混合儲能的獨立光伏系統(tǒng)充電控制研究

摘要：超級電容的功率密度大，循環(huán)壽命長，很適合與能量密度大的蓄電池相結合，共同組成獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能部分。在此分析比較了兩種儲能器件的各項參數(shù)，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點，提出了一種應用于蓄電池與超級電容混合儲能系統(tǒng)的充電控制方案。通過監(jiān)視系統(tǒng)供電狀態(tài)，減少蓄電池不必要的接入，達到延長蓄電池循環(huán)壽命的目的。實驗結果表明，蓄電池與超級電容混合儲能明顯提高了系統(tǒng)的瞬時功率輸出，降低了蓄電池的電流脈動，并減少其充放電循環(huán)次數(shù)，有效延長了蓄電池的使用壽命。
關鍵詞：光伏發(fā)電；獨立系統(tǒng)；混合儲能

1 引言
    隨著化石能源的不斷枯竭，可再生能源逐漸得到重視，其中太陽能是研究重點之一。特別是遠離城市及電網(wǎng)的地區(qū)，獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)可得到很好的應用。鑒于太陽能發(fā)電的不穩(wěn)定性，有必要設計儲能裝置以提高系統(tǒng)供電的可靠性。鉛酸蓄電池是目前最常用的儲能裝置，具有低成本、高能量密度的特點，但也存在充放電電流有限、循環(huán)壽命短的問題。由于光伏電池的輸出隨環(huán)境變化較大，惡劣的充電環(huán)境使得蓄電池常處于深放電和欠充電的狀態(tài)，進一步導致使用壽命縮短。超級電容的功率密度大，循環(huán)壽命長，這些特點可彌補蓄電池的不足，因此超級電容很適合與蓄電池共同組成獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能設備。

2 系統(tǒng)結構
    圖1示出獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結構，光伏電池通過一個DC／DC變換電路，實現(xiàn)最大功率點跟蹤(MPPT)控制。蓄電池和超級電容經(jīng)雙向DC／DC變換器與系統(tǒng)連接，既可在能量富余時儲存系統(tǒng)多余電能，又可在光照不足時向負載供電。

    圖2示出雙向Buck-Boost變換器，通過在IGBT上反并聯(lián)二極管，使得變換器具有雙向?qū)üδ?。通常，蓄電池和超級電容的額定電壓低于系統(tǒng)主電路上的電壓，充電時需要先進行降壓處理，Buck電路可較好地滿足要求：儲能系統(tǒng)對外提供電能時，需要利用Boost電路將電壓升高到相應值才能接入主電路。蓄電池和超級電容的電路上各自接有一個開關，開關的通斷由系統(tǒng)控制。這樣兩種儲能裝置可隨時接入主電路或斷開連接，使系統(tǒng)對儲能裝置的控制更加靈活方便。

    整個獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池成本所占比重較大，充電環(huán)境不佳會縮短蓄電池壽命，使蓄電池更換周期變短，進而增加系統(tǒng)的總成本。由于外界環(huán)境的變化直接影響電池板的輸出能量大小，在保證負載正常運行的前提下，優(yōu)化充電控制，充分利用有限的資源，盡量延長蓄電池的壽命是系統(tǒng)設計時需考慮的重要問題。
    系統(tǒng)控制部分在設計時的一個重要出發(fā)點是使蓄電池長期保持在較高荷電狀態(tài)，減少蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)。因此，在工作過程中，系統(tǒng)優(yōu)先為蓄電池進行充電，并且只有在電容儲存的能量不足時，蓄電池才會向負載供電。

3 充電控制方案
    如果光伏電池的輸出功率大于負載吸收的功率，則在滿足負載的同時，總是先利用多余的電能將蓄電池充滿，之后再考慮對超級電容進行充電；如果光伏電池的輸出功率小于負載吸收的功率，則優(yōu)先由超級電容輔助供電，只有在超級電容的電量低于某個值后，蓄電池才接入系統(tǒng)開始供電。歸納起來，系統(tǒng)共有以下6種運行模式：
    模式1 光伏電池輸出功率大于負載功率，蓄電池和超級電容的電量接近100％。此時斷開蓄電池，由光伏電池直接向負載供電；超級電容接入電路，以提高系統(tǒng)峰值功率，減小輸出電流脈動。
    模式2 光伏電池的輸出功率大于負載功率，蓄電池的電量接近100％，超級電容的電量不滿。此時光伏電池向負載供電的同時為超級電容充電，蓄電池保持斷開。
    模式3 光伏電池的輸出功率大于負載功率，蓄電池和超級電容均未充滿。此時，秉著蓄電池先充后放的原則，光伏電池向負載供電的同時為蓄電池充電，斷開超級電容以盡快使蓄電池達到滿電狀態(tài)。待蓄電池充滿后系統(tǒng)自動進入模式2。
    模式4 光伏電池的輸出功率小于負載功率，超級電容的電量高于閾值(此處設置為25％)。此時由光伏電池和超級電容共同向負載供電，蓄電池保持斷開。
    模式5 光伏電池輸出功率小于負載功率，超級電容的電量低于閾值，蓄電池的電量高于閾值(此處設置為30％)。此時蓄電池接入電路，由光伏電池、超級電容和蓄電池共同為負載供電。
    模式6 光伏電池輸出功率小于負載功率，蓄電池的電量低于閾值。此時系統(tǒng)無法為負載提供足夠的功率，需斷開負載以保護蓄電池和負載，防止系統(tǒng)工作異常。
    理論上系統(tǒng)還存在著其他運行狀態(tài)，如光伏電池輸出功率小于負載功率，超級電容的電量高于25％，而蓄電池電量低于30％的情況。這些狀態(tài)在系統(tǒng)正常運行時不會出現(xiàn)，在此不再單獨列出。但在系統(tǒng)控制設計時需將所有理論上可能出現(xiàn)的狀態(tài)加以考慮，以保證系統(tǒng)在進入異常狀態(tài)后能自動回到6種正常的工作模式下運行。

4 充電模式
    由上述分析可知，在同一時刻，系統(tǒng)只會對蓄電池和超級電容中的一個進行充電。因此在充電控制時可充分考慮兩種儲能器件各自的性能特點，分別使用不同的充電方式且不會相互影響，從而提高系統(tǒng)的充電效率。
4．1 蓄電池
    蓄電池的充電方式直接影響系統(tǒng)效率以及蓄電池本身的使用壽命，目前常用的充電方式主要有恒流充電、恒壓充電、階段充電和脈沖式充電等。他們都有各自的特點和適用范圍。此處采用的是應用較廣泛的階段式充電法。
    以12 V，1．5 Ah蓄電池充電過程為例，其充電過程如圖3所示。

    充電初期，蓄電池一般處于低荷電狀態(tài)，若直接使用恒壓充電，充電電流高達40 A以上，容易造成蓄電池極板彎曲，以及極板上活性物質(zhì)脫落，進而縮短電池的壽命。因此應首先采用恒流充電方式，以限制系統(tǒng)的充電電流。在蓄電池儲存了一定電量，電動勢有所升高后，系統(tǒng)將充電電壓穩(wěn)定在14．1 V，進入恒壓充電的第2階段。恒壓充電方式的充電過程更接近蓄電池的最佳充電曲線，既擁有較高的充電速率，又不損害蓄電池的容量和壽命。與此同時，保持電壓恒定還可避免蓄電池在充電末期因內(nèi)阻升高產(chǎn)生高電壓，從而減少析氣的發(fā)生。在蓄電池達到指定電壓后，系統(tǒng)會進入第3階段，對蓄電池施加一個略高于額定值的電壓，以很小的電流對蓄電池進行浮充電，用于彌補蓄電池自放電造成的電量損失。
4．2 超級電容
    超級電容的充放電速度快，循環(huán)壽命長。要充分發(fā)揮這些優(yōu)勢，需在系統(tǒng)運行時盡量提高超級電容的充電速率，使其電量能保持在一個較高的荷電水平，從而更好地發(fā)揮其自身作用。

    此處對超級電容采用恒流充電、恒功率充電和恒壓充電相結合的方式。以額定電壓2．7 V，容量1．5 F，最大直流內(nèi)阻0．2Ω的超級電容為例，其充電過程如圖4所示。充電初期，對超級電容使用0．5 A恒流充電，防止初期充電電流過大；在超級電容電壓升高到1．7 V后，系統(tǒng)進入恒功率充電模式。此時充電功率始終維持在0．8 W。恒功率充電既可保證充電的快速性，又充分利用了光伏電池有限的資源，提高了系統(tǒng)充電效率；在超級電容端電壓達到2．7 V的額定值后，系統(tǒng)進入恒壓充電模式，以補償超級電容的白放電損失。

5 實驗結果分析
    選用15個2．7 V，650 F，直流內(nèi)阻3 mΩ的超級電容，每5個串聯(lián)一組，三組相互并聯(lián)，組成13．5 V，390 F，直流內(nèi)阻5 mΩ的超級電容組。再與12 V，1．5 Ah的閥控鉛酸蓄電池并聯(lián)，構成了混合儲能系統(tǒng)，為脈動負載提供電流。

    由圖5a所示，脈沖負載每5 s一個周期，脈沖電流為1 A，持續(xù)時間約為1 s。由圖5b可見，在脈動的負載下，超級電容輸出電流峰值約為0．8 A。由圖5c可見，蓄電池輸出的峰值電流僅為0．2 A。隨著實驗時間的延長，超級電容的電流會逐漸下降，蓄電池電流相應提高。這主要是因為隨著超級電容的電量不斷減少，其供電能力也會相應降低。因此，盡量使超級電容儲存的能量保持在較高水平可使其更好地發(fā)揮作用。

6 結論
    實驗證明，混合儲能系統(tǒng)運行時，超級電容承擔了大部分功率輸出；蓄電池輸出電流減小，脈動負載對蓄電池影響也減小。實驗表明，混合儲能結構可明顯提高系統(tǒng)瞬時功率輸出的能力，有效減小了系統(tǒng)中出現(xiàn)的紋波，減輕了因放電電流過大造成的蓄電池提前失效的問題。通過設定蓄電池接入系統(tǒng)條件，利用超級電容代替蓄電池進行小規(guī)模放電，減少了蓄電池的充放電小循環(huán)，從而延長了蓄電池的使用壽命，降低了系統(tǒng)成本。