以保證持續(xù)向負(fù)載輸送220 V的穩(wěn)頻電壓。

控制系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)能量的分配與控制、檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)、當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)出警報(bào)。其中，能量管理主要實(shí)現(xiàn)充電控制器充電方式選擇，并觀測(cè)放電控制器和負(fù)載單位的數(shù)據(jù)，當(dāng)外界供給與內(nèi)部能量不足時(shí)及時(shí)并入外界電源，保證用戶正常供電。簡(jiǎn)易離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

由于超級(jí)電容在戶用型住宅供電系統(tǒng)中計(jì)算困難，因此采用等效模型進(jìn)行計(jì)算。等效電路模型的運(yùn)行方式與規(guī)劃設(shè)計(jì)更為直觀。充電控制器的主要結(jié)構(gòu)為BUCK，由功率二極管F、功率開關(guān)管M和電感L構(gòu)成。為使分析過程簡(jiǎn)單化，將超級(jí)電容器組分別簡(jiǎn)化為等效串聯(lián)內(nèi)阻Rs和串聯(lián)結(jié)構(gòu)理想電容器C，并用等效電阻R代替放電控制器和負(fù)載。等效電路如圖2所示。

設(shè)BUCK變換器處于電感電流連續(xù)狀態(tài)中，開關(guān)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(tài)變量，利用狀態(tài)平均法得到狀態(tài)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(tài)平均方程添加擾動(dòng)，瞬時(shí)值d=D+，iL=IL+L，uc=Uc+c，u=U+，得到擾動(dòng)方程：

=A

+B+

0Tu

y=C

（2）

將擾動(dòng)方程轉(zhuǎn)至S域，并用拉普拉斯變換，忽略高次分量，得到系統(tǒng)的控制—輸出傳遞函數(shù)（設(shè)Rs<

│（s）=0= （3）

由式（3）可知，放電控制器的內(nèi)部架構(gòu)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)電感L與負(fù)載R確定時(shí)，決定系統(tǒng)穩(wěn)定性的是超級(jí)電容的電容量C和Rs，并且可知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是0型，為有差系統(tǒng)。為消除系統(tǒng)余差，在控制系統(tǒng)中設(shè)置PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)，用以串聯(lián)校正。限流輸出與恒壓輸出方式參與系統(tǒng)校正，校正后的系統(tǒng)為1型，穩(wěn)態(tài)性能得到提升，在能量輸入不穩(wěn)定的環(huán)境下，可保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3 系統(tǒng)充放電控制

超級(jí)電容器具有能量密度大、循環(huán)和儲(chǔ)能效率高、使用次數(shù)多、經(jīng)濟(jì)性較好等優(yōu)點(diǎn)，因此設(shè)定一套與之相適應(yīng)的控制系統(tǒng)尤為重要。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充放電控制，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保其運(yùn)行更加靈活，提升使用效率，避免造成不必要的能源浪費(fèi)。

3.1 充電控制

以太陽能電池板作為系統(tǒng)的電源。系統(tǒng)對(duì)光能源的依賴性非常大，但該能源不能直接用于負(fù)載，需要用Boost-Buck DC/DC換流器調(diào)節(jié)。為保證負(fù)載起到最大功率點(diǎn)跟蹤的作用，將換流器置于放電控制器中，使電壓穩(wěn)定在負(fù)載需求的區(qū)間范圍內(nèi)。通過使用換流器，超級(jí)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(jí)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(qiáng)度非常大，高于給定電流Ir，此時(shí)系統(tǒng)采用CCCM控制模式；隨著時(shí)間推移，端電壓上升，高于給定電壓值Ur，電流值下降，系統(tǒng)切換到CPCM控制模式；隨著時(shí)間繼續(xù)推移，當(dāng)電壓達(dá)到系統(tǒng)滿電壓Ufull時(shí)，系統(tǒng)切換至CVCM控制模式。這3種模式之間的切換，能使超級(jí)電容器組的充電時(shí)間大大縮短。離網(wǎng)型系統(tǒng)中超級(jí)電容器的充電控制流程見圖3。

3.2 放電控制

根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的需求，需要通過串、并聯(lián)來形成特定結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器組。系統(tǒng)的瞬時(shí)功率往往不大，一般不會(huì)超出超級(jí)電容器的承受范圍，且功率能夠滿足電氣設(shè)備的要求，因此，儲(chǔ)能容量對(duì)超級(jí)電容器組至關(guān)重要。當(dāng)單個(gè)超級(jí)電容器即時(shí)電壓低于其額定輸出電壓最低值Um時(shí)，則認(rèn)為其已達(dá)到最大放電，放電深度為：

d=1-×100% （4）

式中，UM為單個(gè)電容器的輸出電壓最高值。

所需單個(gè)電容器數(shù)量N由負(fù)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(shè)備放電效率。

超級(jí)電容器組中單個(gè)電容器串聯(lián)數(shù)為Ns，并聯(lián)支路個(gè)數(shù)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(yīng)在超級(jí)電容器組的最高和最低工作電壓區(qū)內(nèi)，以確保放電控制器正常工作，并且滿足負(fù)載用電需求。成型后的超級(jí)電容器組端電壓變化范圍為dNsUm～NsUm。

4 結(jié)論

利用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置的戶用型住宅供電系統(tǒng)，不論是在經(jīng)濟(jì)性上，還是在分布式電源的研究上，都具有重要的參考價(jià)值。隨著科技的發(fā)展和新能源政策的逐步推進(jìn)，戶用型住宅小型光伏供電模式必將大面積推廣，超級(jí)電容器組儲(chǔ)能方式的應(yīng)用也將越來越廣泛。對(duì)超級(jí)電容器組的架構(gòu)與穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析，有利于其更加高速、有效的存儲(chǔ)電能。

摘要：在新型能源陽光工程的推動(dòng)下，住宅戶用小型光伏發(fā)電系統(tǒng)興起，使電能的存儲(chǔ)及延遲使用成為關(guān)注熱點(diǎn)。分析超級(jí)電容在離網(wǎng)型住宅戶用供電系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及穩(wěn)定性，詳細(xì)探討其充、放電控制方法，為超級(jí)電容更加高速、有效的應(yīng)用于住宅戶用小型光伏發(fā)電系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容；戶用型住宅供電系統(tǒng)；充放電控制；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）01-0044-03

在當(dāng)今社會(huì)，干凈、高效的能源獲取變得極其重要，這使得太陽能和風(fēng)力發(fā)電在能源領(lǐng)域異軍突起，成為新型能源的“新貴”。在戶用型住宅供電系統(tǒng)中，主要采用新型能源保證電力輸出，而新型能源具有不穩(wěn)定性，必須找到自由存取電能的儲(chǔ)能方式。傳統(tǒng)的蓄電池易老化、價(jià)格高、二次污染嚴(yán)重，極易成為經(jīng)濟(jì)情況一般住戶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。超級(jí)電容采用非化學(xué)儲(chǔ)能方式，具有強(qiáng)大的可操作性，可以很好地滿足當(dāng)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(jìn)行具體的量化分析使其正常應(yīng)用于各個(gè)負(fù)載。為此，對(duì)超級(jí)電容器的穩(wěn)定性及充放電控制進(jìn)行研究，使其可以更高效、安全、可靠的并入系統(tǒng)。

1 超級(jí)電容應(yīng)用于系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

超級(jí)電容作為新型儲(chǔ)能方式，在戶用型系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)非常明顯，其主要表現(xiàn)為：超級(jí)電容器可在額定電壓范圍內(nèi)被充電到任意電位，并可完全放出；超級(jí)電容的荷電狀態(tài)（SOC）可與電壓構(gòu)成簡(jiǎn)單函數(shù)；與體積相似的傳統(tǒng)電容器相比，超級(jí)電容器可存儲(chǔ)更多的能量；超級(jí)電容可反復(fù)傳輸能量脈沖，且無任何不良影響；超級(jí)電容器可反復(fù)循環(huán)使用幾十萬次，循環(huán)利用率極高。

超級(jí)電容具有三大功能：一是作為基本儲(chǔ)能裝置，在因陰雨、黑夜、室外陽光不足導(dǎo)致的供電短缺時(shí)為系統(tǒng)負(fù)載提供電能輸出；二是作為濾波器，對(duì)太陽能電池板向系統(tǒng)傳輸?shù)牟环€(wěn)能量進(jìn)行濾波，確保電能輸出穩(wěn)定；三是與充、放電控制器進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)極易受外界因素影響，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)了充、放電控制器，對(duì)光伏輸出系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)部控制。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，通過充電控制器發(fā)出的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)對(duì)功率開關(guān)管進(jìn)行調(diào)節(jié)，并回饋到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器組充放電的有效控制，其主要方式為最大功率點(diǎn)跟蹤、限流輸出與恒壓輸出。

由于太陽能系統(tǒng)的原因，超級(jí)電容器兩端的電壓不穩(wěn)定，需要放電控制器對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的交流電壓可直接使用或經(jīng)DC/AC逆變，以保證持續(xù)向負(fù)載輸送220 V的穩(wěn)頻電壓。

控制系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)能量的分配與控制、檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)、當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)出警報(bào)。其中，能量管理主要實(shí)現(xiàn)充電控制器充電方式選擇，并觀測(cè)放電控制器和負(fù)載單位的數(shù)據(jù)，當(dāng)外界供給與內(nèi)部能量不足時(shí)及時(shí)并入外界電源，保證用戶正常供電。簡(jiǎn)易離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

由于超級(jí)電容在戶用型住宅供電系統(tǒng)中計(jì)算困難，因此采用等效模型進(jìn)行計(jì)算。等效電路模型的運(yùn)行方式與規(guī)劃設(shè)計(jì)更為直觀。充電控制器的主要結(jié)構(gòu)為BUCK，由功率二極管F、功率開關(guān)管M和電感L構(gòu)成。為使分析過程簡(jiǎn)單化，將超級(jí)電容器組分別簡(jiǎn)化為等效串聯(lián)內(nèi)阻Rs和串聯(lián)結(jié)構(gòu)理想電容器C，并用等效電阻R代替放電控制器和負(fù)載。等效電路如圖2所示。

設(shè)BUCK變換器處于電感電流連續(xù)狀態(tài)中，開關(guān)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(tài)變量，利用狀態(tài)平均法得到狀態(tài)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(tài)平均方程添加擾動(dòng)，瞬時(shí)值d=D+，iL=IL+L，uc=Uc+c，u=U+，得到擾動(dòng)方程：

=A

+B+

0Tu

y=C

（2）

將擾動(dòng)方程轉(zhuǎn)至S域，并用拉普拉斯變換，忽略高次分量，得到系統(tǒng)的控制—輸出傳遞函數(shù)（設(shè)Rs<

│（s）=0= （3）

由式（3）可知，放電控制器的內(nèi)部架構(gòu)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)電感L與負(fù)載R確定時(shí)，決定系統(tǒng)穩(wěn)定性的是超級(jí)電容的電容量C和Rs，并且可知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是0型，為有差系統(tǒng)。為消除系統(tǒng)余差，在控制系統(tǒng)中設(shè)置PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)，用以串聯(lián)校正。限流輸出與恒壓輸出方式參與系統(tǒng)校正，校正后的系統(tǒng)為1型，穩(wěn)態(tài)性能得到提升，在能量輸入不穩(wěn)定的環(huán)境下，可保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3 系統(tǒng)充放電控制

超級(jí)電容器具有能量密度大、循環(huán)和儲(chǔ)能效率高、使用次數(shù)多、經(jīng)濟(jì)性較好等優(yōu)點(diǎn)，因此設(shè)定一套與之相適應(yīng)的控制系統(tǒng)尤為重要。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充放電控制，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保其運(yùn)行更加靈活，提升使用效率，避免造成不必要的能源浪費(fèi)。

3.1 充電控制

以太陽能電池板作為系統(tǒng)的電源。系統(tǒng)對(duì)光能源的依賴性非常大，但該能源不能直接用于負(fù)載，需要用Boost-Buck DC/DC換流器調(diào)節(jié)。為保證負(fù)載起到最大功率點(diǎn)跟蹤的作用，將換流器置于放電控制器中，使電壓穩(wěn)定在負(fù)載需求的區(qū)間范圍內(nèi)。通過使用換流器，超級(jí)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(jí)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(qiáng)度非常大，高于給定電流Ir，此時(shí)系統(tǒng)采用CCCM控制模式；隨著時(shí)間推移，端電壓上升，高于給定電壓值Ur，電流值下降，系統(tǒng)切換到CPCM控制模式；隨著時(shí)間繼續(xù)推移，當(dāng)電壓達(dá)到系統(tǒng)滿電壓Ufull時(shí)，系統(tǒng)切換至CVCM控制模式。這3種模式之間的切換，能使超級(jí)電容器組的充電時(shí)間大大縮短。離網(wǎng)型系統(tǒng)中超級(jí)電容器的充電控制流程見圖3。

3.2 放電控制

根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的需求，需要通過串、并聯(lián)來形成特定結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器組。系統(tǒng)的瞬時(shí)功率往往不大，一般不會(huì)超出超級(jí)電容器的承受范圍，且功率能夠滿足電氣設(shè)備的要求，因此，儲(chǔ)能容量對(duì)超級(jí)電容器組至關(guān)重要。當(dāng)單個(gè)超級(jí)電容器即時(shí)電壓低于其額定輸出電壓最低值Um時(shí)，則認(rèn)為其已達(dá)到最大放電，放電深度為：

d=1-×100% （4）

式中，UM為單個(gè)電容器的輸出電壓最高值。

所需單個(gè)電容器數(shù)量N由負(fù)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(shè)備放電效率。

超級(jí)電容器組中單個(gè)電容器串聯(lián)數(shù)為Ns，并聯(lián)支路個(gè)數(shù)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(yīng)在超級(jí)電容器組的最高和最低工作電壓區(qū)內(nèi)，以確保放電控制器正常工作，并且滿足負(fù)載用電需求。成型后的超級(jí)電容器組端電壓變化范圍為dNsUm～NsUm。

4 結(jié)論

利用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置的戶用型住宅供電系統(tǒng)，不論是在經(jīng)濟(jì)性上，還是在分布式電源的研究上，都具有重要的參考價(jià)值。隨著科技的發(fā)展和新能源政策的逐步推進(jìn)，戶用型住宅小型光伏供電模式必將大面積推廣，超級(jí)電容器組儲(chǔ)能方式的應(yīng)用也將越來越廣泛。對(duì)超級(jí)電容器組的架構(gòu)與穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析，有利于其更加高速、有效的存儲(chǔ)電能。

摘要：在新型能源陽光工程的推動(dòng)下，住宅戶用小型光伏發(fā)電系統(tǒng)興起，使電能的存儲(chǔ)及延遲使用成為關(guān)注熱點(diǎn)。分析超級(jí)電容在離網(wǎng)型住宅戶用供電系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及穩(wěn)定性，詳細(xì)探討其充、放電控制方法，為超級(jí)電容更加高速、有效的應(yīng)用于住宅戶用小型光伏發(fā)電系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容；戶用型住宅供電系統(tǒng)；充放電控制；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）01-0044-03

在當(dāng)今社會(huì)，干凈、高效的能源獲取變得極其重要，這使得太陽能和風(fēng)力發(fā)電在能源領(lǐng)域異軍突起，成為新型能源的“新貴”。在戶用型住宅供電系統(tǒng)中，主要采用新型能源保證電力輸出，而新型能源具有不穩(wěn)定性，必須找到自由存取電能的儲(chǔ)能方式。傳統(tǒng)的蓄電池易老化、價(jià)格高、二次污染嚴(yán)重，極易成為經(jīng)濟(jì)情況一般住戶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。超級(jí)電容采用非化學(xué)儲(chǔ)能方式，具有強(qiáng)大的可操作性，可以很好地滿足當(dāng)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(jìn)行具體的量化分析使其正常應(yīng)用于各個(gè)負(fù)載。為此，對(duì)超級(jí)電容器的穩(wěn)定性及充放電控制進(jìn)行研究，使其可以更高效、安全、可靠的并入系統(tǒng)。

1 超級(jí)電容應(yīng)用于系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

超級(jí)電容作為新型儲(chǔ)能方式，在戶用型系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)非常明顯，其主要表現(xiàn)為：超級(jí)電容器可在額定電壓范圍內(nèi)被充電到任意電位，并可完全放出；超級(jí)電容的荷電狀態(tài)（SOC）可與電壓構(gòu)成簡(jiǎn)單函數(shù)；與體積相似的傳統(tǒng)電容器相比，超級(jí)電容器可存儲(chǔ)更多的能量；超級(jí)電容可反復(fù)傳輸能量脈沖，且無任何不良影響；超級(jí)電容器可反復(fù)循環(huán)使用幾十萬次，循環(huán)利用率極高。

超級(jí)電容具有三大功能：一是作為基本儲(chǔ)能裝置，在因陰雨、黑夜、室外陽光不足導(dǎo)致的供電短缺時(shí)為系統(tǒng)負(fù)載提供電能輸出；二是作為濾波器，對(duì)太陽能電池板向系統(tǒng)傳輸?shù)牟环€(wěn)能量進(jìn)行濾波，確保電能輸出穩(wěn)定；三是與充、放電控制器進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)極易受外界因素影響，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)了充、放電控制器，對(duì)光伏輸出系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)部控制。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，通過充電控制器發(fā)出的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)對(duì)功率開關(guān)管進(jìn)行調(diào)節(jié)，并回饋到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器組充放電的有效控制，其主要方式為最大功率點(diǎn)跟蹤、限流輸出與恒壓輸出。

由于太陽能系統(tǒng)的原因，超級(jí)電容器兩端的電壓不穩(wěn)定，需要放電控制器對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的交流電壓可直接使用或經(jīng)DC/AC逆變，以保證持續(xù)向負(fù)載輸送220 V的穩(wěn)頻電壓。

控制系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)能量的分配與控制、檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)、當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)發(fā)出警報(bào)。其中，能量管理主要實(shí)現(xiàn)充電控制器充電方式選擇，并觀測(cè)放電控制器和負(fù)載單位的數(shù)據(jù)，當(dāng)外界供給與內(nèi)部能量不足時(shí)及時(shí)并入外界電源，保證用戶正常供電。簡(jiǎn)易離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

由于超級(jí)電容在戶用型住宅供電系統(tǒng)中計(jì)算困難，因此采用等效模型進(jìn)行計(jì)算。等效電路模型的運(yùn)行方式與規(guī)劃設(shè)計(jì)更為直觀。充電控制器的主要結(jié)構(gòu)為BUCK，由功率二極管F、功率開關(guān)管M和電感L構(gòu)成。為使分析過程簡(jiǎn)單化，將超級(jí)電容器組分別簡(jiǎn)化為等效串聯(lián)內(nèi)阻Rs和串聯(lián)結(jié)構(gòu)理想電容器C，并用等效電阻R代替放電控制器和負(fù)載。等效電路如圖2所示。

設(shè)BUCK變換器處于電感電流連續(xù)狀態(tài)中，開關(guān)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(tài)變量，利用狀態(tài)平均法得到狀態(tài)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(tài)平均方程添加擾動(dòng)，瞬時(shí)值d=D+，iL=IL+L，uc=Uc+c，u=U+，得到擾動(dòng)方程：

=A

+B+

0Tu

y=C

（2）

將擾動(dòng)方程轉(zhuǎn)至S域，并用拉普拉斯變換，忽略高次分量，得到系統(tǒng)的控制—輸出傳遞函數(shù)（設(shè)Rs<

│（s）=0= （3）

由式（3）可知，放電控制器的內(nèi)部架構(gòu)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)電感L與負(fù)載R確定時(shí)，決定系統(tǒng)穩(wěn)定性的是超級(jí)電容的電容量C和Rs，并且可知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是0型，為有差系統(tǒng)。為消除系統(tǒng)余差，在控制系統(tǒng)中設(shè)置PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)，用以串聯(lián)校正。限流輸出與恒壓輸出方式參與系統(tǒng)校正，校正后的系統(tǒng)為1型，穩(wěn)態(tài)性能得到提升，在能量輸入不穩(wěn)定的環(huán)境下，可保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3 系統(tǒng)充放電控制

超級(jí)電容器具有能量密度大、循環(huán)和儲(chǔ)能效率高、使用次數(shù)多、經(jīng)濟(jì)性較好等優(yōu)點(diǎn)，因此設(shè)定一套與之相適應(yīng)的控制系統(tǒng)尤為重要。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充放電控制，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保其運(yùn)行更加靈活，提升使用效率，避免造成不必要的能源浪費(fèi)。

3.1 充電控制

以太陽能電池板作為系統(tǒng)的電源。系統(tǒng)對(duì)光能源的依賴性非常大，但該能源不能直接用于負(fù)載，需要用Boost-Buck DC/DC換流器調(diào)節(jié)。為保證負(fù)載起到最大功率點(diǎn)跟蹤的作用，將換流器置于放電控制器中，使電壓穩(wěn)定在負(fù)載需求的區(qū)間范圍內(nèi)。通過使用換流器，超級(jí)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(jí)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(qiáng)度非常大，高于給定電流Ir，此時(shí)系統(tǒng)采用CCCM控制模式；隨著時(shí)間推移，端電壓上升，高于給定電壓值Ur，電流值下降，系統(tǒng)切換到CPCM控制模式；隨著時(shí)間繼續(xù)推移，當(dāng)電壓達(dá)到系統(tǒng)滿電壓Ufull時(shí)，系統(tǒng)切換至CVCM控制模式。這3種模式之間的切換，能使超級(jí)電容器組的充電時(shí)間大大縮短。離網(wǎng)型系統(tǒng)中超級(jí)電容器的充電控制流程見圖3。

3.2 放電控制

根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的需求，需要通過串、并聯(lián)來形成特定結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器組。系統(tǒng)的瞬時(shí)功率往往不大，一般不會(huì)超出超級(jí)電容器的承受范圍，且功率能夠滿足電氣設(shè)備的要求，因此，儲(chǔ)能容量對(duì)超級(jí)電容器組至關(guān)重要。當(dāng)單個(gè)超級(jí)電容器即時(shí)電壓低于其額定輸出電壓最低值Um時(shí)，則認(rèn)為其已達(dá)到最大放電，放電深度為：

d=1-×100% （4）

式中，UM為單個(gè)電容器的輸出電壓最高值。

所需單個(gè)電容器數(shù)量N由負(fù)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(shè)備放電效率。

超級(jí)電容器組中單個(gè)電容器串聯(lián)數(shù)為Ns，并聯(lián)支路個(gè)數(shù)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(yīng)在超級(jí)電容器組的最高和最低工作電壓區(qū)內(nèi)，以確保放電控制器正常工作，并且滿足負(fù)載用電需求。成型后的超級(jí)電容器組端電壓變化范圍為dNsUm～NsUm。

4 結(jié)論

利用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置的戶用型住宅供電系統(tǒng)，不論是在經(jīng)濟(jì)性上，還是在分布式電源的研究上，都具有重要的參考價(jià)值。隨著科技的發(fā)展和新能源政策的逐步推進(jìn)，戶用型住宅小型光伏供電模式必將大面積推廣，超級(jí)電容器組儲(chǔ)能方式的應(yīng)用也將越來越廣泛。對(duì)超級(jí)電容器組的架構(gòu)與穩(wěn)定性進(jìn)行深入分析，有利于其更加高速、有效的存儲(chǔ)電能。