李少林，姚國興
(華南理工大學(xué)電力學(xué)院綠色能源技術(shù)重點實驗室，廣東廣州510640)
摘要：提出一種風(fēng)光互補發(fā)電中的超級電容器與蓄電池混合儲能系統(tǒng)。充分利用蓄電池能量密度大和超級電容器功率密度大、循環(huán)壽命長的優(yōu)點，大大提升了儲能系統(tǒng)的性能。建立了混合儲能系統(tǒng)的模型和控制環(huán)節(jié)，并進(jìn)行實驗，結(jié)果表明，在發(fā)電功率和負(fù)載功率脈動時，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)。延長了使用壽命，提高了系統(tǒng)的工作效率。該系統(tǒng)對解決新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能問題，具有十分重要意義。
1引 言
電能的儲存及管理在風(fēng)光互補發(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，占整個發(fā)電系統(tǒng)成本很高。而風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)存在輸入能量極不穩(wěn)定，間隙性大等特性。會導(dǎo)致蓄電池過早失效或容量損失，進(jìn)一步加大了發(fā)電系統(tǒng)的成本。這是風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)亟待解決的問題。
超級電容器是一種新型儲能器件。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?？煽焖俪浞烹娗覊勖L，表現(xiàn)出卓越的儲能優(yōu)勢。但目前超級電容器的能量密度偏低。實現(xiàn)大容量儲能較為困難。若將超級電容器與蓄電池混合使用，使蓄電池能量密度大和超級電容器功率密度大、循環(huán)壽命長的特點相結(jié)合，將會大大提高儲能系統(tǒng)的性能。超級電容器與蓄電池并聯(lián)使用。能增大儲能系統(tǒng)的功率，降低蓄電池內(nèi)部損耗，延長放電時間，增加使用壽命。還可縮小儲能裝置的體積。以風(fēng)光互補發(fā)電中超級電容器蓄電池混合儲能系統(tǒng)為研究對象。分析其模型、控制策略和運行特性。通過實驗研究了系統(tǒng)效率、混合儲能系統(tǒng)充放電效率以及對系統(tǒng)的穩(wěn)定性作用和對負(fù)載的平滑能力。
2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
風(fēng)光互補發(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)測性。主要表現(xiàn)為輸出電流的波動。充電電流過大，蓄電池會發(fā)生極化現(xiàn)象。會使極板活性物質(zhì)脫落。還會使溫升和出氣加重。同樣，大電流放電會使蓄電池極板彎曲變形。過大電壓跌落會導(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電容器，并通過控制器控制超級電容器向蓄電池的能量流動過程，可充分發(fā)揮超級電容器功率密度大的優(yōu)點，優(yōu)化蓄電池的充放電電流：還可利用超級電容器的儲能能力，減少充放電循環(huán)次數(shù)?；诖?，提出基于超級電容器蓄電池混合儲能的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
超級電容器與蓄電池的并聯(lián)方式一般有直接并聯(lián)、通過電感器并聯(lián)以及通過功率變換器并聯(lián)3種。前兩種為無源式結(jié)構(gòu)，第3種為有源式結(jié)構(gòu)。有源式儲能結(jié)構(gòu)中。系統(tǒng)配置和控制設(shè)計上有較大的靈活性，有效提升了儲能系統(tǒng)的性能。在此主要對有源式結(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
為簡化分析，可將蓄電池簡化為理想電壓源，超級電容器簡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)動態(tài)性能。所以對其并聯(lián)的等效內(nèi)阻可不予考慮。
超級電容器與蓄電池通過Buck—Boost型雙向功率變換器并聯(lián)，輸入電壓玩通過Buck電路給儲能系統(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。對其控制過程的設(shè)計是系統(tǒng)的關(guān)鍵，要綜合考慮多方面因素的影響。如混合儲能裝置的容量配置、氣候條件、負(fù)荷狀況等，重點考慮因日照強度和風(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。以及負(fù)載功率脈動對蓄電池的影響。
在控制系統(tǒng)中共有3路信號采集。即蓄電池端電壓、超級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)通過采樣負(fù)載輸出電壓。與參考電壓比較得到誤差信號。內(nèi)環(huán)電流環(huán)通過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，通過調(diào)節(jié)PWM來控制功率開關(guān)管?？刂破飨到y(tǒng)模型如圖3所示。
采用這種控制策略?？梢猿浞职l(fā)揮超級電容器能量密度大、功率密度大、儲能效率高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池的發(fā)電功率很大時，超級電容器吸收大部分電能并儲存起來。并在系統(tǒng)輸出功率低時釋放出來；當(dāng)負(fù)載功率發(fā)生脈動時。超級電容器通過控制器系統(tǒng)及時輸出電流，使蓄電池的充電過程小受影響。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)，延長了蓄電池使用壽命。
4實驗結(jié)果及分析
圖6a示出當(dāng)該風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)蓄電池作為單獨儲能裝置。輸入電流波動時蓄電池的響應(yīng)。由圖可見。輸入電流波動對蓄電池電流的影響很大。圖6b示出超級電容器、蓄電池混合儲能系統(tǒng)中。輸入電流波動時蓄電池的響應(yīng)。由圖可知，雖然輸入功率發(fā)生了較大的波動。但由于超級電容器是高功率密度。對脈動電流有一定的平滑作用。圖6c示出超級電容器、蓄電池混合儲能系統(tǒng)中，負(fù)載脈動時蓄電池的響應(yīng)，可見，當(dāng)負(fù)載脈動時，因為超級電容器承擔(dān)了大部分負(fù)載電流，蓄電池波動比較小。圖6d示出風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中。輸入功率和輸出功率都有較大的波動時蓄電池的響應(yīng)。不難看出，蓄電池的輸出電流雖有一定的波動，但波動不是很大。超級電容器和蓄電池混合儲能系統(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)光互補發(fā)電系統(tǒng)中的超級電容器和蓄電池混合儲能系統(tǒng)。并通過一個并聯(lián)的Buck。Boost型DC／DC變換器傳輸能量。分析其數(shù)學(xué)模型。證明超級電容器在該風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)中的作用。并在此基礎(chǔ)上提出一種簡單實用的混合儲能系統(tǒng)的控制方法。最后，通過實驗證明，在負(fù)載脈動和輸入波動較大時。超級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)，延長了蓄電池的使用壽命。同時也提高了整個系統(tǒng)的工作效率。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步?；旌蟽δ芗夹g(shù)將在新能源發(fā)電系統(tǒng)、電動汽車等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
