混合儲能的獨立光伏系統充電控制研究

摘要：超級電容的功率密度大，循環(huán)壽命長(cháng)，很適合與能量密度大的蓄電池相結合，共同組成獨立式光伏發(fā)電系統的儲能部分。在此分析比較了兩種儲能器件的各項參數，針對光伏發(fā)電系統的特點(diǎn)，提出了一種應用于蓄電池與超級電容混合儲能系統的充電控制方案。通過(guò)監視系統供電狀態(tài)，減少蓄電池不必要的接入，達到延長(cháng)蓄電池循環(huán)壽命的目的。實(shí)驗結果表明，蓄電池與超級電容混合儲能明顯提高了系統的瞬時(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，有效延長(cháng)了蓄電池的使用壽命。
關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；獨立系統；混合儲能

1 引言
隨著(zhù)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。特別是遠離城市及電網(wǎng)的地區，獨立式光伏發(fā)電系統可得到很好的應用。鑒于太陽(yáng)能發(fā)電的不穩定性，有必要設計儲能裝置以提高系統供電的可靠性。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(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)一步導致使用壽命縮短。超級電容的功率密度大，循環(huán)壽命長(cháng)，這些特點(diǎn)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)電系統的儲能設備。

2 系統結構
圖1示出獨立式光伏發(fā)電系統整體結構，光伏電池通過(guò)一個(gè)DC／DC變換電路，實(shí)現最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制。蓄電池和超級電容經(jīng)雙向DC／DC變換器與系統連接，既可在能量富余時(shí)儲存系統多余電能，又可在光照不足時(shí)向負載供電。

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導通功能。通常，蓄電池和超級電容的額定電壓低于系統主電路上的電壓，充電時(shí)需要先進(jìn)行降壓處理，Buck電路可較好地滿(mǎn)足要求：儲能系統對外提供電能時(shí)，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(gè)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的通斷由系統控制。這樣兩種儲能裝置可隨時(shí)接入主電路或斷開(kāi)連接，使系統對儲能裝置的控制更加靈活方便。

整個(gè)獨立式光伏發(fā)電系統中，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(cháng)蓄電池的壽命是系統設計時(shí)需考慮的重要問(wèn)題。
系統控制部分在設計時(shí)的一個(gè)重要出發(fā)點(diǎn)是使蓄電池長(cháng)期保持在較高荷電狀態(tài)，減少蓄電池充放電循環(huán)次數。因此，在工作過(guò)程中，系統優(yōu)先為蓄電池進(jìn)行充電，并且只有在電容儲存的能量不足時(shí)，蓄電池才會(huì )向負載供電。