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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)，開(kāi)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(kāi)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(wèn)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(guò)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。