混合儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏系統(tǒng)充電控制研究
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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。