超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究

超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究.txt两个男人追一个女人用情浅的会先放弃。两个女人追一个男人用情深的会先放弃。╰︶￣—你的话，我连标点符号都不信男女授受不亲，中国哪来13亿人口。本文由LED1206贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。第２８卷第２期２０Ｃｒ７年２月太阳能学报ＡＣ】认ＥＮＥＲＧＩＡＥＳＯＩ．ＡＲＩｓＳＩＮＩＣＡＶ０１．２８．Ｎｏ．２Ｆｅｂ．．２００７超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究唐西胜１’２，武鑫１，齐智平１（１．中国科学院电工所，北京１０００８０；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９）摘要：建立了混合储能系统的数学模型，对系统性能的提升进行了定量分析。提出了一种无源式并联储能方案，并应用于独立光伏系统中，仿真和实验结果表明，在光伏系统的发电功率和负载功率脉动的情况下，蓄电池的充放电电流比较平滑。合理配置超级电容器组的容量，可以减少由于日照量变化所导致的蓄电池充放电小循环次数。对解决光伏等可再生能源系统中蓄电池储能的问题，具有现实意义。关键词：独立光伏系统；蓄电池；超级电容器；混合储能中图分类号：幡１０文献标识码：Ａ引言降低等。在光伏等可再生能源系统中，储能装置的不但要面临负载功率脉动的问题，还会经常处于发电功率不稳定或脉动的状态。超级电容器蓄电池混合储能在该领域具有较大的应用价值和发展潜力，但目前相关的研究或应用还很少。本文建立了混合储能的数学模型，定量地分析了超级电容器对储能装置峰值功率的提升作用；提出了一种无源式并联储能方案，并应用于独立光伏系统；通过仿真和实验，分析了超级电容器提高储能装置峰值功率、优化蓄电池充放电电流、减少充放电小循环次数等方面的作用和可行性。光伏发电受气候和环境的影响很大，输出功率具有不稳定性和不可预测性。独立光伏系统需要配置一定容量的储能装置，以确保负载用电的持续性和可靠性。目前，独立光伏系统，尤其是中小功率系统，一般以铅酸蓄电池作为储能装置。但蓄电池存在一些难以克服的缺点，如循环寿命短、严格的充放电电流限制、环境问题等，制约了独立光伏系统的大规模发展。蓄电池成本占系统造价的２０％～２５％。由于光伏系统工作环境和工作过程的特殊性，导致蓄电池过早失效或容量损失，进一步加大了光伏系统的成本。超级电容器因具有诸如功率密度高、循环寿命长、充放电效率高和无需维护等优点，正受到越来越多的关注。文献［１—７］介绍了超级电容器在电动汽车、分布式能源系统、ｕＰｓ电源、电能质量控制以及移动电子设备等领域的应用或研究。超级电容器的缺点是能量密度相对于蓄电池较低，目前还很难实现大容量的电力储能。如果将超级电容器与蓄电池混合使用，使蓄电池能量密度大和超级电容器功率密度大、循环寿命长的特点相结合，无疑会大大提升储能系统的性能。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：２００５一１０．２７１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．１Ｐａ瑚ＩｌｌｅｌＩｎｏｄｅｌｏｆｕｌｔ瑚Ｉｃａｐａｃｉｔｏｒ／ｂａ＿№ｒｙｈｙ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。１０ｉ（￡）＝，∑［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—Ｌ５ＳＪ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．２Ｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｈｙ晡ｄｕｎｄｅｒ叫ｓｅｐｏｗｅｒｃｏ础ｔｉｏｎ２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ｌｆ蓄电池组图３混合储能独立光伏系统结构示意图Ｆｉｇ．３Ｓｃｈｅｍｅｏｆｓｔａｎｄ－ａｌｏｎｅＰＶｓｙ吼ｅｍｗ油ｈｙ陆ｄｓｔｏｍｇｅ万方数据太阳能学报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．５Ｓｔａｔｅｍａｃ｝ｌｉｎｅｏｆｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｍｌｐｒｏｃｅｓｓ图４无源式并联储能结构Ｆｉｇ．４鼬ｕｃｔｕｒｅｏｆｐａ鼹ｉｖｅｈｙｂ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，如各部万方数据２期唐西胜等：超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究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—１．００２０００．００２００５．００２０１０．００２叭５．ｏｏ２０２０．００》■时间／ｓ图６储能系统在输入电流波动时的响应ｎｇ．６Ｈｙｂｄｄｒｅｓｐｏｎｓｅｗｉ血ｎｕｃｔ咖ｔｉｎｐｕｔｃｕｎ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．８Ｏｐｅｒ砒ｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｙｂＩｉｄｐｃｌｗｅｒｓｙｓｔ啪图９所示为日照量变化时，超级电容器组和蓄■２Ｏ∞∞∞∞ｊ｜