混合儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏系統(tǒng)充電控制研究

摘要：超級(jí)電容的功率密度大，循環(huán)壽命長(zhǎng)，很適合與能量密度大的蓄電池相結(jié)合，共同組成獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能部分。在此分析比較了兩種儲(chǔ)能器件的各項(xiàng)參數(shù)，針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種應(yīng)用于蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)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(dá)到延長(zhǎng)蓄電池循環(huán)壽命的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能明顯提高了系統(tǒng)的瞬時(shí)功率輸出，降低了蓄電池的電流脈動(dòng)，并減少其充放電循環(huán)次數(shù)，有效延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。
關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；獨(dú)立系統(tǒng)；混合儲(chǔ)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(yáng)能是研究重點(diǎn)之一。特別是遠(yuǎn)離城市及電網(wǎng)的地區(qū)，獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)可得到很好的應(yīng)用。鑒于太陽(yáng)能發(fā)電的不穩(wěn)定性，有必要設(shè)計(jì)儲(chǔ)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(chǔ)能裝置，具有低成本、高能量密度的特點(diǎn)，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(jìn)一步導(dǎo)致使用壽命縮短。超級(jí)電容的功率密度大，循環(huán)壽命長(zhǎng)，這些特點(diǎn)可彌補(bǔ)蓄電池的不足，因此超級(jí)電容很適合與蓄電池共同組成獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    圖1示出獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，光伏電池通過一個(gè)DC／DC變換電路，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制。蓄電池和超級(jí)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(shí)儲(chǔ)存系統(tǒng)多余電能，又可在光照不足時(shí)向負(fù)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?jí)電容的額定電壓低于系統(tǒng)主電路上的電壓，充電時(shí)需要先進(jìn)行降壓處理，Buck電路可較好地滿足要求：儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)外提供電能時(shí)，需要利用Boost電路將電壓升高到相應(yīng)值才能接入主電路。蓄電池和超級(jí)電容的電路上各自接有一個(gè)開關(guān)，開關(guān)的通斷由系統(tǒng)控制。這樣兩種儲(chǔ)能裝置可隨時(shí)接入主電路或斷開連接，使系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能裝置的控制更加靈活方便。

    整個(gè)獨(dú)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(huì)縮短蓄電池壽命，使蓄電池更換周期變短，進(jìn)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(fù)載正常運(yùn)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(zhǎng)蓄電池的壽命是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的重要問題。
    系統(tǒng)控制部分在設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要出發(fā)點(diǎn)是使蓄電池長(zhǎng)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(jìn)行充電，并且只有在電容儲(chǔ)存的能量不足時(shí)，蓄電池才會(huì)向負(fù)載供電。[!--empirenews.page--]

3 充電控制方案
    如果光伏電池的輸出功率大于負(fù)載吸收的功率，則在滿足負(fù)載的同時(shí)，總是先利用多余的電能將蓄電池充滿，之后再考慮對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電；如果光伏電池的輸出功率小于負(fù)載吸收的功率，則優(yōu)先由超級(jí)電容輔助供電，只有在超級(jí)電容的電量低于某個(gè)值后，蓄電池才接入系統(tǒng)開始供電。歸納起來(lái)，系統(tǒng)共有以下6種運(yùn)行模式：
    模式1 光伏電池輸出功率大于負(fù)載功率，蓄電池和超級(jí)電容的電量接近100％。此時(shí)斷開蓄電池，由光伏電池直接向負(fù)載供電；超級(jí)電容接入電路，以提高系統(tǒng)峰值功率，減小輸出電流脈動(dòng)。
    模式2 光伏電池的輸出功率大于負(fù)載功率，蓄電池的電量接近100％，超級(jí)電容的電量不滿。此時(shí)光伏電池向負(fù)載供電的同時(shí)為超級(jí)電容充電，蓄電池保持?jǐn)嚅_。
    模式3 光伏電池的輸出功率大于負(fù)載功率，蓄電池和超級(jí)電容均未充滿。此時(shí)，秉著蓄電池先充后放的原則，光伏電池向負(fù)載供電的同時(shí)為蓄電池充電，斷開超級(jí)電容以盡快使蓄電池達(dá)到滿電狀態(tài)。待蓄電池充滿后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入模式2。
    模式4 光伏電池的輸出功率小于負(fù)載功率，超級(jí)電容的電量高于閾值(此處設(shè)置為25％)。此時(shí)由光伏電池和超級(jí)電容共同向負(fù)載供電，蓄電池保持?jǐn)嚅_。
    模式5 光伏電池輸出功率小于負(fù)載功率，超級(jí)電容的電量低于閾值，蓄電池的電量高于閾值(此處設(shè)置為30％)。此時(shí)蓄電池接入電路，由光伏電池、超級(jí)電容和蓄電池共同為負(fù)載供電。
    模式6 光伏電池輸出功率小于負(fù)載功率，蓄電池的電量低于閾值。此時(shí)系統(tǒng)無(wú)法為負(fù)載提供足夠的功率，需斷開負(fù)載以保護(hù)蓄電池和負(fù)載，防止系統(tǒng)工作異常。
    理論上系統(tǒng)還存在著其他運(yùn)行狀態(tài)，如光伏電池輸出功率小于負(fù)載功率，超級(jí)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(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)，在此不再單獨(dú)列出。但在系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)入異常狀態(tài)后能自動(dòng)回到6種正常的工作模式下運(yùn)行。

4 充電模式
    由上述分析可知，在同一時(shí)刻，系統(tǒng)只會(huì)對(duì)蓄電池和超級(jí)電容中的一個(gè)進(jìn)行充電。因此在充電控制時(shí)可充分考慮兩種儲(chǔ)能器件各自的性能特點(diǎn)，分別使用不同的充電方式且不會(huì)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(diǎn)和適用范圍。此處采用的是應(yīng)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(dá)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(jìn)而縮短電池的壽命。因此應(yīng)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(chǔ)存了一定電量，電動(dòng)勢(shì)有所升高后，系統(tǒng)將充電電壓穩(wěn)定在14．1 V，進(jìn)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(shí)，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(dá)到指定電壓后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入第3階段，對(duì)蓄電池施加一個(gè)略高于額定值的電壓，以很小的電流對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充電，用于彌補(bǔ)蓄電池自放電造成的電量損失。[!--empirenews.page--]
4．2 超級(jí)電容
    超級(jí)電容的充放電速度快，循環(huán)壽命長(zhǎng)。要充分發(fā)揮這些優(yōu)勢(shì)，需在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)盡量提高超級(jí)電容的充電速率，使其電量能保持在一個(gè)較高的荷電水平，從而更好地發(fā)揮其自身作用。

    此處對(duì)超級(jí)電容采用恒流充電、恒功率充電和恒壓充電相結(jié)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(jí)電容為例，其充電過程如圖4所示。充電初期，對(duì)超級(jí)電容使用0．5 A恒流充電，防止初期充電電流過大；在超級(jí)電容電壓升高到1．7 V后，系統(tǒng)進(jìn)入恒功率充電模式。此時(shí)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(jí)電容端電壓達(dá)到2．7 V的額定值后，系統(tǒng)進(jìn)入恒壓充電模式，以補(bǔ)償超級(jí)電容的白放電損失。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    選用15個(gè)2．7 V，650 F，直流內(nèi)阻3 mΩ的超級(jí)電容，每5個(gè)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(jí)電容組。再與12 V，1．5 Ah的閥控鉛酸蓄電池并聯(lián)，構(gòu)成了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，為脈動(dòng)負(fù)載提供電流。

    由圖5a所示，脈沖負(fù)載每5 s一個(gè)周期，脈沖電流為1 A，持續(xù)時(shí)間約為1 s。由圖5b可見，在脈動(dòng)的負(fù)載下，超級(jí)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(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，超級(jí)電容的電流會(huì)逐漸下降，蓄電池電流相應(yīng)提高。這主要是因?yàn)殡S著超級(jí)電容的電量不斷減少，其供電能力也會(huì)相應(yīng)降低。因此，盡量使超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量保持在較高水平可使其更好地發(fā)揮作用。

6 結(jié)論
    實(shí)驗(yàn)證明，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，超級(jí)電容承擔(dān)了大部分功率輸出；蓄電池輸出電流減小，脈動(dòng)負(fù)載對(duì)蓄電池影響也減小。實(shí)驗(yàn)表明，混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)可明顯提高系統(tǒng)瞬時(shí)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(shè)定蓄電池接入系統(tǒng)條件，利用超級(jí)電容代替蓄電池進(jìn)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(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，降低了系統(tǒng)成本。