獨立光伏系統(tǒng)中超級電容器蓄電池混合儲能方案研究

楊浚 姜星安

摘 要 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中合理應(yīng)用儲能系統(tǒng)能有效解決一直存在于其中的電能質(zhì)量和供電用電不平衡的問題，更好地滿足正常負(fù)荷運轉(zhuǎn)的工作需求?，F(xiàn)階段有的一些儲能設(shè)備的采購成本較高，所以在獨立光伏系統(tǒng)設(shè)計中要致力于在容量上將太陽能電池方針、運行負(fù)荷以及儲能系統(tǒng)最為協(xié)調(diào)的組合在一起，進(jìn)而在適用性經(jīng)濟(jì)條件下解決光伏系統(tǒng)電能質(zhì)量問題。

關(guān)鍵詞 光伏系統(tǒng);超級電容器;蓄電池;混合式儲能

蓄電池具有循環(huán)壽命短、能量密度大和功率密度低的特點，相比之下超級電容器具有超超長的循環(huán)壽命、超大的功率密度和極高的充放電速度。所以將兩者進(jìn)行聯(lián)合使用，通過優(yōu)勢互必然能大大提升混合儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和各項指標(biāo)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

客觀層面上的自然氣候和環(huán)境因素很容易影響到光伏發(fā)電，所以發(fā)電功率始終存在穩(wěn)定性差的特征。以提高發(fā)電利用率為目的讓光伏時常用最大功率跟蹤（MPPT）方式，但這種方式反而讓發(fā)電功率的不穩(wěn)定性缺點更加凸顯，波動現(xiàn)象最為明顯地表現(xiàn)在輸出電流方面。如果充電電流值較標(biāo)準(zhǔn)值偏高，蓄電池發(fā)生極化現(xiàn)象的概率就大大增加，一方面會導(dǎo)致很多極化活性物質(zhì)丟失，另一方面還會出現(xiàn)持續(xù)升溫的問題。大電流放電的情況不僅會影響蓄電池的功能，還包括外形，即極板彎曲，嚴(yán)重時則會導(dǎo)致蓄電池直接關(guān)斷[1]。除此以外，光伏發(fā)電功率本身存在不足或者間斷性的問題，所以蓄電池也時常會處于小電流放電、充放電小循環(huán)的運作狀態(tài)中，極大地加快了老化的速度，減少了循環(huán)使用的壽命。

一般情況下，以容量性為主要優(yōu)勢的超級電容器的配置位置都是固定的，在蓄電池和光伏中間，超級電容器的控制操作由并聯(lián)控制器來完成，保證電池流動方向是朝向蓄電池的。這樣一來不僅能將超級電容器的超大功率密度優(yōu)勢發(fā)揮出來，彌補(bǔ)蓄電池充放電流的不足，還能通過超級電容器強(qiáng)大的儲能功能最大化的避免出現(xiàn)蓄電池充放電不循環(huán)的問題。

負(fù)責(zé)光伏陣列輸出能力控制的是充電控制器，圍繞系統(tǒng)運行的實際狀態(tài)選用適宜的方式向后級供電，比如限流、恒壓或者M(jìn)PPT等。在完整系統(tǒng)中增設(shè)一個超大容量的電容器有以下幾個原因，一是增加了能量儲備裝置，二是完成了光伏輸出能量濾波的同時優(yōu)化了蓄電池工作環(huán)境，系統(tǒng)中的核心就是能力儲備裝置，也是負(fù)責(zé)與負(fù)載對接的裝置部分。超級電容器向蓄電池進(jìn)行能量傳遞的關(guān)鍵性控制點就在并聯(lián)控制器，實行控制管理是為了讓蓄電池始終處于良好的運行狀態(tài)，并減少充放電次數(shù)。

并聯(lián)控制器的類型有很多，每一種應(yīng)用與實際系統(tǒng)中的運行方案設(shè)計都會有一定差異性。眾多的并聯(lián)控制器在實際應(yīng)用中都被大致的分為兩種，即有源式和無源式，前者的儲能結(jié)構(gòu)中，超級電容器通過合理的運用DC/DC變換器功能，來完成蓄電池和負(fù)載之間所有能量傳輸，后者的儲能結(jié)構(gòu)中，電容器通過二極管保證蓄電池和負(fù)載的供電，結(jié)構(gòu)相對更簡單，但缺乏可控性。本文的分析是基于有源式儲能結(jié)構(gòu)展開的。

2控制環(huán)節(jié)設(shè)計

超級電容器的位置安排通常都是固定的，即充電和并聯(lián)兩個控制器之間，所以系統(tǒng)中控制器具有相互獨立性，可分別從兩個控制器入手對整個系統(tǒng)進(jìn)行全盤新的控制。充電控制器的控制力在很大程度上取決于超級電容器的端電壓，某些時候也會被蓄電池組地電壓電流的限制。要達(dá)到最大化的光伏發(fā)電利用率就就要讓充電控制器以MPPT方式運作，超級電容器在初始充電階段的端電壓并不是很高，這時注意充電控制器中的輸出電流要將其控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，提升電路和器件的安全性，在超級電容器充電工作電壓最高限制的時候，必須改變對充電控制器的控制模式，以恒壓輸出為主。

蓄電池很容易受到并聯(lián)控制器影響，需要綜合性的考慮系統(tǒng)容量配置、蓄電池型別和氣候條件等多方面因素。在控制方案的設(shè)計中，基于獨立光伏系統(tǒng)的特點提高對因日照亮變化而出現(xiàn)的光伏發(fā)電功率波動的重視，一定要將這一個影響因素考慮進(jìn)去，尤其是負(fù)載功率脈動。在實時性監(jiān)測蓄電池雙邊電壓的環(huán)節(jié)中，如果超出了高壓保護(hù)的系統(tǒng)運行標(biāo)準(zhǔn)值，并聯(lián)控制器就會自動轉(zhuǎn)換電流輸出方式，一種是涓流輸出，另一種是恒壓輸出，如果出現(xiàn)了低于設(shè)定額定值，同時還出現(xiàn)了蓄電池電壓偏低的情況時，需要立即斷開負(fù)載，減少超級電容器的充電途徑，只保留蓄電池這一個充電功能[2];倘若蓄電池的電壓超出了系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)值，就要同時加強(qiáng)并聯(lián)控制器和超級電容器之中的輸出電流控制;如果蓄電池的端壓超出了設(shè)定保護(hù)紙，同時還出現(xiàn)了超級電容器端壓也偏高的情況，充電控制器要在退出MPPT模式后轉(zhuǎn)為限流輸出。充電控制器的工作方式較為固定，常規(guī)模式下都是MPPT，并聯(lián)控制器為恒流輸出。對負(fù)載電流值進(jìn)行實時監(jiān)測并相加于優(yōu)化后的蓄電池充電電流，將總值用以并聯(lián)控制器的輸出電流設(shè)計中，由此得出更加標(biāo)準(zhǔn)和適宜系統(tǒng)運行的并聯(lián)控制器驅(qū)動信號。

這種控制策略能最大化地發(fā)揮超級電容器具有的高功率密度和強(qiáng)大儲能能力的優(yōu)勢，充電電流的吸收往往會在光伏發(fā)電功率超出系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)值的時候朝向超級電容器;在負(fù)載功率脈動時又能在超級電容器的作用下聯(lián)合并聯(lián)控制器，共同完成脈動電流的輸出運行。蓄電池普通情況下都不會受外界因素影響，尤其是負(fù)載公路脈動頻率和光伏發(fā)電量的量值，處于一個穩(wěn)定的充電狀態(tài)中。

并聯(lián)控制器的兩端電壓設(shè)置也非常重要，具有合理性的設(shè)置能大大降低蓄電池出現(xiàn)充放電循環(huán)次數(shù)。將停止電壓（Ustop）的值設(shè)置為小于電壓（Ustart），這樣就能保證光伏發(fā)電在中斷后或者處于很低狀態(tài)時，超級電容器就會放電直到端壓到達(dá)Ustop為止，從側(cè)面入手讓并聯(lián)控制器的運行時長得到很大幅度的延伸，將光伏因素對蓄電池儲能效率的影響降到最低。

3結(jié)束語

總而言之，結(jié)合蓄電池和超級電容器的混合式儲能方式可以在很大程度上提升儲能系統(tǒng)的性能，在具有可再生性能源發(fā)電的光伏系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用價值。本文圍繞獨立光伏系統(tǒng)，就簡要的從系統(tǒng)結(jié)合和控制環(huán)節(jié)探討了超級電容器蓄電池混合儲能系統(tǒng)的設(shè)計，并就關(guān)鍵節(jié)點提出了對應(yīng)的控制策略。

參考文獻(xiàn)

[1] 聶齊齊，張建成，王寧.獨立光伏供電系統(tǒng)中多儲能單元協(xié)調(diào)控制策略的研究[J].可再生能源，2018（3）：340-345.

[2] 馮玉斌.超級電容——蓄電池混合儲能系統(tǒng)及其在微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2018.