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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)
圖1示出獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，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堋Ｍǔ?，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。