一種基于超級電容器儲能的光伏控制器的實(shí)現

1 引 言

能源是人類(lèi)社會(huì )存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，能源日漸減少，并伴隨著(zhù)環(huán)境問(wèn)題日益突出，使得越來(lái)越多的國家把目光投向可再生能源。太陽(yáng)能作為重要能源之一，以其永不枯竭，無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的發(fā)展。但是太陽(yáng)能電池在其工作過(guò)程中，由于受環(huán)境(主要包括日照強度，溫度)的影響，其輸出具有明顯的非線(xiàn)性特性，造成電池與負載之間的不匹配，從而不能使太陽(yáng)能最大效率地轉化為電能輸出。為了實(shí)現光伏發(fā)電系統的功率輸出最大化，就需要對光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制，即MPPT(MaximumPower Point Tracking)控制。

在光伏控制技術(shù)上，MPPT控制方法有很多種，目前市場(chǎng)上常用的是使用CVT(恒定電壓跟蹤)控制技術(shù)的控制器，因為CVT法較為簡(jiǎn)單，制造相對也容易，但是此種控制技術(shù)帶來(lái)了較為嚴重的功率損失，相對于光伏電池價(jià)格的高昂以及電力電子技術(shù)的日益發(fā)展，顯得很不經(jīng)濟實(shí)用。

因此各種具有MPPT功能的光伏控制器逐漸發(fā)展起來(lái)，本文所設計控制器即是一種基于“電壓擾動(dòng)法”采用高性能單片機實(shí)現的小型光伏控制器，控制超級電容器充放電。

2 光伏電池的基本原理及其光伏特性

光伏電池是一種利用光生伏打效應把光能轉換為電能的器件，當太陽(yáng)光照射到半導體P-N結時(shí)，會(huì )在P-N結兩邊產(chǎn)生光生電壓，接上負載，就會(huì )產(chǎn)生電流。該電流與光照強度成正比，當接受的光強一定時(shí)，就可以將光伏電池看成是恒流源。光伏電池由于受外界環(huán)境(主要包括溫度，光照強度)的影響，使它的輸出具有明顯的非線(xiàn)性。

由圖1(a)和圖1(b)中光伏電池在標準溫度及標準光強下的P-V特性可以看出，光伏電池的輸出特性受環(huán)境變化影響很大，其中光照強度主要影響光伏電池電流，而光伏電池電壓主要受溫度影響，因此簡(jiǎn)單的CVT控制技術(shù)是不能滿(mǎn)足光伏電池最大功率輸出要求的，從而使得MPPT控制技術(shù)更加適用。

3 超級電容器儲能原理及等效電路模型

3.1 超級電容器儲能原理

超級電容器(Super-capacitor)是近年來(lái)出現的一種新型儲能器件，與常規電容器相比，其容量可達法拉級甚至數千法拉。它兼有常規電容器功率密度大，普通電池能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，并且具有充放電時(shí)間短，循環(huán)性能好，使用壽命長(cháng)，使用溫度范圍寬，對環(huán)境無(wú)污染等特點(diǎn)。因此，從某種意義上講，超級電容器有著(zhù)傳統電容器和電池的雙重功能，彌補了兩個(gè)傳統技術(shù)間的空白，因此具有很大的發(fā)展潛力。

超級電容器的能量?jì)Υ嬖陔p電層和電極內部。當用直流電源為超級電容器單體充電時(shí)，電解質(zhì)中的正、負離子取向聚集到固體電極表面，形成“電極／溶液”雙電層，用以貯存電荷。

超級電容器作為大功率物理二次電源，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域用途十分廣泛。超級電容器與蓄電池并聯(lián)使用可以作為混合型電動(dòng)車(chē)的加速或啟動(dòng)電源；可以用作光電功能電子手表和計算機存儲器等小型裝置的電源；在高壓變電站及開(kāi)關(guān)站中，超級電容器的使用保證了分閘能量供應的絕對可靠，同時(shí)保留了傳統電容儲能式硅整流分合閘裝置的優(yōu)點(diǎn)；除此之外，超級電容器在光伏發(fā)電中的應用也日益廣泛。本文利用超級電容器在光伏系統中的應用，設計了一種控制超級電容器充放電的最大功率控制器。

由于超級電容器單體電壓較低，本設計選用了5個(gè)參數為2 400 F，2.7 F的超級電容器，將它們串聯(lián)起來(lái)作為儲能器件使用，電容量為480 F，工作電壓范圍為3.5～13.5 V，此時(shí)，超級電容器組件可儲能為：

最大可釋放的能量為：

由上面的計算可知，超級電容器的能量是依靠其電容值與其端電壓而得到的，與電容值成正比關(guān)系，與其端電壓的平方成正比關(guān)系。在超級電容器使用中，端電壓是隨著(zhù)充放電而變化的。

3.2 超級電容器等效電路模型

等效電路模型對超級電容器儲能系統的分析和設計都很重要，工程用等效電路模型應該能夠盡可能多的反映其_內部物理結構特點(diǎn)，而且模型中的參數應容易測量。

最簡(jiǎn)單的超級電容器等效模型，是只有一個(gè)阻容單元構成的RC模型，如圖2(a)所示，包括理想電容器C、等效串聯(lián)內阻Rs、等效并聯(lián)內阻Rp。等效串聯(lián)內阻Rs表示超級電容器的總串聯(lián)內阻，在充放電過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生能量損耗，一般以熱的形式表現，還會(huì )因阻抗壓降而使端電壓出現波動(dòng)，產(chǎn)生電壓紋波。等效并聯(lián)內阻Rp反映7超級電容器總的漏電情況，一般只影響長(cháng)期儲能過(guò)程，也稱(chēng)為漏電電阻。文獻[9]對超級電容器的自放電回路的時(shí)間常數進(jìn)行了測試，長(cháng)達數十小時(shí)至上百小時(shí)，遠遠高于充放電時(shí)間常數。而且，在實(shí)際應用中，超級電容器一般通過(guò)功率變換器與電源連接，并處于較快的和頻繁的充放電循環(huán)過(guò)程中，因此，Rp的影響可以忽略。因此，可以進(jìn)一步將超級電容器模型簡(jiǎn)化為理想電容器和等效串聯(lián)內阻的串聯(lián)結構，如圖2(b)所示。