李少林，姚國(guó)興
(華南理工大學(xué)電力學(xué)院綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640)
摘要：提出一種風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電中的超級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。充分利用蓄電池能量密度大和超級(jí)電容器功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，大大提升了儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能。建立了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的模型和控制環(huán)節(jié)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在發(fā)電功率和負(fù)載功率脈動(dòng)時(shí)，蓄電池能夠工作在優(yōu)化的充放電狀態(tài)，有效減少了充放電循環(huán)次數(shù)。延長(zhǎng)了使用壽命，提高了系統(tǒng)的工作效率。該系統(tǒng)對(duì)解決新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能問(wèn)題，具有十分重要意義。
1引 言
電能的儲(chǔ)存及管理在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中很重要。目前，在該系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的儲(chǔ)能裝置是鉛酸蓄電池，但它存在如循環(huán)壽命短、功率密度低、維護(hù)量大等一些難以克服的缺點(diǎn)，占整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)成本很高。而風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)存在輸入能量極不穩(wěn)定，間隙性大等特性。會(huì)導(dǎo)致蓄電池過(guò)早失效或容量損失，進(jìn)一步加大了發(fā)電系統(tǒng)的成本。這是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。
超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能器件。它兼有常規(guī)電容器功率密度大、充電電池能量密度高的優(yōu)點(diǎn)?？煽焖俪浞烹娗覊勖L(zhǎng)，表現(xiàn)出卓越的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)。但目前超級(jí)電容器的能量密度偏低。實(shí)現(xiàn)大容量?jī)?chǔ)能較為困難。若將超級(jí)電容器與蓄電池混合使用，使蓄電池能量密度大和超級(jí)電容器功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)相結(jié)合，將會(huì)大大提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能。超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)使用。能增大儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率，降低蓄電池內(nèi)部損耗，延長(zhǎng)放電時(shí)間，增加使用壽命。還可縮小儲(chǔ)能裝置的體積。以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電中超級(jí)電容器蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象。分析其模型、控制策略和運(yùn)行特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了系統(tǒng)效率、混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電效率以及對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性作用和對(duì)負(fù)載的平滑能力。
2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)受氣候等自然因素的影響。其發(fā)電輸出功率具有不穩(wěn)定和不可預(yù)測(cè)性。主要表現(xiàn)為輸出電流的波動(dòng)。充電電流過(guò)大，蓄電池會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象。會(huì)使極板活性物質(zhì)脫落。還會(huì)使溫升和出氣加重。同樣，大電流放電會(huì)使蓄電池極板彎曲變形。過(guò)大電壓跌落會(huì)導(dǎo)致蓄電池不正常關(guān)斷。此外，由于發(fā)電功率的間斷或不足。蓄電池常處于充放電電流小的狀態(tài)。加快了老化進(jìn)程，縮短了循環(huán)使用壽命。配置一定容量的超級(jí)電容器，并通過(guò)控制器控制超級(jí)電容器向蓄電池的能量流動(dòng)過(guò)程，可充分發(fā)揮超級(jí)電容器功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化蓄電池的充放電電流：還可利用超級(jí)電容器的儲(chǔ)能能力，減少充放電循環(huán)次數(shù)?；诖?，提出基于超級(jí)電容器蓄電池混合儲(chǔ)能的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
超級(jí)電容器與蓄電池的并聯(lián)方式一般有直接并聯(lián)、通過(guò)電感器并聯(lián)以及通過(guò)功率變換器并聯(lián)3種。前兩種為無(wú)源式結(jié)構(gòu)，第3種為有源式結(jié)構(gòu)。有源式儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)中。系統(tǒng)配置和控制設(shè)計(jì)上有較大的靈活性，有效提升了儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能。在此主要對(duì)有源式結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究。
3系統(tǒng)模型分析及控制策略
3.1模型分析
為簡(jiǎn)化分析，可將蓄電池簡(jiǎn)化為理想電壓源，超級(jí)電容器簡(jiǎn)化為理想電容器與其等效內(nèi)阻串聯(lián)結(jié)構(gòu)。因主要研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。所以對(duì)其并聯(lián)的等效內(nèi)阻可不予考慮。
超級(jí)電容器與蓄電池通過(guò)Buck—Boost型雙向功率變換器并聯(lián)，輸入電壓玩通過(guò)Buck電路給儲(chǔ)能系統(tǒng)供電。圖2示出系統(tǒng)等效模型。
3.2系統(tǒng)的控制策略
蓄電池與超級(jí)電容器并聯(lián)連接。并聯(lián)控制器主要任務(wù)是控制充放電電流、放電深度、循環(huán)工作次數(shù)等。因此。對(duì)其控制過(guò)程的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的關(guān)鍵，要綜合考慮多方面因素的影響。如混合儲(chǔ)能裝置的容量配置、氣候條件、負(fù)荷狀況等，重點(diǎn)考慮因日照強(qiáng)度和風(fēng)力大小等環(huán)境因素的變化所導(dǎo)致的發(fā)電功率的波動(dòng)。以及負(fù)載功率脈動(dòng)對(duì)蓄電池的影響。
在控制系統(tǒng)中共有3路信號(hào)采集。即蓄電池端電壓、超級(jí)電容器端電壓和電感電流。系統(tǒng)采用雙環(huán)控制。外環(huán)電壓環(huán)通過(guò)采樣負(fù)載輸出電壓。與參考電壓比較得到誤差信號(hào)。內(nèi)環(huán)電流環(huán)通過(guò)采樣輸入電流與電流環(huán)給定值相比較。經(jīng)電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生變化的占空比，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)管。控制器系統(tǒng)模型如圖3所示。
采用這種控制策略?？梢猿浞职l(fā)揮超級(jí)電容器能量密度大、功率密度大、儲(chǔ)能效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池的發(fā)電功率很大時(shí)，超級(jí)電容器吸收大部分電能并儲(chǔ)存起來(lái)。并在系統(tǒng)輸出功率低時(shí)釋放出來(lái)；當(dāng)負(fù)載功率發(fā)生脈動(dòng)時(shí)。超級(jí)電容器通過(guò)控制器系統(tǒng)及時(shí)輸出電流，使蓄電池的充電過(guò)程小受影響。這樣，可使蓄電池始終處于優(yōu)化的充放電工作狀態(tài)。受外界因素的影響很小，改善了蓄電池的工作環(huán)境。減少了蓄電池的充放電次數(shù)，延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
圖6a示出當(dāng)該風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)蓄電池作為單獨(dú)儲(chǔ)能裝置。輸入電流波動(dòng)時(shí)蓄電池的響應(yīng)。由圖可見(jiàn)。輸入電流波動(dòng)對(duì)蓄電池電流的影響很大。圖6b示出超級(jí)電容器、蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中。輸入電流波動(dòng)時(shí)蓄電池的響應(yīng)。由圖可知，雖然輸入功率發(fā)生了較大的波動(dòng)。但由于超級(jí)電容器是高功率密度。對(duì)脈動(dòng)電流有一定的平滑作用。圖6c示出超級(jí)電容器、蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，負(fù)載脈動(dòng)時(shí)蓄電池的響應(yīng)，可見(jiàn)，當(dāng)負(fù)載脈動(dòng)時(shí)，因?yàn)槌?jí)電容器承擔(dān)了大部分負(fù)載電流，蓄電池波動(dòng)比較小。圖6d示出風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中。輸入功率和輸出功率都有較大的波動(dòng)時(shí)蓄電池的響應(yīng)。不難看出，蓄電池的輸出電流雖有一定的波動(dòng)，但波動(dòng)不是很大。超級(jí)電容器和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能起到平滑的作用?；旧夏軌蜻_(dá)到預(yù)期的效果。
5結(jié) 論
提出一種應(yīng)用于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的超級(jí)電容器和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。并通過(guò)一個(gè)并聯(lián)的Buck。Boost型DC／DC變換器傳輸能量。分析其數(shù)學(xué)模型。證明超級(jí)電容器在該風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的作用。并在此基礎(chǔ)上提出一種簡(jiǎn)單實(shí)用的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制方法。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在負(fù)載脈動(dòng)和輸入波動(dòng)較大時(shí)。超級(jí)電容器都能起到一定的濾波作用。蓄電池的充放電電流能夠保持在較平滑的水平。減少了蓄電池的充放電次數(shù)，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。同時(shí)也提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步?；旌蟽?chǔ)能技術(shù)將在新能源發(fā)電系統(tǒng)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
