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超级电容器蓄电池混合储能在独立光伏发电系统中应用研究


超级电容器蓄电池混合储能在独立光伏发电 系统中应用研究

重庆大学硕士学位论文

学生姓名:黄 勇 指导教师:周 林 教授 专 业:电气工程

学科门类:工 学

重庆大学电气工程学院
二 O 一一年五月

Application Research on A Stand-alone PV System With Ultracapaticor Battery Hybrid Energy Storage

A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of Engineering

By Huang Yong

Supervised by Prof. Zhou Lin Major: Electrical Engineering

College of Electrical Engineering Chongqing University, Chongqing, China May 2011

重庆大学硕士学位论文

中文摘要





经济的快速发展带来能源的大量消耗,造成能源危机日益加重,新能源的开 发已经成为全球迫在眉睫的重大课题。太阳能是最有潜力的一种新能源,光伏发 电是最主要的使用方式之一。但是,由于光伏发电的随机性,必须外加一定容量 的储能装置,才能保证独立光伏系统的稳定。超级电容器作为一种新型的储能元 件,在储能上具有卓越的潜力。本文针对超级电容器蓄电池混合储能在独立光伏 发电系统中应用的关键问题进行研究。 论文首先详细介绍了目前独立光伏发电系统的结构,针对目前独立光伏系统 中蓄电池功率输出能力不足,以及为满足短时大功率而配置大于经常性负荷容量 造成的浪费,提出了一种超级电容器蓄电池混合储能的独立光伏发电系统结构, 提高了储能系统的功率输出能力,降低了蓄电池容量配置,延长电池寿命。系统 采用两个双向变换器分别对超级电容器和蓄电池进行控制,使超级电容器和蓄电 池在功率和电压等级上都可以分开选择,不必与负载或者直流母线满足严格的匹 配关系;三个变换器均连接在直流母线上,且直流母线电压保持稳定,有利于变 换器设计;另外超级电容器和蓄电池的充放电控制分开进行,控制更加灵活方便。 文中建立了超级电容器蓄电池混合储能系统的等效模型,对模型进行了验证, 并对混合储能系统性能的提高进行了理论分析。对系统控制环节进行设计,单向 变换器在 MPPT、恒压模式下和停止工作模式下切换;双向变换器在 Boost、Buck 和停止工作模式下切换。针对蓄电池充放电的特点,采用一种新颖的电压电流双 向双环控制策略,使蓄电池在两个方向均实现稳压或限流功能,在保证响应速度 的同时,消除电压静差。 针对系统中含光伏电池、超级电容器和蓄电池三种能量源的特点,提出相应 的能量管理策略。核心是根据光伏电池和混合储能元件的工作状态,保证三个变 换器工作在系统设定的工作模式下,使得系统中的三种电源协调工作,保证系统 稳定运行。论文对该方法进行了仿真验证,结果表明混合储能系统能够提高功率 输出能力,减小蓄电池容量配置,延长系统使用寿命。 关键词:光伏发电,超级电容器,蓄电池,混合储能,能量管理

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英文摘要

ABSTRACT
Rapid economic development has brought high energy consumption and the energy crisis is increasing. Therefore, the new energy development has become the world’s imminent major issue. Solar energy is the most promising new energy and photovoltaic power generation is one of the most main way to use it. However, due to the randomness of photovoltaic power generation, the energy storage device must be additional to ensure the stability of stand-alone photovoltaic system. The ultracapacitor is a new energy storage component and has excellent energy storage potential. This paper researches the key issues of ultracapacitor- battery hybrid energy storage system used in stand-alone photovoltaic system. It firstly introduces the present circuit structures of stand-alone photovoltaic system. Because of the battery power output capacity is insufficient, so it is necessary to provide greater capacity to meet the short-term high-power load but it lead to waste. This paper proposes a kind of ultracapacitor- battery hybrid energy storage system structure. It improves power output capacity of energy storage system, reduces the battery capacity allocation, extends battery life. This structure uses bi-direction converter for ultracapacitor and battery respectively. It makes ultracapacitor and battery can separate choice in power and voltage level, not to meet strict matching relation with load and dc bus voltage. It is advantage for converter design. The charging and discharging of ultracapacitor and battery can control separately and more flexibly. This paper established the ultracapacitor- battery hybrid energy storage system equivalent model and analyses how to improve system performance in theory. It designs the system control part. The direction converter has three modes-MPPT, constant voltage and stop working, the bi-direction converter works in Boost, Buck and stop mode, they switch three modes between. For charging and discharging characteristics of battery, this paper proposes a novel bi-direction voltage and current loop control strategy in order to realize battery voltage and current limiting in both direction, this can guarantee the response speed and eliminate voltage difference. For the characteristics of photovoltaic cells, ultracapacitor and battery, it presents the corresponding energy management strategy. The core is to ensure three converters work in set mode and three power sources coordinating and stable work according to the photovoltaic cells and hybrid energy storage components working condition. The
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英文摘要

control strategy is verified through simulation method, the results show that the hybrid energy storage system can increase the power output capacity, reduce battery capacity allocation, prolong the system working life. Keywords:Photovoltaic power system, Ultracapacitor, Battery, Hybrid energy storage, Power management

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目录





中文摘要 ......................................................................................................................................... I 英文摘要 ........................................................................................................................................ II 1 绪论 ............................................................................................................................................. 1
1.1 世界能源问题与新能源发电 ............................................................................................... 1 1.2 光伏发电的特点和优势 ....................................................................................................... 1 1.3 光伏发电的现状及运行方式 ............................................................................................... 3 1.3.1 光伏发电发展现状 .................................................................................................... 4 1.3.2 光伏发电运行方式 .................................................................................................... 5 1.4 超级电容器及混合储能系统 ............................................................................................... 7 1.4.1 超级电容器 ................................................................................................................ 7 1.4.2 超级电容器储能的特点及应用现状 ........................................................................ 8 1.4.3 超级电容器蓄电池混合储能特点及其应用现状 .................................................. 12 1.5 本文选题的意义、内容安排及主要工作 ......................................................................... 13 1.5.1 课题的意义 .............................................................................................................. 13 1.5.2 本文主要工作 .......................................................................................................... 13

2 独立光伏发电系统结构及工作原理 ...................................................................... 15
2.1 独立光伏系统的结构 ......................................................................................................... 15 2.1.1 光伏电池通过开关直接能量传递 .......................................................................... 15 2.1.2 光伏电池通过 DC/DC 实现 MPPT ........................................................................ 15 2.1.3 蓄电池通过双向变换器进行控制 .......................................................................... 16 2.1.4 多种储能装置供电 .................................................................................................. 16 2.2 系统组成及容量选择 ......................................................................................................... 17 2.3 超级电容器蓄电池混合储能模型分析 ............................................................................. 21 2.3.1 混合储能直流系统模型验证 .................................................................................. 23 2.3.2 混合储能直流系统性能分析 .................................................................................. 24 2.4 本章小结 ............................................................................................................................. 26

3 混合储能系统能量管理策略及控制策略研究 ................................................ 27
3.1 引言..................................................................................................................................... 27 3.2 系统工作模式的选择 ......................................................................................................... 28 3.3 单向变换器控制策略 ......................................................................................................... 30 3.3.1 MPPT 工作模式 ....................................................................................................... 30

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目录

3.3.2 恒压工作模式 .......................................................................................................... 32 3.4 双向变换器控制策略 ......................................................................................................... 34 3.4.1 双向变换器 Buck 工作模式.................................................................................... 34 3.4.2 双向变换器 Boost 工作模式................................................................................... 42 3.5 系统能量管理控制策略 ..................................................................................................... 46 3.6 小结..................................................................................................................................... 48

4 系统仿真验证 ...................................................................................................................... 48
4.1 引言..................................................................................................................................... 48 4.2 变换器参数选择 ................................................................................................................. 48 4.3 系统仿真验证 ..................................................................................................................... 51 4.4 储能系统分析 ..................................................................................................................... 55 4.5 小结..................................................................................................................................... 57

5 工作总结及展望 ................................................................................................................ 58 致 谢 ...................................................................................................................................... 60 参考文献 ...................................................................................................................................... 61 附 录:A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文........................................................... 66
B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目 ............................................................ 66

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1 绪论

1 绪论
1.1 世界能源问题与新能源发电
能源作为推动社会发展的动力和人类生存的必要物质基础,从 20 世纪 50 年 代以来,能源危机日益加重,能源安全挑战日趋加剧。能源危机最重要的表现是 不断出现的世界性的大面积电力短缺。近年来,全国为了缓解电力供应的不足, 大规模拉闸限电,电力缺口越来越大。长期以来电力系统的建设一直秉承集中式 和超高压的思想,集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生 产、输送和分配的主要方式。但是近年来用电负荷的不断增加,而电网建设却没 有同步发展,使得远距离输电线路的输送容量不断增大,受端电网对外来电力的 依赖程度也不断提高,使得电网运行的稳定性和安全性下降,大电网本身的缺陷 却使得它已不能满足用户各种要求[1,2]。面对这种能源危机的加剧和环保要求的提 高,世界各国都采取不断开发新能源、组件微网、改善能源结构等方式,实现社 会和能源的可持续发展。 针对上述情况,如何解决越来越严峻的能源问题,实现社会的和谐发展,降 低环境污染,已成为全人类迫在眉睫的重大课题。长远来看,未来人类要突破能 源瓶颈,从根本上解决能源问题,只能凭借技术进步,大规模地开发和利用可再 生能源[3,4]。可再生能源是可以永续利用的能源资源,如水能、风能、太阳能、生 物质能和海洋能等,不存在资源枯竭问题。中国除了水能的可开发装机容量和年 发电量均居世界首位之外,太阳能、风能和生物质能等各种可再生能源资源也都 非常丰富。利用太阳能等可再生能源发电是解决能源危机和能源安全问题的一种 很好的途径,对于推动全人类可持续发展具有重要意义。

1.2 光伏发电的特点和优势
太阳能作为新能源和可再生能源的一种,因其清洁环保、永不衰竭的特点, 受到世界各国的青睐。在 21 世纪的今天,人类面临着实现经济和社会可持续发展 的双重挑战,在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点 问题。而能源问题将更为突出,不仅表现在常规能源日益枯竭,更为突出的是化 石能源的开发利用带来了一系列问题,如环境污染、温室效应都与化石燃料的燃 烧有关。目前的环境问题,很大程度上是由于能源特别是化石能源的开发利用造 成的。太阳能以其独具的优势,其开发利用必将在 21 世纪得到长足的发展,并终 将在世界能源结构转移中担纲重任,成为 21 世纪后期的主导能源。表 1.1 为中国 可再生能源发展预测,从图中可以看出,新能源发电将在未来电力中占有很大的

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1 绪论

比重,特别是光伏发电,因此世界上许多国家都已将太阳能资源的开发和利用作 为国家可持续发展战略的重要内容和能源战略决策[5-8]。

表 1.1 中国可再生能源发展预测 Tab.1.1 The prediction of renewable energy development in China 能源比例 (亿吨标煤) 能源总量 小水电 风电 生物质能 沼气 光热 光电 其它 可再生能 源比例 2003 16.8 0.34 0.0044 0.035 0.036 0.062 0.0038 0.027 3 2010 20 0.56 0.03 0.18 0.08 0.12 0.04 0.087 5 2020 30 0.84 0.15 0.35 0.20 0.32 0.18 1.00 10 2030 40 1.12 0.37 0.88 0.24 0.6 0.69 2.60 15 2050 60 2.24 0.74 1.75 0.80 1.2 1.48 4.78 20

光伏发电与常规能源相比,有着自身的特点和优势[9-11] : ① 分布广。太阳光普照大地,不管陆地或者海洋,处处皆有,不受地域限制, 可在用电处就近直接开发利用,也不需要开采与运输,具有巨大的优越性。 ② 无污染。太阳能是最清洁的能源之一,在开发利用过程中太阳能不会对环 境造成污染,没有噪声,同样不会产生废渣、废气、废水和废料等,对污染日益 严重的今天来说,这一点及其可贵。 ③ 能源巨大。地球上的太阳辐射能十分巨大,每秒钟到达地面的太阳辐射能 高达 8 ?105 kW ,每年入射到地球表面的太阳辐射能相当于 1.3 ?1014 t 标准煤,如果 能 将 到 达 地 球 表 面 的 0.1% 的 太 阳 能 转 换 为 电 能 , 每 年 的 发 电 量 就 可 达

5.6 ?1012 kW h ,相当于目前世界总能耗的 40 倍,其总量是现今可以开发的最大能
源。 ④ 易接受。与其它能源相比,获取太阳能花费的时间短,使用者在直观上容 易接受。 ⑤ 长久。根据太阳现在产生的核能速率计算,氢的储量足够维持上百亿年, 而地球的寿命只有几十亿年,如果将太阳能合理利用,作为地球的重要能源,将

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1 绪论

会是用之不竭的。 当然太阳能也有自身的缺陷: ① 能量密度低。尽管地球表面的太阳辐射能的总量很大,但是照射的能量分 布密度较小,大规模利用需要很大的面积。在利用太阳能时,光电转换设备往往 面积巨大,现有电力相比造价较高,并且转换效率不是太高。 ② 不稳定性。由于太阳能随机性比较突出,受到四季、昼夜、地理纬度和海 拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨各种气象条件的影响,所以,地面 上难以得到稳定的太阳辐射能,使得光伏电池的输出功率波动较大。为了使太阳 能能够持续可靠的为负载提供电能,必须设计一定容量的储能装置,将能量储存 起来,以供阴雨天或夜间使用。但是这就相应的增加了系统的造价,是太阳能利 用的一个短板。 ③ 效率低、成本较高。目前太阳能利用的发展水平,理论发展已经相当成熟。 但是,受到设备和条件的限制,光电转换效率较低,经济性能还不能完全与常规 能源竞争。 但是总的说来,作为新能源,太阳能具有极大优点,因此收到世界各国的重 视。随着技术的不断进步,光伏电池的成本在不断降低,电池的转换效率也在不 断提升,未来光伏发电的前景将十分美好。

1.3 光伏发电的现状及运行方式
当电力、煤炭、石油等不可再生能源日益短缺,能源问题逐渐成为制约国际 社会经济发展的瓶颈时,越来越多的国家开始开发太阳能资源,寻求经济发展的 新动力。在众多新能源发电当中,光伏发电相对于其它能源又有着自身的优势: 光伏发电不消耗燃料,受地域限制小,规模设计方便,可以独立发电或并网发电; 无噪声、无污染,建设周期短,寿命长;安全可靠,维护简便,具有其它发电方 式无可比拟的优点,它是大规模利用太阳能的重要技术基础[12]。 光伏系统具有以下特点[13-14]: ① 无转动部件,不产生噪声; ② 无空气污染,不排放废水; ③ 无燃烧过程,不需要燃料; ④ 维修保养简单,维护费低; ⑤ 运行可靠性,稳定性好; ⑥ 系统中作为关键部件的光伏电池寿命长, 晶体硅光伏电池的寿命可达到 25 年; ⑦ 根据需要很容易扩大发电规模。

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1 绪论

1.3.1 光伏发电发展现状
光伏电池的原理是基于光生伏打效应将光能转换为电能的半导体装置,其物 理模型与 p-n 节二极管类似, 利用固体物理学的相关知识经过复杂的推导可以得到 其理论分析模型[15]。光伏发电技术的开发始于 20 世纪 50 年代,随着全球能源形 势日益严峻,光伏发电作为一种可持续的能源替代方式,在近年得到快速发展, 并首先在太阳能资源丰富的国家,如德国、西班牙和日本,得到大面积的推广运 用。 自 1969 年世界上第一座太阳能发电站在法国建成,光伏发电的比例在欧美国 家逐渐提高,太阳能光伏技术也得到了不断发展[16]。欧盟近 20 年来持续推动光伏 产业发展,在 2008 年,欧盟占全球光伏发电量的 80%,而德国和西班牙光伏发电 总量占欧盟的 84%。预计到 2020 年,太阳能光伏发电将占欧盟总发电量的 12%。 美国虽然在光伏发电技术上较早起步,但由于美国政府前期对光伏发电并不重视, 以至美国的光伏发电的发电量和技术革新与欧盟和日本都差距较大。但随着美国 奥巴马政府一系列鼓励发展新能源政策的出台,美国在光伏发电产业上得到迅速 发展。如今,奥巴马政府宣称将在 10 年内投入 1500 亿美元支持新能源,尤其是 光伏发电。日本在太阳能使用上,不但使用范围广,发电总量也较大,普通家庭 都可以使用太阳能光伏装置发电。日本政府通过补贴,鼓励家庭购买家用的光伏 发电装置。在今年日本 9 级大地震发生后,世界范围内开始大规模反对核电,中 国也停止了核电项目的审批,这也间接加快了可再生能源特别是清洁的光伏发电 的发展。 另外,在各国政府的大力扶持下,光伏电池产业化发展迅猛。截止到 2009 年, 最近 10 年光伏电池及组件的年平均增长率在 33%左右,而最近 5 年更是达到了惊 人的 40%。截止到 2010 年第二季度,光伏电池的年生产量再次增加,根据 IMS Research 的最新报告,已超过 25GW,到年底产量将达到 30GW。同时光伏电池技 术上持续进步,薄膜电池技术加快研发。随着世界各国大批资金的注入,光伏电 池的技术发展迅速,光伏电池的转换效率不断提高,目前商业化的多晶硅电池转 换效率已经提高到 18%,单晶硅电池的转换效率达到 20%;晶体硅光伏电池的厚 度也在降低,预计到 2020 年将降低到 80~100 微米;薄膜电池的研发取得新的进 展,现今全世界约有 65 家薄膜光伏电池生产规划,在 2010 年已经形成 4000MW 薄膜光伏电池产能。 随着政府扶持力度的加大和技术的不断进步,光伏电池的价格也在不断降低。 从最初 20 世纪 60 年代的 1500 美元/Wp 到 2010 年稳定在 2.5 美元/Wp 左右。 对于 光伏发电组件和系统未来的降价趋势,国外许多机构都做出了预测,在 2020 年, 光伏发电的电价将会降低到与火力发电持平的水平。
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1 绪论

相对于国外而言,国内光伏发电的发展就相对较晚,但近年来发展很快[17]。 现阶段,国内户用光伏系统和独立的光伏电站成为解决偏远地区供电的重要方式。 对于并网光伏发电系统,受到技术和费用约束,在整个光伏产业中所占比重较小, 多为示范用光伏并网电站。另外,在光伏电池产业化上中国发展尤为迅速,但是 市场90%都在国外, 国内应用相对较少,并且电池主要原材料高纯多晶硅技术较为 落后,主要依靠进口,技术研发需加快速度。在2011年“十二五”规划中,强调大力 发展七大新兴产业:新能源、节能环保、新能源汽车、新材料、生物、高端装备 制造、新一代信息技术等将是资本追逐的重点方向。因此光伏发电政府的大力支 持下,在未来将会得到更加快速的发展。

1.3.2 光伏发电运行方式
光伏发电系统应用很广泛,光伏发电系统按照其应用的基本形式可分为两大 类
[11,14,18]

: 独立发电系统和并网发电系统。 传统的主要用在太空航空器、 通信系统、

微波中继站、光伏水泵和无缺电地区用户用电等。随着技术的不断革新和原材料 价格的降低,大规模光伏并网电站和示范性的光伏并网系统开始在世界各国出现, 屋顶光伏系统以及在照明、交通上也开始逐渐推广应用。 1 并网光伏发电系统 图 1.1 为并网光伏发电系统结构图, 这种系统将光伏电池组件产生的直流电经 过并网逆变器转换为符合公共电网要求的交流电后直接接入大电网,并网系统中 光伏阵列所产生的电能除了供给交流负载外,多余的电能直接接入电网。在光照 较弱的阴雨天或夜晚,光伏电池组件没有产生电能或者产生的电能不能满足负载 要求时就由电网供电。因为系统直接将电能输入电网,免除配置储能系统,省掉 了储能环节,可以充分利用光伏方阵所发的电力从而减小了能量的损耗,降低了 系统的成本。但是系统中需要并网逆变器,以保证输出的电力满足电网电力对电 压、频率等电性能指标的要求。因为逆变器效率的问题,系统中部分能量会在转

控制器 光伏电池 电网

控制 系统

负载

图 1.1 光伏并网系统结构图 Fig.1.1 The block diagram of grid photovoltaic system

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1 绪论

换过程中损失掉。这种系统通常能够并行使用市电和光伏电池阵列作为本地交流 负载的电源,降低了整个系统的缺电率。并且并网光伏系统可以对公用电网起到 调峰作用。但是并网光伏发电系统作为一种分布式发电系统,会对传统的集中式 供电系统的电网产生一些不良影响,如谐波污染、孤岛效应等。 按照电能是否返回电网,并网系统一般可以分为逆流型,无逆流型,切换型, 直、交流型,混合型等。 ① 直、交流型并网发电系统:该系统直接将光伏发电系统产生的直流电供用 电设备使用,主要目的是为了提高供电系统的可靠性。 ② 混合并网发电系统:当光伏发电所提供的电能不足(如阴雨天、夜晚和日 照不足时) ,需要使用其它能源来补充,可以将风电、燃料电池发电等其他发电系 统与光伏发电系统并用,这样就组成了混合并网发电系统。 ③ 逆流型光伏并网发电系统:当太阳能光伏发电系统发出的电能充裕时,将 剩余电能接入电网,向电网系统供电;当太阳能光伏系统提供的电能不足时,由 电网向负载提供不足的电能。这种系统称为逆流型并网发电系统。 ④ 无逆流型并网发电系统:不管太阳能光伏发电系统输出是否超出负载能量 需求均不像电网供电,但当太阳能光伏发电系统供电不足时,可以由电力系统供 电。这种系统成为无逆流式并网发电系统。 2 独立光伏发电系统 独立光伏发电系统不与电网连接,将发出的电能直接供给给本地负载的光伏 发电系统。由于光伏发电的不连续性和不稳定性,独立光伏发电系统必须配置一 定容量的储能装置,在光伏阵列无输出或者输出不足时向负载供电,保证供电的 连续性和可靠性。独立光伏发电系统结构如图 1.2 所示,它主要用于偏远地区离网 住宅供电、离网工业应用及路灯、灯塔等消费产品上。

控制器 光伏电池 储能 系统 直流 负载

逆变器

交流 负载

图 1.2 独立光伏发电系统结构图 Fig.1.2 The block diagram of stand-alone PV system

根据负载性质的不同,独立光伏发电系统可以分为日用型和夜用型两种。 日用型负载主要像光伏水泵等,这种性质的负载只在白天工作,理论上只需

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1 绪论

要光伏电池提供电能,但是由于太阳能不连续性的特点,输出功率会随时会发生 变化,不能为负载稳定可靠的供电,必须加入一定容量的储能元件,提高系统稳 定性。另外,储能元件还能在负载突变时,可以跟踪负载的变化,保证光伏系统 不受冲击,对提高系统的电能质量也有十分明显的效果。 夜用型光伏发电系统应用最广泛的是太阳能路灯系统。白天,光伏电池发出 的电能通过储能元件储存起来,在夜间路灯工作时,光伏电池停止工作,储能元 件向路灯供电,保证系统稳定。这样,就能解决光伏系统对气候环境的依赖性, 只要电池容量和储能容量设计合理,总体上就能够保证发电和用电相对平衡。独 立光伏发电系统是我国目前应用最为广泛的太阳能光电转换方式,是太阳能普及 利用的重要途径。

1.4 超级电容器及混合储能系统
由于独立光伏发电系统需要加上一定容量的储能装置,才能保证系统的正常 稳定运行。现阶段储能系统主要以蓄电池为主,但是蓄电池有其自身的缺点,而 超级电容器在性能上与蓄电池有很大的互补性,这就为超级电容器蓄电池混合储 能在独立光伏发电系统运用奠定了基础。

1.4.1 超级电容器
随着科技的不断进步,超级电容器技术在近年得到了快速发展,出现了不同 类型和不同结构的电容器种类。目前,对超级电容器没有严格的分类标准,使用 较多的是将超级电容器分为双电层电容器 (Electric Double Layer Capacitor, EDLC) 和电化学电容器(Electrochemical Capacitor)两大类[19]。 超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹 [19] 提出的基于双电层理论基 础上的一种全新的电容器。众所周知,电极插入电解液后在表面和液面两侧都 会出现符号相反的过剩电荷,这就产生了电位差。如果在电解液中同时插入两 个电极,并在两极之间施加一个小电压,电解液中的正、负离子在电场的作用 下迅速向两极板运动,并分别在两个电极的表面形成紧密的双电层,这种双电 层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷相似,从而产生电容 效应,紧密的双电层与平板电容器近似,但是,由于电荷层间距比普通电容器 电荷层间的距离更小得多,因而具有比普通电容器更大的容量。 在超级电容器两极上外加电压时,与普通电容器一样,极板的正、负极板 分别存储正电荷和负电荷,在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下, 为了平衡电解液的内电场,在电解液与电极间就会形成极性相反的电荷,正负 极性不同的电荷就在不同的接触面上,以极短的间隙排列在相反的位置上,形 成一个电容量非常大的电荷层,叫做双电层。超级电容器的最高工作电压由电解

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1 绪论

液的分解电压决定。当电容器两极板间电压低于电解液的氧化还原电极电位时, 超级电容器为正常工作状态,电解液界面上的电荷不会脱离电解液。当两极板间 电压超过电解液的氧化还原电极电位时,电解液将分解,为非正常状态。根据电 解液的成分决定了不同的分解电压。一般而论,采用水电解液的双电层电容器的 单 体 工 作 电 压 约 为 1V , 而 采 用 有 机 电 解 液 的 双 电 层 电 容 器 单 体 电 压 可 达 3~3.5V[20,21]。目前,单体超级电容器的最大电容量可以达到 5000F。 由此可以看出:超级电容器的充放电过程始终是物理过程,没有化学反应。 因此性能是稳定的,与利用化学反应的蓄电池是不同的。根据使用目的不同, 一般将超级电容器分为以下两类: ① 启动型超级电容器:这种超级电容器可以在短时间内输出瞬间大电流,适 用于需要瞬时大功率放电的场合,常用于各类电动汽车和重型机械设备中,单体 容量在几 F 到几千 F 之间,组件电压可以根据串并联数量而得; ② 牵引型超级电容器:这种电容器可以连续几分钟到几十分钟持续输出较高 强度的电流,在一些特殊的场合可以替代传统的蓄电池承担设备驱动所需的电能 供应工作,常用于各类电动汽车、机械设备、太阳能系统和电子电器中,其单体 容量大,端电压需求较高。

1.4.2 超级电容器储能的特点及应用现状
超级电容器作为一种新兴的储能元件,它与其它储能方式比较起来有很多的 优势。超级电容器具有功率密度大,循环寿命长,充放电效率高,充放电速率快, 高低温性能好,能量储存寿命长等特点,表 1.2 为各种储能方式性能比较。
表 1.2 各种储能方式性能比较 Tab.1.2 Performance comparison of various energy storage methods 储能 方式 超级 电容 器 超导 储能 铅酸 蓄电 池 飞轮 储能 能量密度 E/M (Wh/Kg) 2~5 功率密度 P/M(W/Kg) 使用寿命 Cycle life(y) 30 效率 安 全 性 高 维 护 量 小

?

(%) 95

对环境 影响

年平均价格 (¥/KW.h)

7000~18000

无污染

750

<1

1000

30

90



大 较 小 较 大

无污染

1800

30~200

100~700

8

92

高 不 高

污染

120

5~50

180~1800

30

90

无污染

500

8

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① 功率密度大 超级电容器通过导电离子在电极上的吸附和脱附实现充放电,由于电极材料 巨大的表面积,因而其充放电过程理论上基本不受限制[22],功率密度很大,约为 铅酸蓄电池的 20 倍,具有大功率输出和输入能力。采用超级电容器储能,能够以 较小的容量实现较大的功率输出,在各种需要短时大功率充放电和负载功率脉动 等应用场合中具有很好的适应性。 ② 循环寿命长 在室温条件下,超级电容器的深度充放电时的充放电循环次数可达 50 万次以 上[23,24]。由于超级电容器使用寿命与系统中的功率变换器、控制器等装置相当甚 至更长,在应用时可以视为永久性器件。 ③ 充放电效率高 超级电容器的等效串联内阻和充放电时间常数很小,使其具有很高的充放电 效率,其充放电周期效率可以达到 90%以上。在包括功率变换器能量损耗的情况 下,蓄电池的充放电周期损耗为 20%~30%,而超级电容器仅为 10%[25]。 ④ 充放电速率快 由于超级电容器等效串联内阻很小,使其充放电时间常数很小,充放电效率 就相对较大。而蓄电池在充放电过程中,受到参与电化学反应的离子扩散速度的 限制,充放电速率就比超级电容器要慢得多,超级电容器可以在数十秒或数分钟 的时间内完成快速充电或放电。 ⑤ 环境友好 超级电容器使用的材料安全、无毒、环保[23]。电极材料主要由碳组成,不含 铅、镉等重金属,不会对生产或使用人员造成伤害,也不会对环境带来污染。此 外,超级电容器本身无机械部分,不会产生噪声污染。 ⑥ 高低温性能好 在能量的交换过程中,超级电容器不发生电化学反应,因而对环境温度的依 赖性相对较小, 具有良好的高低温性能。 超级电容器能够在-40℃~+70℃温度范围 内正常工作[23],而不会发生明显的性能降低。 当然,由于超级电容器内部特性的限制,也有不少不足之处,特别在大容量 的电力储能场合。从目前的产品来看,主要存在以下的不足。 ① 能量密度低 现阶段超级电容器的能量密度整体相对较低,与蓄电池相比大概只有后者的 20%。因此在大容量的电力储能场合,超级电容器体积就会比蓄电池大很多,使用 范围受到限制。但近年来超级电容器技术发展迅速,能量密度快速提高。如日本 电子在 2003 年发布的一款新型双电层电容器,能量密度几乎提高了 10 倍,高达
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50~75Wh/kg, , 已经达到了甚至超过了部分蓄电池的水平[26]。 能量密度的快速提高, 使超级电容器在大容量电力储能中的广泛运用成为可能。 ② 端电压波动大 储能容量的变化会对超级电容器的端电压影响较大,尤其是开始和结束时端 电压波动尤为明显,其变化的幅度主要受充电电流和等效内阻影响。比如,当超 级电容器放出 75%的储能量时,其端电压下降到了原来的 50%左右。在实际应用 中,负载的端电压一般要求稳定,因而,需要在超级电容器与负载之间配置变换 器,以达到稳压的目的[27,28]。但是变换器的使用,造成了系统的结构复杂、成本 上升和效率下降。 ③ 串联均压问题 根据前文对超级电容器的原理的分析,超级电容器单体电压偏低和储能量较 小,在使用过程中需要进行串并联组合才能达到负载要求的电压等级和储能容量。 由于各个单体电容器件参数存不可能完全相同,导致串联单体电容电压在工作过 程中的不一致[29,30]。并且串联支路中各单体电容在充放电过程中电压的变化率不 一致,在反复充放电过程中,等效内阻会逐渐增大,导致一部分单体电容电压过 低,容量不能被充分利用,而一部分的电压过高,内部电解液发生分解而失效。 另外,各个电容器的不一致,漏电流大的首先达到放电结束,而漏电流小的仍保 持较多的电荷,充电时漏电流小的首先达到充电结束。 因此通常超级电容器使用时需要进行串联均压处理[27,29],提高使用可靠性。 但是系统的复杂度相应增加,价格也相应提高。另外,由于目前超级电容器的产 业化程度还不是太高,超级电容器的价格相对较贵,这也是目前使用较少的一个 原因。但是从近年来价格走势可以预见,在不远的将来,随着超级电容器的普及 和技术的不断进步,其成本会大幅度降低,达到合理化的程度和具有较强市场竞 争力的水平。 基于超级电容器上述特点,随着超级电容器技术的不断成熟,超级电容器在 多个领域中得到了运用,如电动车辆、激光微波武器、移动通讯装置、便携式仪 器设备、数据记忆存储系统、应急后备电源以及作为燃料电池的启动电源等,特 别是在电动汽车上的应用具有非常明显的优势。美、欧、日、韩等发达国家和地 区对超级电容器的应用进行了卓有成效的研究。目前,一些超级电容器的储能应 用已经实现了商业化,一些应用正处于研究或试用阶段。超级电容器的应用主要 分为一下几个方面: ① 超级电容器在交通工具上的应用。 超级电容器在电动汽车上应用比较广泛,可以作为单独的动力源[31-33]驱动汽 车,也可以与蓄电池、燃料电池或者发电设备混合使用[34-37]。由于汽车在行驶过程
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中经常加速、爬坡,此时就需要很大的峰值输出功率,而超级电容器功率密度高 的特点就能得到充分的发挥,为汽车提供峰值功率。在刹车制动时又将能量储存 起来。这样,混合电源大幅度降低了系统的重量,节约了空间;还可以减少汽车 的充电时间和次数,增加汽车的一次充电运行距离,提高动力汽车的可行性和实 用性。 ② 应急备用电源 为了解决电子设备突然掉电时造成的生产事故和信息丢失的问题,这就需要 配置一个应急备用电源。超级电容器自身功率密度大,在一些功耗较小的电子设 备和消费类电子产品中,可以作为主电源或者备用电源,如,各种电动玩具、自 动防故障装置、存储器、微处理器、系统主板、时钟等 [38]。在各类功率具有脉动 性的移动电子设备或仪器上,可以将超级电容器与蓄电池混合使用,如移动电话、 对讲机、笔记本电脑、照相机的闪光灯、PDA等[39,40]。 ③ 变频驱动系统的能量缓冲器 在电梯等变频驱动系统中,超级电容器与变换器构成一个能量缓冲器。当电 梯加速上升时,能量缓冲器通过变换器,为电机提供所需的峰值功率;并在电梯 减速下降过程中,将直流母线回馈的能量储存起来[41,42]。 在一些容易受到电压跌落的影响的系统中,如配电网和无轨电车用配电网。 在系统负荷加重时,由超级电容器构成的能量缓冲器实时向电机提供启动所需的 冲击电流,减小对配电网的功率需求,避免过大的电压跌落而影响其它设备的正 常工作。 ④ 电力调峰和改善电能质量 由于电力系统中的负荷存在很大的峰谷差,在负荷较小时将电力储存在超级 电容器中,在负荷高峰时将能量释放出来,减小电网的峰谷差,这样就实现了电 网或配电网的电力调峰[43]。 超级电容器还可以作为电能质量调节装置[44,45],用于电网或配电网的动态电 压补偿系统,针对系统故障引发的瞬时停电、电压骤升、电压骤降等问题,此时 利用超级电容器提供快速功率缓冲,吸收或补充电能,提供有功功率支撑,进行 有功或无功补偿,以稳定、平滑电网电压的波动。而且,超级电容器通过功率变 换器,还可以对配电网进行无功功率补偿、谐波电流消减。容量较大的甚至还可 以作为重要负载的备用电源[46]。 ⑤ 可再生能源系统 将超级电容器储能应用在可再生能源系统中,充分发挥其功率密度大、循环 寿命长、储能效率高、无需维护等优点。比如光伏发电中采用超级电容器储能, 可以应用于路灯、交通警示牌、交通标志灯[46]、太阳能道钉[47]等。超级电容器作
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为储能装置,应用于独立光伏、风力发电、燃料电池等分布式发电系统,对系统 起到瞬时功率补偿的作用,并可以在发电中断时作为备用电源,以提高供电的稳 定性和可靠性[48-50]。 ⑥ 军事设备领域 由于军事装备的特殊性,基本不能采用电网对其供电,必须对其配备一定容 量的储能装置。军用装备中的储能单元必须做到可靠、轻便、隐蔽性强,超级电 容器的诸多优点决定了其在军事装备领域具有广阔的发展前景。可以为军用运输 车、坦克、装甲车等解决车辆低温启动困难的问题 [51];可以解决常规潜艇中蓄电 池失效快、寿命短的问题[52];还可以为雷达、通信及电子对抗系统等提供瞬时功 率,以减小主电源的功率等级[51]。

1.4.3 超级电容器蓄电池混合储能特点及其应用现状
从蓄电池和超级电容器的特点来看,两者在技术性能上有很强的互补性。超 级电容器功率密度大,充放电效率高,循环寿命长,非常适应于大功率充放电和 循环充放电的场合,但能量密度相对偏低,还不适宜于大规模的电力储能。而蓄 电池则相反,其能量密度大,但功率密度小,充放电效率低,循环寿命短,对充 放电过程敏感,大功率充放电和频繁充放电的适应性不强。 如果将超级电容器与蓄电池混合使用,使蓄电池能量密度大和超级电容器功 率密度大、循环寿命长等特点相结合,储能装置的性能将会得到大幅度的提升。 根据系统实际使用情况[53],两者主要有直接并联、通过电感并联和利用变换器并 联等几种结构。一般情况下,通过变换器会提高系统的可控性,从而获得性能上 的提高。比如混合储能可以提高系统整体的功率输入输出能力,减小系统的容量; 减小蓄电池充放电循环次数和放电深度,延长蓄电池使用寿命。文献[54-59]研究 发现,超级电容器通过一定的方式与蓄电池混合使用,可以使储能装置具有很好 的负载适应能力,能够提高供电的可靠性,能够缩小储能装置的体积,减轻重量, 可以改善储能装置的经济性能。与超级电容器混合使用,可以减小蓄电池的输出 电流峰值,降低内部损耗、延长放电时间,还可以优化蓄电池的充放电过程,延 缓失效进程。 另外,针对蓄电池型别、负荷状况、当地气候条件等具体情况,混合储能系 统可以选择不同的并联控制器,在容量配置和结构设计上具有较大的灵活性,并 可以针对性地设计系统的能量管理过程。系统的控制目标是改善蓄电池的工作过 程,使其处于优化的充放电过程,并尽可能减少充放电循环次数,减小蓄电池的 最大放电深度,延长使用寿命。 目前,超级电容器与蓄电池组成混合储能,在电动汽车上的应用比较广泛。 文
[60,61]

中,将超级电容器作为功率缓冲器,与蓄电池并联使用,应用于在电动汽
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车或混合电动汽车,以对蓄电池在汽车加速、减速时所需的输出、输入瞬时大功 率进行滤波,这样,可以减小电机对蓄电池的峰值功率需求,以减小蓄电池的安 装容量,延长使用寿命。另外,由于超级电容器蓄电池混合储能的性能特点,在 面向可再生能源的应用方面,国内外已经出现来一些理论研究和模型测试,文献 [62-64]就对混合储能在光伏系统中的应用进行了分析研究。 由此可见,将超级电容器蓄电池混合储能应用于光伏发电系统,具有较大的 技术经济优势,是解决目前电力储能难题的有效手段,具有较好的应用前景。

1.5 本文选题的意义、内容安排及主要工作
本文针对独立光伏发电系统中储能装置存在的不足之处,根据超级电容器储 能的特点,深入地研究了超级电容器蓄电池混合储能系统在光伏发电系统中的应 用,为混合储能的进一步应用提供理论依据和技术基础。

1.5.1 课题的意义
随着能源危机的加剧和各国政府对可持续发展的日益关注以及对环境的要求 不断提高,新能源发电的地位不断提升。太阳能发电作为一种最有前途的可再生 能源形式,在最近几年发展尤为迅速。但是光伏发电受外界条件的影响比较大, 外界条件的变化将使系统工作不稳定,对系统中敏感负荷影响尤为突出。而储能 系统恰好可以解决这类问题,提高电能质量、系统稳定性和可靠性,对光伏系统 的发展有重大的推动作用。但是储能,尤其是大容量的电力储能,一直是业界的 一个难题。随着光伏发电系统的大规模发展,以及各种冲击性功率设备的不断增 多,对储能装置提出了更高的要求。开展储能研究有着非常重要的现实价值和长 远意义。 超级电容器作为一种新兴的储能元件,它有着自身的特点和优势。并且超级 电容器与蓄电池在性能特点上有很强的互补性,如果将两者混合使用,使蓄电池 能量密度大和超级电容器功率密度大、循环寿命长等特点相结合,无疑会大大提 高储能装置的性能。现阶段,超级电容器与蓄电池组成混合储能系统,面向可再 生能源分布式发电系统的应用研究,在国际上也已经出现了一些理论研究和模型 试制,而国内的研究刚处于起步阶段,目前还没有实际系统或模型的研制报道。 及早地开展超级电容器混合储能在该领域的应用研究,包括结构设计、能量管理、 性能测试以及相关的关键技术,不但可以改善可再生能源发电系统的储能问题, 还可以为超级电容器的产业化发展打开市场之门,意义深远。

1.5.2 本文主要工作
蓄电池由于其能量密度高,在独立光伏发电系统中得到了广泛的应用。但是 蓄电池功率输出能力不足,寿命不长,为了满足短时大功率而配置大于经常性负
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荷容量造成严重浪费。针对上述问题提出了一种超级电容器蓄电池混合储能的独 立光伏发电系统结构,提高了储能系统的功率输出能力,降低了蓄电池容量配置, 延长电池寿命。对独立光伏系统进行建模,针对超级电容器和蓄电池不同的充放 电特性,采用不同的充放电策略进行控制。根据系统的能量管理策略,将系统分 为 8 种不同的工作模式,通过不同工作模式的切换,保证系统稳定可靠的工作。 论文主要工作如下: ① 总结了目前光伏发电的特点、优势和应用状况,分析了储能系统在独立光 伏发电系统中的作用,对超级电容器蓄电池混合储能的优点和现状进行了详细的 分析。 ② 总结了目前独立光伏发电系统的结构,针对系统的不足,提出了一种超级 电容器蓄电池混合储能的独立光伏发电系统结构。该结构能够提高了储能系统的 功率输出能力,降低了蓄电池容量配置,延长电池寿命。 ③ 根据系统负载功率等级,分别对光伏电池、蓄电池和超级电容器的容量进 行设计。另外,建立了超级电容器蓄电池混合储能结构的模型,用仿真和实验对 模型进行验证,并对混合储能系统的性能进行分析。 ④ 根据超级电容器和蓄电池的各自特点,提出一种直流系统混合储能的设计 方案,建立了混合储能系统的模型和控制环节。针对两个变换器分别工作在三种 不同的工作模式(单向变换器可以工作在 MPPT 模式、恒压模式或者停止模式; 双向变换器可以工作在 Boost 模式、Buck 模式或停止模式),对超级电容器和蓄 电池设计了不同的充放电控制策略,利用一个变换器实现超级电容器和蓄电池的 充放电控制,实现能量在两个方向流动过程中稳压或限流工作,减小系统体积, 便于能量双向流动过程中参数的独立调节。 ⑤ 针对独立光伏系统中含有光伏电池、蓄电池和超级电容器三种能量源,为 了使三种电源在合理的工作模式下协调工作,根据光伏电池和储能装置的工作状 态, 提出系统的能量管理策略, 保证系统稳定的运行。 最后利用 MATLAB/Simulink 进行系统联合仿真。仿真结果表明,混合储能提高了系统的功率输出能力,减少 了蓄电池的容量,减小了蓄电池的冲击电流,延长了系统寿命。

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2 独立光伏发电系统结构及工作原理

2 独立光伏发电系统结构及工作原理
2.1 独立光伏系统的结构
由于光伏发电本身具有不连续性的特点, 独立光伏发电系统中除了光伏电池之 外必须配置一定容量的储能单元保证系统持续供电,如何合理配置光伏电池、储 能单元和负载的连接就成为一个重要的课题。因此对光伏发电系统中的结构和容 量配置十分重要。目前太阳能光伏发电系统的结构主要分为以下几种:

2.1.1 光伏电池通过开关直接能量传递
光伏发电系统中早期应用最为广泛的是如图2.1的一种结构[11],其中光伏电池 阵列、蓄电池和负载之间没有变换器,仅通过开关连接,直接给负载供电。该系 统器件少,系统可靠,效率很高。但是由于蓄电池的充放电的都没有控制,负载 的突变也会导致蓄电池瞬时电流过大;另外,由于光伏电池外界条件时刻变化, 系统没有实现最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)功能,光伏 阵列和负载、蓄电池都必须满足严格的匹配关系,增加系统的费用。

DC Bus 负载 光伏电池 蓄电池

图 2.1 光伏电池与负载直接连接 Fig.2.1 Solar cells connect with the load directly

2.1.2 光伏电池通过 DC/DC 实现 MPPT
为了合理、最大限度的利用太阳能,解决系统的MPPT问题,在系统中加入一 个DC/DC变换器实现上述功能,如图2.2所示。但是,这种结构同样对蓄电池没有 加以控制,蓄电池电压与负载必须匹配,蓄电池的充放电也没有得到有效控制。

DC/DC 光伏电池

DC Bus

负载

蓄电池

图 2.2 光伏电池实现 MPPT Fig.2.2 Solar cells achieve the MPPT

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2.1.3 蓄电池通过双向变换器进行控制
文献[65,66]提出在光伏电池阵列与直流母线之间加入 DC/DC 变换器,在蓄电 池与主流母线之间加入双向 DC/DC 变换器,能量在直流母线与蓄电池之间双向流 动,如图 2.3 所示。这种结构能很好的解决光伏电池阵列与蓄电池组串并联数不匹 配的问题,可以根据电路结构和功率容量比较灵活的选择;系统结构也比较简单, 蓄电池的充放电过程通过一个双向变换器实现,可减轻系统重量。同时双向变换 器能够保护蓄电池的充放电过程,保护蓄电池不受损坏;通过选择两个变换器的 工作模式,有效实现系统能量流动过程。文献[67]将双向 DC-DC 变换器和蓄电池 串联支路并联接至单向 DC-DC 输出端之后,与负载并联。该系统中单向 DC-DC 变换器为提供稳压输出给负载,利用双向 DC-DC 变换器控制蓄电池的充放电,给 负载辅助供电或吸收多余电能,结构与图 2.3 相似。

DC/DC 光伏电池 双向 DC/DC 蓄电池

负载

图 2.3 双向变换器连接在直流母线与蓄电池之间 Fig.2.3 Bidirectional converter connected between the DC bus and battery

2.1.4 多种储能装置供电
近年来,一部分国外学者开始研究超级电容器和蓄电池混合储能系统在光伏 发电系统中的应用。目前,日本的 Yousuke Nozaki 等人在这方面开展了一些研究, 包括系统的安装结构、效率,以及相关的控制方法[62,63]等。研究发现,混合储能 应用于独立光伏系统,可以使蓄电池的最大放电深度维持在较低的水平,还可以 提高光伏系统的能量转化效率。系统的基本结构如图 2.4 所示。这种结构能够在一 定程度上提高蓄电池的使用寿命,减小系统花费。但是,蓄电池必须与负载满足

DC/DC 光伏电池 超级电 容器

DC/DC 蓄电池

负载

图 2.4 混合储能系统结构 Fig.2.4 The system architecture of hybrid energy storage
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严格匹配关系,同样会增加蓄电池的串联个数,增加投入;另外,蓄电池的输出 电流得不到有效控制,不利于蓄电池的保护。 针对现有的独立光伏发电系统的结构,为了提高储能系统的功率输出能力, 延长系统寿命,本文提出一种以超级电容器和蓄电池组成混合储能装置构建的独 立光伏发电系统结构,如图 2.5 所示,包括光伏阵列、系统控制器、变换器、储能 装置及负载组成。系统采用两个双向变换器分别对超级电容器和蓄电池进行控制, 使超级电容器和蓄电池在功率和电压等级上都可以分开选择,不必与负载或者直 流母线满足严格的匹配关系;三个变换器均连接在直流母线上,且直流母线电压 保持稳定,有利于变换器设计;另外超级电容器和蓄电池的充放电控制分开进行, 控制更加灵活方便。

光伏 阵列

DC/DC

负载

蓄电池 组

双向 DC/DC1

双向 DC/DC2

超级电 容器

图 2.5 独立光伏发电系统结构图 Fig.2.5 The block diagram of stand-alone PV system

太阳光经过光伏电池将太阳能转换为电能,由系统控制器控制将电能通过 DC/DC 供给负载使用。如果光照充足,发出的电能在满足负载使用的同时,通过 双向 DC/DC 变换器将多余的电能储存在储能元件中, 当夜间或太阳光照不充足时, 光伏电池发出的电能无法满足负载的要求,此时储能环节就会利用自身所存储的 能量,通过系统控制器为负载提供所需电能,保证系统稳定可靠的运行。

2.2 系统组成及容量选择
独立光伏发电系统组要由光伏电池阵列、变换器、控制器、储能装置以及负 载组成。本文以小型户用的独立光伏发电系统为例,假设系统中负载额定功率为 200W,每天持续工作时间为9小时。根据系统中负荷用电量的要求,可以得到独 立光伏系统中持续负荷的耗电量为 Q ? 1800Wh 。由此可以分别计算出光伏电池、 蓄电池、超级电容器的容量[11]。 ① 光伏电池组件功率的确定及选型。光伏电池组件的电能输出与阵列倾斜面 上的辐射量成正比,由于多数地区光伏阵列在一年的辐射量差别较大,为了降低 系统成本,以光伏阵列年平均太阳能辐射量为基础,计算光伏电池所需容量。

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为了确定光伏电池所需的输出功率,必须先计算出当地日平均太阳日照时数。 首先根据日平均太阳辐射量,转换为倾斜面上的日平均太阳辐射量,然后根据工 程计算方法,年平均太阳日照时数由下式而得:
Tm ? Ht / ? 3.6 ? 365? ? 4.25h

(2.1)

H t 为年平均太阳辐射量。
由此可以得出光伏电池的峰值输出功率为:
Pm ? QK 0
Tm K1 K 2 ?

1800 ? 1.1 4.25 ? 0.9 ? 0.9

? 575W

(2.2)

其中 K 0 为蓄电池的过充系数,取1.1;
K1 为损耗率,取0.9。

考虑光伏电池组件受到灰尘、 衰减等引起的损失, 对所需的功率进行修正,K 2 为修正系数,取0.9。 按照系统要求,选用北京绿洲协力新能源科技有限公司生产的OSM160-24S型 光伏组件,单块功率为160W,转换效率在16%以上。为了满足负载要求,选用4 块光伏电池组件串联而成。表2.1为厂商提供的标准测试条件(光照强度1000W/m2, 温度25 ?C )下光伏电池的具体参数。
表 2.1 标准测试条件下光伏电池阵列参数 Tab.2.1 Parameters of solar arrays under standard test conditions 标准测试条件 最大功率点功率 Pm 最大功率点电流 I m 最大功率点电压 Vm 短路电流 I sc 开路电压 Voc 工作温度范围 单块光伏电池 160Wp 4.65A 34.4V 5A 43.2V -40~85 ?C 光伏电池阵列(4块串联) 640Wp 4.65A 137.6V 5A 172.8V -40~85 ?C

② 蓄电池容量确定及选型。光伏电池输出的电能随着外界条件的变化差别很 大,当光伏电池组件产生的电能不能满足负载要求的时候,需要储能装置来补充 电能的缺额;在超过负载用电要求时,多余的电能给蓄电池充电储存起来。在系 统中蓄电池为主要的储能装置,保证在光伏电池输出不足时为负载提供持续可靠 的供电。 蓄电池的容量由下式确定:

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Cb ?

Q ? N ? Rb ? 162(Ah) Vb ?? ? D ? Lb

(2.3)

式中, Cb —蓄电池容量(安时,Ah) ;

Q —蓄电池需向负载提供的能量,1680Wh;
N —连续阴雨天数,取3天; Rb —蓄电池放电效率的修正系数,一般取1.05; Vb —蓄电池额定电压,取48V;

? —直流变换器的效率,取95%;
D —蓄电池最佳放电深度,取0.75;
Lb —蓄电池维修率,取0.9。
蓄电池的技术参数如表2.2所示。
表 2.2 蓄电池技术参数 Tab.2.2 The technology parameters valve of regulated sealed battery 名称 额定电压 额定容量(10hr) 等效内阻 充电方法 长 外形尺寸 宽 高 40℃(104℉) 容量与温度的关系 (20小时率) 25℃(77℉) 0℃(32℉) -15℃(5℉) 恒压充电 最大充电电流 充电电压 最大充电电流 浮充 充电电压 充电温度补偿电压 属性 蓄电池 48V 60Ah 75m ? 恒压限流 450mm 200mm 340mm 102% 100% 85% 65% 20A 53.5-55.0V/48V77℉(25℃) 20A 51.6-52.8V/48V77℉(25℃) -18mV/℃

因此选择 3 组该型号蓄电池并联。蓄电池的充电方式有很多种,由于蓄电池 在充电过程中的温升和气体的产生会限制蓄电池的充电速度,这种现象就会延长
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蓄电池的充电时间。一般来说,常规的充电有恒流充电、恒压充电和阶段充电法。 恒流充电法的原理的通过调整充电装置输出电压或者与蓄电池串联电阻,来 调节充电电流基本不变,该控制方法简单,但是随着充电的进行电池的充电电流 将会逐渐下降。在充电后期,电解水逐渐增加,产生气体,电流会减小。恒压充 电法是充电电源在全部充电时间内以一个恒定的电压值对电池进行充电,随着蓄 电池端电压的逐渐升高,电流逐渐减少。与恒流充电法相比,其充电过程更接近 于最佳充电曲线。另外,使用恒定电压快速充电,在充电初期蓄电池端电压较低, 充电电流很大,随着充电的进行,电流将逐渐减少,因此,这种充电方法控制较 简单在充电过程电解水很少,避免了蓄电池过充。但由于充电初期电流过大,会 降低蓄电池的使用寿命,且容易使蓄电池极板弯曲,造成电池报废。鉴于这两种 充电方法自身的特点,以及最大限度利用太阳能的目标,延长蓄电池的寿命,一 般采用阶段充电的方式。 在实际的使用过程中,多推荐采用恒压限流的充电方式,这样可以增加蓄电 池的可靠性和缩短充电时间。首先,以恒电流充电至预定的电压值,然后,改为 恒电压完成剩余的充电,一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。由 于蓄电池存在一定程度的自放电,为了弥补这个过程对蓄电池造成的不利影响, 一般在两阶段充电完毕时,继续对蓄电池进行小电流的恒压浮充,这样就构成了 典型的“三阶段充电”方法,充电过程中蓄电池的电压和电流的关系如图2.6所示。 浮充阶段的电压要求比恒压阶段要低一些。

电 压 和 电 流

充电电压V

充电电流I

0 恒流充电阶段 恒压充电阶段 浮充阶段 时间

图 2.6 三阶段充电时蓄电池电压和电流关系曲线示意图 Fig.2.6 The charging battery voltage and current curve Schematic of three stages

③ 超级电容器容量选择。根据系统中的冲击功率,设计超级电容器的容量, 系统中的冲击功率为200W。则超级电容器的容量根据系统中需要超级电容器提供 的功率与超级电容器减小的功率相等的原则来近似计算,即:

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C?

2tW ? 17.1F V0 ? V f 2
2

(2.4)

式中: t 为支撑时间,设为30s;

W 为超级电容器需向负载提供功率;
V0 为电容额定电压;

V f 为放电终止电压。
选用锦州百纳电气有限公司SCPS2R7357型超级电容器18个串联而得。串联后 超级电容器容量为19.4F。
表 2.3 超级电容器技术参数 Tab.2.3 The technology parameters valve of ultracapaticor 型号 电容量(25℃,F) 电容偏差率 工作电压(V) 浪涌电压(V) 最大持续电流(25℃,A) 最大尖峰电流(25℃,A) 直流最大内阻(m ? ) 交流最大内阻(100Hz,m ? ) 最大漏电流(12h,25℃,mA) 尺寸(mm) 质量(g) 工作温度范围(℃) 循环寿命 SCPS2R7357 350

? 20%
2.7 2.85 60.5 125 0.8 0.55 5.2 35 ? 70 19.7 -40~65 1000000

2.3 超级电容器蓄电池混合储能模型分析
在冲击负载工作的场合,蓄电池由于其功率密度小,放电过程中受化学反应 离子扩散速度的影响,难以释放大的瞬时功率,大功率输出能力不足。而超级电 容器功率密度大,充放电速度快,储能效率高,循环寿命长,适用于冲击功率输 出场合,但是大容量储能还比较困难。因此两者的混合储能,能够提高储能系统 的性能。
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在分析蓄电池和超级电容器等效电路时,通常将超级电容器看成一个大电容 和等效电阻串联,蓄电池看成一个电压源和等效内阻串联,其结构如 2.7 所示。将 (a)图转换为复频域模型,简化后的模型如图(b)所示。图中:

i0
ib Vb ? ? Rb ic
C

Vs ? ?

Rs

Zs

(a)

(b) 图 2.7 超级电容器蓄电池混合储能模型

Fig.2.7 The hybrid storage model of ultracapacitor and battery

V ( s) ?

Vb Rb Vco ? Vb ? 1 s Rb ? Rs s ? ( Rb ? Rs )C
s?

(2.5)

1 RR Rs C 1 Z ( s ) ? Rb / /( Rs ? ) ? b s 1 sC Rb ? Rs s ? ( Rb ? Rs )C

(2.6)

对系统施加一个脉动电流,峰值电流为 I 0 ,脉动周期为 T ,占空比为 D ,则 电流 i0 (t ) 为:
i0 (t ) ? I 0 ?[? (t ? kT ) ? ? (t ? (k ? D)T )] , (k ? 0,1, 2 ??????)
k ?0 N ?1

(2.7)

式中, ? ? t ? 为阶跃函数,对其进行拉氏变换,得到脉动电流频域表达式为:

e? skT e? ( k ? D )Ts I 0 ( s) ? I 0 ?[ ? ] s s k ?0
N ?1

(2.8)

由此可以得到脉动电流在等效电阻上的压降为:

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1 RRI Rs C e? skT ? e? s ( k ? D )T VZ ( s) ? b s 0 ? [ ] 1 Rb ? Rs k ?0 s ? s ( Rb ? Rs )C
N ?1

s?

(2.9)

负载上的脉动电压降为:
1 Vb Rb Vco ? Vb Rb Rs I 0 RsC e? kTs ? e? ( k ? D ) sT V0 ( s) ? ? ? ] (2.10) ?[ 1 1 s Rb ? Rs s ? Rb ? Rs k ?0 s ? s ( Rb ? Rs )C ( Rb ? Rs )C
N ?1

s?

将上式进行拉氏反变换, 得出负载压降时域表达式为: Vco 为电容器初始电压。
? Rb v0 (t ) ? vb ? (Vco ? Vb )e ( Rb ? Rs )C ? Rb ? Rs t ? kT t ? ( k ? D )T ?? ? ? ? ? Rb Rb ( Rb ? Rs ) C Rb I 0 ? ??1 ? e e ( Rb ? Rs )C ? ? (t ? kT ) ? ?1 ? ? Rb ? Rs ? ? Rb ? Rs k ? 0 ?? ? ? ? N ?1 t

? ? ? ? (t ? (k ? D)T ) ? ? ? ? ?

(2.11) 由此可得超级电容器和蓄电池支路的电流为:
t t ? kT t ? ( k ? D )T N ?1 ? ? ? ? Vco ? Vb ? ( Rb ? Rs )C Rb Rb ( Rb ? Rs ) C ic (t ) ? e ? I0 ? ? e ? (t ? kT ) ? e ( Rb ? Rs )C ? (t ? (k ? D)T ) ? Rb ? Rs Rb ? Rs k ?0 ? ? ? Rb ? Rs ?

(2.12)
ib (t ) ? ?
N ?1

(Vco ? Vb ) ? ( Rb ? Rs )C e ? Rb ? Rs ? ? ? ? (t ? (k ? D)T ) ? ? ? ? ?

t

t ? kT t ? ( k ? D )T ?? ? ? ? ? Rb Rb ( Rb ? Rs ) C I 0 ? ?? 1 ? e e ( Rb ? Rs )C ? ? (t ? kT ) ? ?1 ? ? ? ? Rb ? Rs k ? 0 ?? ? ? Rb ? Rs ?

(2.13)

稳态时的电流为:
t ? kT ?? ? ? ? Rb ( Rb ? Rs ) C e ?? 1 ? ? ? ? (t ? kT ) ? N ?1 ?? ? ? Rb ? Rs ? ibss (t ) ? I 0 ? ? ? t ? ( k ? D )T ? ? k ?0 ? ? ? Rb 1? e ( Rb ? Rs )C ? ? (t ? (k ? D)T ) ? ?? ? ? ? ? ? Rb ? Rs ? ? ? ?

(2.14)

RI icss (t ) ? b 0 Rb ? Rs

kT t ? ( k ? D )T ? ? ? ( Rt ? ? b ? Rs ) C ? (t ? kT ) ? e ( Rb ? Rs )C ? (t ? (k ? D)T ) ? ?e ? k ?0 ? ? ? ? N ?1

(2.15)

2.3.1 混合储能直流系统模型验证
根据上文对蓄电池和超级电容器建立的等效电路模型,对混合储能直流系统
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2 独立光伏发电系统结构及工作原理

的模型和性能进行仿真分析,并利用实验数据对其进行验证。实验时,选择实验 室购买的CH 15型磷酸铁锂动力电池组和锦州百纳电气有限公司 BMOD0165P048 型超级电容器, Rb ? 75m? , Rs ? 6.3m? ;负载为50 ? 的电阻负载,周期4s,占空 比为50%。实验和仿真波形如图2.8所示,图中 V0 为负载端电压, I 0 为负载电流。 通过仿真和实验波形对比可以看出,超级电容器在放电时端电压下降较快,而蓄 电池电压基本不变,实验结果与仿真结果基本一致。

(a) 超级电容器单独储能时仿真波形

(b) 超级电容器单独储能时实验波形

(c) 蓄电池储能时仿真波形

(d) 蓄电池单独储能时实验波形

(e)混合储能时仿真波形

(f)混合储能时实验波形

图 2.8 实验和仿真结果比较 Fig.2.8 Comparison of results obtained in laboratry in and simulation tests

2.3.2 混合储能直流系统性能分析
为了验证混合混合储能性能上的改善,下面对混合储能的性能进行分析。基 于混合储能性能分析结果,对上述混合储能超级电容器和蓄电池支路稳态电流波 形进行仿真。利用周期为2s、占空比为0.2、电流为 I 0 ? 5A 脉动负载进行实验。 稳态时系统的工作波形如图2.9所示。从图中可以看出,在负载脉动期间,超
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级电容器和电池均向负载提供电流,但是超级电容器支路输出大部分电流,蓄电 池支路输出电流较小,当负载断开时,电池仍然以小电流向超级电容器充电。由 此可以得到采用超级电容器蓄电池混合储能,可以大幅度降低蓄电池在负载突变 期间的输出电流峰值,达到保护蓄电池的目的。

图 2.9 负载脉动时储能系统响应 Fig.2.9 The response of energy storage system when the load pulse

在 t ? ? k ? D ? T 时,蓄电池支路的稳态电流为:
?1? D ?T ? ? DT ( Rb ? Rs ) C ? ? Rb 1? e ibp ? I 0 ?1 ? e ( Rb ? Rs )C T ? ( Rb ? Rs ) C ? Rb ? Rs 1 ? e ?

? ? I0 ?? ? ? ?

(2.16)

从式 2.16 可以看出,蓄电池支路的电流始终小于脉动负载电流,大部分负载 电流由超级电容器承担。蓄电池输出功率为 Pbp ? ibp ?Vb 。其中 ? 为功率增强因子, 表达式如下:
?1? D ?T ? ? DT ( Rb ? Rs ) C ? ? Rb 1? e ? ? ?1 ? e ( Rb ? Rs )C T ? ( Rb ? Rs ) C ? Rb ? Rs 1? e ?

? ? ? ? ?

?1

(2.17)

所以混合储能系统的最大输出电流 imax ? ibp ? ,最大功率输出为 P ? Pbp ? 。所以 混合储能系统的功率输出能力增加了 ? 倍。在极端条件占空比为0时混合储能有最 大的功率输出, ? ? ? Rb ? Rs ? Rs ? 1 ? Rb Rs 。 从上式可以看出,混合储能系统的功率增强能力与两者的内阻有密切的关系,

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超级电容器内阻越小,功率增强能力越大。

2.4 本章小结
通过对传统的独立光伏发电系统结构不足的分析,提出了一种基于超级电容 器蓄电池混合储能的独立光伏发电系统的结构,分析了该结构的优点。根据负荷 用电的要求,分别对光伏电池、蓄电池和超级电容器的容量进行配置,分析了超 级电容器蓄电池混合储能的模型,并对模型进行验证,最后对混合储能的性能进 行了分析。

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3 混合储能系统能量管理策略及控制策略研究

3 混合储能系统能量管理策略及控制策略研究
3.1 引言
根据上一章提出的独立光伏发电系统的结构,系统的电路图如图 3.1所示,采 用太阳能为一次能源,蓄电池和超级电容器作为储能单元。系统中光伏电池通过 单向变换器连接负载,能量单向流动。蓄电池和超级电容器组成的混合储能装置 分别通过一个双向变换器连接在直流母线上,能量双向流动。

D1

单向DC/DC变换器

Q1

L1

双向DC/DC变换器2

L3
iL3

?
C1

iL1

?
S

Q4 Q5

VPV
光伏电池

D2

C2

Vbus
RL

? VC ?

C

?
双向DC/DC变换器1

?

iL2

L2

Q2 Q3

? Vb ?

C3

图 3.1 太阳能独立光伏发电系统电路图 Fig.3.1 Proposed stand-alone photovoltaic system

系统中在直流母线与蓄电池之间加入一个双向变换器,主要是为了更好的控 制蓄电池的充放电,根据光伏电池的输出和负载的需求,通过控制蓄电池电流环 的限幅值,使其始终处于优化充放电状态,减小蓄电池的充放电电流,改善蓄电 池的工作环境,有效延长蓄电池的寿命。如果蓄电池直接连接在直流母线上,而 连接超级电容器的直流变换器和控制上都需要一定的响应时间,因此蓄电池都会 承担一定时间的冲击电流。另外,在这种情况下蓄电池的端电压就不必与直流母 线保持严格的匹配关系,可以降低蓄电池的配置容量。通过对光伏电池、超级电 容器和蓄电池合理的配置及能量管理,保证系统稳定可靠的运行。系统主要分析 三种能量在独立光伏发电系统中的分配问题,为简化分析,系统中选用电阻为直

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流负载。 当系统中光伏电池输出功率大于负载额定功率时,多余的能量通过变换器在 蓄电池和超级电容器中存储起来;当输出功率不足时,由蓄电池和超级电容器放 电保证负载供电稳定。光伏电池铭牌参数为:最大功率点电流 I m =4.65A,最大功 率点电压 Vm =34.4V,短路电流 I sc =5A,开路电压 Voc =43.2V,系统采用 4 块光伏电 池串联。设定光伏电池输出电压小于 60V 时,光伏电池没有能量输出,峰值功率 为 640Wp, 直流母线电压为 100V。 在系统中, 直流母线电压一般要求波动小于 5%, 在不同的工作模式下通过控制不同变换器的输出电压,与给定的直流母线电压参 考值比较,从而控制其输出电流,实现直流母线电压在一个很小范围内波动的目 的,保证直流母线电压的基本稳定。 通过对三个变换器合理有效的控制,实现混合储能装置的充放电过程,对系 统的能量流向进行管理,合理利用太阳能,实现独立光伏发电系统稳定、可靠、 高效的工作。系统能量管理的核心就是如何根据光伏电池和储能元件的工作状态, 控制三个变换器分别工作在合适的工作模式,使得蓄电池超级电容器和光伏电池 这三个电源协调工作,保证整个系统的正常工作。

3.2 系统工作模式的选择
通过检测蓄电池端电压 Vb 、端电流 ib ,光伏电池输出电压 VPV ,超级电容器端 电压 VC , 直流母线电压 Vbus , 光伏电池输出功率 PPV , 输出电流 i0 , 输出额定功率 P0 可以将系统分为 8 种工作模式。系统中设置蓄电池过充电压和过放电压分别为
Vb ?max ? 55V , Vb ? min =43V,超级电容器过充电压分别为 VC ? max =50.4V, VC ? min =40V,

ib ?max =5A,光伏电池 VPV 1 =75V, Vbus =100V。8 种工作模式如图 3.2 所示:
工作模式 1: 当系统启动正常工作时, 单向变换器工作在最大功率跟踪(MPPT) 模式下,保证光伏电池输出最大功率。如果光伏电池小于负载功率要求( PPV ? P0 ), 蓄电池提供不足功率,通过控制双向变换器 1 高压侧的电压和电感电流,保证直 流母线电压稳定。如图 3.2(a)所示。 工作模式 2: 单向变换器工作 MPPT 模式下, 如果光伏电池大于负载功率要求 ( PPV ? P0 ),多余的能量向蓄电池和超级电容器充电,双向变换器 1 工作在 Boost 模式下,保证直流母线电压稳定,如图 3.2(b)所示。 工作模式 3:在工作模式 1 的情况下,如果检测到负载发生突变,双向变换器 2 启动工作在 Boost 模式下,为负载提供冲击功率,并控制其输出电压,保证直流 母线电压的稳定,如图 3.2(c)所示。 工作模式 4:在工作模式 2 的情况下,负载突变时,系统的充电电流减小,能 量向反方向流动,如图 3.2(d)所示。

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工作模式 5:若果蓄电池充电达到过充电压( Vb ?max ? 55V )或者充电电流达到最 大允许充电电流( ib?max ? 5A ),单向变换器工作于恒压模式,控制其输出电压,保 证直流母线电压的稳定, 双向变换器 1 工作于 Buck 模式, 给蓄电池充电, 如图 3.2(e) 所示。

超级电容 器

双向变换器2

超级电容 器

双向变换器2 Buck模式 单向变换器 MPPT模式

单向变换器 MPPT模式 光伏电池 蓄电池组 双向变换器1 Boost模式

负载

负载

光伏电池 蓄电池组 双向变换器1 Boost模式

(a) 工作模式 1
超级电容 器 双向变换器2 Boost模式 单向变换器 MPPT模式 光伏电池 蓄电池组 双向变换器1 Boost模式

(b) 工作模式 2
超级电容 器 双向变换器2 Boost模式 单向变换器 MPPT模式 光伏电池 蓄电池组 双向变换器1 Buck模式

负载

负载

(c) 工作模式 3
单向变换器 恒压模式 光伏电池 蓄电池组 双向变换器1 Buck模式 负载
光伏电池 蓄电池组

(d) 工作模式 4
单向变换器 停止

负载

双向变换器1 Boost模式

(e) 工作模式 5
超级电容 器 双向变换器2 Boost模式 单向变换器 停止 光伏电池 蓄电池组 双向变换器1 Boost模式

(f) 工作模式 6
超级电容 器 双向变换器2 停止 单向变换器 停止 光伏电池 蓄电池组 双向变换器1 停止

负载

负载

(g)工作模式 7 图 3.2 系统工作模式

(h) 工作模式 8

Fig.3.2 The Operation modes of the proposed system

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工作模式 6:光伏电池无输出( PPV ? 0 ),单向变换器停止工作,双向变换器 1 工作在 Boost 模式,蓄电池单独为负载供电,控制输出电压,保证母线电压稳定, 如图 3.2(f)所示。 工作模式 7:在工作模式 6 情况下,如果负载功率突变,启动超级电容器为负 载放电,提供冲击功率,如图 3.2(g)所示。 工作模式 8 :超级电容器和蓄电池放电时间过长,端电压达到过放电压时 ( Vb ?min =43V,VC ? min =40V),三个变换器停止工作,系统停止运行,切断负载上的开 关 S,如图 3.2(h)所示。 另外,系统启动时首先检测光伏电池输出电压,大于设定值时( VPV ? VPV 1 ),开 关 S 开通接入负载,单向变换器开始工作;如果光伏电池输出功率较小,不能满 足负载要求,而此时储能元件的端电压达到设定的过放电压时,整个系统将停止 工作,对应于第 8 种工作模式。 从上述 8 种工作模式可以看出,单向变换器在 MPPT 模式、恒压工作模式和 停止工作之间切换;而双向变换器在 Buck 模式、Boost 模式和停止工作之间切换。 为了保证各个变换器协调可靠的工作,系统必须有要合理的控制策略和能量控制 电路来实现。

3.3 单向变换器控制策略
从图 3.1 可以看出, 单向变换器两端分别连接光伏电池和低压端直流母线。 VPV 和 Vbus 分别表示光伏电池电压和直流母线电压。根据系统设定的不同工作状态,单 向变换器要在 MPPT 模式、恒压工作模式和停止工作之间灵活切换,保证系统的 稳定工作。

3.3.1 MPPT 工作模式
当光伏阵列输出的电能不能满足负载要求时,单向变换器工作在 MPPT 模式 下,使光伏电池能有最大的能量输出,向负载输出电能。本文 MPPT 控制方法选 用电导增量法。对于光伏阵列某一固定 P ? V 曲线如图 3.3 所示,在其最大值 Pm 处 的斜率为零,所以有:
dP / dV ? d ( I ?V ) / dV ? I ? V ? dI / dV ? 0 ,即 dI / dV ? ?I / V

(3.1)

当 V ? Vm 时,有 dP / dV ? 0 ;当 V ? Vm 时,有 dP / dV <0 ;当 V ? Vm 时,有

dP / dV>0。即:
dI / dV ? ? I / V ?V ? Vm ? dI / dV ? ? I / V ?V ? Vm ?
dI / dV ? ? I / V ?V ? Vm ?
30

(3.2) (3.3) (3.4)

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可以根据 dI / dV 与 ? I / V 之间的关系来调整工作电压而达到 MPPT 的目的。
P I
Im Pm

Vm

V

图 3.3 光伏电池输出特性曲线 Fig.3.3 Characteristics of PV array

当 dV ? 0 时,光伏电池的工作点电压没变,此时外界条件可能会发生变化,导致 工作点在不同的输出特性曲线之间转移。若 dI ? 0 ,说明外界条件没有变化,仍工 作于最大功率点;若 dI ? 0 ,说明工作点向功率增大的方向变化,输出特性曲线上 移, 原来的工作点位于当前最大功率点的左侧, 此时应增大电压; 当 dI / dV ? ?I / V 时,说明工作点正处于最大功率点的左侧,应该继续增大工作电压,若

dI / dV ? ?I / V ,则维持在最大功率点。图 3.4 为电导增量法的控制流程图。Vn ?1 和
I n ?1 为上一时刻采样值, Vn 和 I n 为当前电池的电压电流。
开始

检测光伏电池的输出 电压 Vn 、电流 I n

dV ? 0



否 是
dI / dV ? ? I / V
dI ? 0




dI / dV ? ? I / V


dI ? 0

是 否
Vr ? Vr ? ?V Vr ? Vr ? ?V




Vr ? Vr ? ?V Vr ? Vr ? ?V

Vn ?1 ? Vn

I n ?1 ? I n

结束

图 3.4 电导增量法控制流程图

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Fig.3.4 Block diagram of conductance increment method

3.3.2 恒压工作模式
如果光伏电池输出功率持续较大,当储能元件充电达到充电最大电压(蓄电 池最大允许电压 Vb ?max =55V)时,或者蓄电池的充电电流达到最大允许电流时,单 向变换器退出 MPPT 模式,改为恒压工作模式,控制输出端电压,给直流母线提 供稳定的电压。 根据状态空间平均法,假设 Buck 变换器工作在电流连续模式下,得到 Buck 变换器的控制到输出的小信号传递函数为:
Gvd ? s ? ? V bus ? s ? ? ?s? d ?
? ? s ??0 V PV

VPV 137.6 ? ?7 2 ?5 L L1C2 s 2 ? 1 s ? 1 5.61?10 s ? 3.4 ?10 s ? 1 R
Vbus ? s ?

(3.5)

系统的控制框图如下:
Vbus* ? s ? ? ?

PID

Gvd ? s ?

FM ? s ?

H (s)
图 3.5 单向变换器恒压工作模式控制框图 Fig.3.5 Diagram of constant voltage charge control with unidirectional Converter

图 3.5 中, H ( s) 为采样网络传递函数,取参考电压与输出电压之比等于电压 采样网络的传递函数,即 Vref H ( s) ? =1/10 (3.6) V

FM ( s) 为脉宽调制器对占空比的传递函数,忽略开关频率产生的延迟时间,
PWM 装置可以作为线性环节考虑, 若脉宽调制器为三角波峰峰值为 VM ? 4V , 则: 1 FM ( s) ? (3.7) VM 则系统补偿前的开环传递函数如下, Gc ( s) 为单位增益。 3.44 T (s) ? Gc (s) FM (s) H (s)Gvd ? s ? ? (3.8) ?7 2 5.61?10 s ? 3.4 ?10?5 s ? 1 由式(3.8)得到开环传递函数波特图如图 3.6 所示: 从开环 bode 图可以看出,系统的相位裕量太小,稳态误差太大,穿越频率太 低,造成系统响应速度太慢,因此采用 PID 补偿网络,其传递函数为:

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( 1? Gc ( s ) ? Gc 0

s

?z
(1 ?

)( ?1 s

?L
s

)

(3.9)

?p

)

图 3.6 恒压工作模式开环传递函数 bode 图 Fig.3.6 Bode curve with constant voltage charge control

因为系统的开关频率为 10kHz ,设定穿越频率为 f c =1kHz ,相位裕量为

? m =52 ? ,则 PID 补偿网络的零极点频率计算公式为:
f z ? fc 1 ? sin ?m =344Hz 1 ? sin ?m

(3.10) (3.11)

f p ? fc

1 ? sin ?m =2904Hz 1 ? sin ?m

设计倒置零点的频率为穿越频率的十分之一,则 f L ? fc 10 =100Hz。

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图 3.7 恒压工作模式带 PID 补偿网络开环 bode 图 Fig.3.7 The bode diagram of constant voltage charge control with PID

PID 补偿网络的直流增益为:
? f ? 1 Gc 0 ? ? c ? ?f ? T ? p 0 ? uo
2

fz ? 2.52 fp

(3.12)

式中, Tuo 为直流增益, f p 0 ? 2?

L1C2 为双重极点频率。

根据以上几式,可以得到加入 PID 补偿网络后的开环传递函数为: 62.5s 2 ? 1.743 ?105 s ? 8.377 ?107 T1 ( s) ? T ( s)Gc (s) ? 5.61?10?7 s 4 ? 1.026 ?10?2 s3 ? 1.62s 2 ? 18237s 根据上面的传递函数,绘制的开环系统 bode 图如图 3.7 所示。 从图中可以看出,加入 PID 补偿网络后,系统能够有效抑制高频干扰,相位 裕量能够满足要求,满足设计要求。

3.4 双向变换器控制策略
从图 3.1 可以看出,两个双向变换器承担超级电容器和蓄电池充放电的任务, 双向变换器根据工作状态和能量变换方向的不同,可以在 Boost 模式、Buck 模式 和停止工作 3 种工作状态下切换,这受控于能量管理控制电路产生的选通信号和 双向变换器的关断信号。 根据蓄电池充放电的特点,采用一种双向双环控制策略,使蓄电池在两个方 向上都实现稳压或限流工作,在保证响应速度的同时,又能保证电压无静差。

3.4.1 双向变换器 Buck 工作模式
由于系统中存在超级电容器和蓄电池两个储能元件, 且两者的充电方式并不一 样,蓄电池采用恒压限流的充电方式,而超级电容器采用恒流限压的充电方式,
34

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因此两个双向变换器采用不同的充电控制方案。 当蓄电池充电时,双向变换器1利用双环控制实现蓄电池的恒压限流充电,原 理框图如图3.8所示。

Vb* ( s ) +

-

Gv ( s )

+

-

Gi ( s )

FM ( s )

Gid ( s )

iL2 ( s )

Z (s)

Vb ( s )

K1 K2

图 3.8 蓄电池恒压限流充电控制电路方框图 Fig.3.8 Diagram of constant voltage and limited current charge control with battery

虚线框为电流控制内环,框外有一个限幅环节,当蓄电池端电压 Vb 较低时, 由于外环的作用,使限幅器输出最大值,限定蓄电池的充电电流;当充电电压超 过给定值 Vb * 时,电压闭环使蓄电池充电电压小于此值。此时,充电电流给定值降 低,限幅器从限流状态退出,使电流环成为外环的一个惯性环节,系统自动转入 恒压充电状态。其中 Gv ( s) 、 Gi ( s) 分别为电压控制器和电流控制器, Gid ( s) 为蓄电 池充电模式下控制到输出的小信号传递函数。
Z ( s) 为负载和输出电容支路的并联阻抗,即输入并联阻抗的电流对输出电压

的传递函数。为了求解,在零初始条件下引入复数阻抗,通过直接列写网络代数 方程求出。此时充电系统的负载为蓄电池,当蓄电池在较大的电流充电下,蓄电 池两端的电压缓慢上升,特性为一个大的延时环节,表现为容性。为了简化电路 结构,将蓄电池视为一个兆法级电容 Cb 与一个较小的等效内阻串联[68]。所以 Z ( s) 的简化模型如图3.9所示:

iL (s) ic (s) ib (s)
2

C3

Cb Rb

Rc

图 3.9 负载等效电路模型 Fig 3.9 Load equivalent circuit model

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其中 Cb 为蓄电池等效电容, Rc 和 Rb 分别为滤波电容等效内阻和蓄电池串联电 阻。 ic (s) 为流过滤波电容的电流, ib ( s) 为流过电容 Cb 的电流,即蓄电池的充电 电流,则:

iL (s) = ic (s) + ib (s)
2

(3.13)

根据图3.9,得到 Z ( s) 的表达式为:

Z (s) ?

?1 sC3 ? Rc ? ?1 sCb ? Rb ?
1 sC3 ? Rc ? 1 sCb ? Rb

=

s

2

? sC4 Rc ? 1? ? sCb Rb ? 1? ? Rc ? Rb ? C3Cb ? s ? C3 ? Cb ?
C3 ,可简化 Z ( s) 得:

由于蓄电池的等效电容很大, Cb

Z (s) ?

? sC3 Rc ? 1? ? sCb Rb ? 1? ? sC3 Rc ? 1? ? sCb Rb ? 1? ? s 2 ? Rc ? Rb ? C3Cb ? sCb sCb ? s ? Rc ? Rb ? C3 ? 1?
?

Rb ? sC3 Rc ? 1? ? sCb Rb ? 1? sCb Rb ? s ? Rc ? Rb ? C3 ? 1?
3

(3.14)

由于 Cb Rc

? Rc ? Rb ? C ,所以式3.14可以简化为:
Z ( s) ?

Rb ? sC3 Rc ? 1? s ? Rc ? Rb ? C3 ? 1

(3.15)

为了方便计算,现给出系统的参数如下:

f s ? 10kHz ,L2 ? L3 ? 1.3mH ,C3 ? 680μF ,Rb ? 0.225? ,Rc ? 0.05? ,K1 ? 1 , K 2 ? 0.1, K3 ? 1 , K 4 ? 0.1
(1)电流内环设计 为了使电感连续,则电感平均电流的表达式可以表示为:

iL2 ( s) ?

Vbus d ( s) sL2 ? Z ( s)

(3.16)

其中 Vbus 为直流母线电压,并且 Rb 和 Rc 都很小,所以滤波电容支路阻抗远大 于蓄电池支路阻抗,由此可得:

ic (s) ? ib (s) ,从而可以近似认为电感电流都向蓄电池充电,则:
Gid ( s) ? iL2 ( s) d (s) ? Vbus sVbus ? 1 1 sL2 ? ? Rb s 2 L2 ? ? sRb sCb Cb

(3.17)

进一步简化可得:
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Gid ( s) ?

sVbus Vbus ? s L2 ? sRb sL2 ? Rb
2

(3.18)

从上式可以看出电流内环的开环传递函数可以看作一个一阶惯性环, 对图3.10 的电流内环进行整理,把电流内环看成一个单位负反馈系统,如下图所示:
iL2 ? ( s ) K1 + -

Gi ( s )

FM ( s )

KG 1 id (s)

iL2 ( s )

Z ( s ) Vb ( s )

图 3.10 简化后的电流环结构图 Fig.3.10 Diagram of simplified current loop

带入参数可得电流内环的开环传递函数为: T1 ?

111 5.7 ?10?3 s ? 1

蓄电池在充电过程中,通过控制希望在在突加充电电流时超调较小,保证电 流在动态过程中不超过系统的允许值。系统设计时内环以跟随性能为主,内环的 响应速度要比外环快很多,因此将系统校正为典型Ⅰ型系统。设定穿越频率为

f c =1kHz。
为了实现校正目标,选择单极点单零点校正网络,与控制对象极点对消,将 其校正为典型Ⅰ型系统,则
? s ? Ki ?1 ? ? ?iz ? ? Gi ( s ) ? ? s ? s ?1 ? ? ? ? ? ip ? ?

(3.19)

为了实现上述控制目标,令 1 ?iz ? 5.7 ?10?3 ,把开环传递函数里的开环放大倍 数设为 KiP ? K1KiVbus Vm Rb ? ?c ? 6280rad / sec ,则
Ki ? KipVm Rb K1Vbus ? 56.5

(3.20)

系统中,放大倍数 K iP 越大,相位裕量就越大,阻尼比就减小,但是快速性也 相应的减小。在典型Ⅰ型系中,为了实现二阶最佳设计,电流环的闭环传递函数 阻尼比 ? =0.707,超调量 ? i ? 5%。所以得到:

1

?ip

?

1 ? 7.96 ?10?5 2 KiP

(3.21)

37

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3 混合储能系统能量管理策略及控制策略研究

图 3.11 电流环开环传递函数 bode 图 Fig.3.11 The bode diagram of current loop

校正后系统电流内环的开环传递函数为: 6280 Ti ? s ? ? 7.96 ?10?5 s 2 ? s

(3.22)

为了检验校正后的效果,绘制电流内环的开环传递函数bode图如图3.11所示: 从bode图中可以看出,穿越频率为936Hz,低频段以20dB/sec下降,中频段以 20dB/sec穿越0分贝线,而高频段以40dB/sec衰减,能够很好的抑制高频噪声。同 时相位裕量较大,能够满足系统设计要求。 (2)电压外环设计 当在设计电压外环时,电流环看作电压环中的一个环节,电压外环的响应速 度要求比内环要慢,这里取外环的穿越频率为内环的 1/10,即 f v =100Hz。电流环 的闭环传递函数为:
Wi ? s ? ? Ti ? s ? ? 1 ? Ti ? s ? 1 1 K p? p s2 ? 1 s ?1 Kp

(3.23)

分析可知, ?c

?v ,这样就可以对电流环闭环传递函数进行降阶,忽略其高
Wi ? s ? ? 1 1 s ?1 Kp

次项,这样就可以得到电流环的传递函数为: (3.24)

得出简化后的电压环结构图如图3.12所示:

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Vb* ( s) +

-

Gv ( s )

iL2 ? ( s)

1 K1 ?1 K p ? s ? 1

Z (s)

Vb ( s)

K2
图 3.12 电压环结构框图 Fig.3.12 Diagram of voltage loop

带入表达式,电压环结构图可表示为3.13所示:

Vb* ( s) K 2 +

-

Gv ( s)

iL2 ? ( s)

?s K

K 2 Rb ? sC3 RC ? 1? K1
p

? 1? s ? Rc ? Rb ? C3 ? 1

Z (s)

Vb ( s)

图 3.13 简化电压环结构图 Fig.3.13 Diagram of simplified voltage loop

从上图可以看出,电压环传递函数很复杂,在校正时难以得到理想的效果, 根据电压内环自身的特点, 保证在误差范围内, 对其进行简化。 由于系统中 C3 Rc 和
C3 ? Rc ? Rb ? 相差不是很大,在设计时将两者抵消,就得到开环传递函数为:

Tv ? s ? ?

?s K

K 2 Rb ? sC3 Rc ? 1? K1
p

? 1? s ? Rc ? Rb ? C3 ? 1

?

K 2 Rb K1 0.0225 ? ? s K p ? 1? 1.95 ?10?4 s ? 1

(3.25)

根据系统要求,电压指标要求与电流类似,电压环补偿网络的传递函数为:
? s ? K v ?1 ? ? ? ?vz ? Gv ( s ) ? ? s ? s ?1 ? ? ? ? ? vp ? ? 参照电流环参数设计的方法:

(3.26)

令 1 ?vz ? 1.592 ?10?4 , Kvp ? K2 Kv Rb K1 ? ?v ? 628rad / sec ,则

1

?vp

?

1 ? 7.96 ?10?4 2 Kvp

(3.27)
628 ,绘制出 s ? 7.96 ?10?4 s ? 1?

因此,经过校正后,系统的开环传递函数为 Tv1 ? s ? ? 电压环的开环bode图如图3.14所示。

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图 3.14 校正后电压环 bode 图 Fig.3.14 The bode diagram of voltage loop after regulating

从bode图上可以看出,经过校正后系统的穿越频率为93Hz,相位裕量为62 ? , 低频段和中频段均以20dB/sec下降,高频段以40dB/sec快速衰落,能够较好抑制噪 声。 由于蓄电池和超级电容器内在特性的区别,两者的充电方式存在很大的差别, 现今,以恒流方式对超级电容器充电使用较多,但充电结束时容易产生过充,下 面对恒流方式充电对超级电容器的影响进行分析。 ① 对容量的影响 超级电容器能量转换效率随着内阻和充电电流的变化而变化,从式(3.28)可以 看出,超级电容器的容量随着充电电流的增大而减小。因此可得在恒流充电方式 下,所选择的充电电流不宜过大。
C? Idt dV ? IRES

(3.28)

② 对储能量的影响 在恒流充电方式下,假设电容 C 不随端电压变化,则超级电容器的储能量如 式(3.29)-(3.31)所示。

Et ?

QV CV 2 t t ? t 2 2

(3.29)

t ? ? Vt ? V0 ? I ? R ? ? C? ?

(3.30)

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? t ?? ? C ? V0 ? I ? R ? ? ? 2 C ?? QV CVt ? Et ? t t ? ? ? 2 2 2

2

(3.31)

对上述充电结果分析,当超级电容器充电电流不大时,储能量比较接近,且 基本能保持恒定。但充电电流逐渐增大,储能量的下降梯度较大。故在充电过程 中,如果采取的充电电流太大,对超级电容器的储能容量将会造成比较大的影响, 所以设计充电控制策略时,充电电流必须选择恰当。 ③ 对充电效率的影响 由式(3.32)可得,超级电容器的充电效率与充电电流的变化有关。开始时随着 充电电流增大效率也增加。但是到达一个中间值后,效率就会开始下降。所以, 充电时必须选择一个合适的电流。

??

Et ? wk

Et

?

t

0

Iu ? t ? dt

(3.32)

超级电容器充放电速度很快,文中采用恒流方式对超级电容器进行充电,双 向变换器2工作在Buck模式,并实时监测充电电流和超级电容器的端电压,当达到 设定的最大电压值时,停止给超级电容器充电。其控制框图如图3.15所示: Gid ' ( s) 为超级电容器充电模式下控制到输出的小信号传递函数, Gi ' ( s) 为电流控制器。
iL*3 ( s )? ? iL3 ( s )

Gi ' ( s )

FM ( s)

Gid ' ( s )

图 3.15 超级电容器充电控制方框图 Fig.3.15 Diagram of charging control with ultracapaticor

由于超级电容器的电容值很大,根据第二章的分析,所以设计超级电容器控 制电路的等效模型为理想电容器与等效内阻的串联结构。 为了使电感连续,则电感平均电流的表达式可以表示为: Vbus d ( s ) iL ( s) ? 1 sL3 ? ? Rs sC 其中 Vbus 为直流母线电压,由此可得:

(3.33)

Gid ' ( s) ?

Vbus sVbus iL ( s) ? ? d ( s) sL ? 1 ? R s 2 L ? 1 ? sR 3 s 3 s sC C

(3.34)

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进一步简化可得:
Gid ' ( s) ? sVbus Vbus ? s L3 ? sRs sL3 ? Rs
2

(3.35)

采用单极点单零点模型进行补偿,即
? s ? Ki ' ?1 ? ' ? ? ?iz ? Gi ' ( s ) ? ? s ? s ?1 ? ' ? ? ? ? ip ? ?

(3.36)

带入参数得 Ki ? 2.512 , Gi ( s) ?
'
'

2.512 ?1 ? 2.6 ?10?2 s ? s ?1 ? 7.96 ?10?5 s ?

(3.37)

校正后的开环传递函数为:
Ti ' ? s ? ? 6280 s ? ? s ?1 ? ? ? 12560 ?

(3.38)

3.4.2 双向变换器 Boost 工作模式
蓄电池和超级电容器向负载放电提供电能时,两个双向变换器都工作在Boost 模式下,系统中超级电容器蓄电池均采用稳压限流的方式放电,并时刻检测蓄电 池和超级电容器端电压,防止过放,当端电压过低达到过放电压时,系统停止工 作。两个变换器的外环均控制直流母线电压,当负载发生突变时,蓄电池输出电 流限幅,超级电容器提供较大的冲击电流,同时控制双向变换器2输出端电压,保 证直流母线电压的稳定。电流内环保证系统响应速度,外环保证直流母线电压的 稳定。其控制框图如3.16所示:
Vbus* ( s) +
iL2 ' ( s)

-

Gv1 ( s)

+ -

Gi1 ( s)
K3 K4

FM ( s)

Gid 1 ( s)

Z1 ? s ?

Vbus ( s)

图 3.16 Boost 工作模式控制框图 Fig.3.16 Diagram of Boost operating mode

图中,虚线框为电流内环,以限流流方式向负载放电,电压外环保证直流母 线电压的稳定。 Gid 1 ( s) 为控制到输出的小信号传递函数。 Gi1 ( s) 和 Gv1 ( s) 分别为电 流控制器和电压控制器。
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根据状态空间平均法,Boost模式下控制到输出的小信号传递函数为:

? Vbus ? 2 ? sC2 ? '2 ? D ? RL ? Gid 1 ( s ) ? L2C2 2 L2 s ? '2 s ? 1 2 D' D RL
带入参数有:
s ? ? 18.9 ?1 ? ? ? 121.2 ? Gid 1 ( s) ? ? 2 2.03 ?10?6 s 2 ? 1.23 ?10?4 s ? 1 s ? s ? 1? ?? ? 8130.08 ? 701.86 ? 18.9 ? 8.25 ?10?3 s ? 1?

(3.39)

(3.40)

可得 f p 0 ? 111.8Hz , Q0 =11.58, f z 0 =19.3Hz, ? z 0 =121.2 rad / sec ,VD ? 4.73 。 从而得出校正前的开环传递函数为:
Ti' ( s) ? Gid 1 ( s) FM ? s ? K3 ? 4.73 ?8.25 ?10?3 s ? 1? 2.03 ?10?6 s 2 ? 1.23 ?10?4 s ? 1

(3.41)

从电流开环传递函数来看,系统采用双极点-双零点补偿网络[70],其传递函数 如下:

? s ?? s ? Ki1 ?1 ? ??1 ? ? ?z1 ?? ?z 2 ? ? Gi1 ( s ) ? ? s ?? s ? s ?1 ? 1? ?? ? ? ?? ? ? ? p1 ?? p2 ? ?

(3.42)

在补偿网络中的加入两个零点 ? z1 、 ? z 2 用来抵消控制对象中的双重极点引起 的相位滞后。通过这一对零点补偿后,在高于双重极点频率段,开环传递函数的 幅频特性是以斜率-20dB/sec下降,因此两个零点的公式为:

f z1 ? f z 2 ? 0.5 f p 0 =55.9Hz, ?z1 ? ?z 2 ? 351.1rad / sec
系统中利用 f p1 来抵消等效内阻出现的最低频率,则有:

f p1 = f z0 , ? p1 ? ?z 0 =121.2 rad / sec 。 f p 2 设置在高于穿越频率处,在设计时根据系统的动态响应最佳为设计标准。
在上述文献中给出了 f p 2 的计算公式为:

f p 2 =5 f c ,此时系统的动态响应较好。
由此得出: ? p 2 ? 31400rad / sec 。 为了计算补偿网络的直流增益,根据下列公式:

Ki1 ?
带入参数可得: K i1 =114.6。

fc f z 0 ? z1 VD f p 0 2

(3.43)

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由此可得补偿网络的传递函数为:
s ?? s ? ? 114.6 ?1 ? ??1 ? ? ?3 2 ? 351.1 ?? 351.1 ? ? 2.789 ?10 s ? 1.9584s ? 343.8 Gi1 ( s) ? s ?? s ? 2.628 ?10?7 s 3 ? 8.283 ?10?3 s 2 ? s ? s ?1 ? 1 ? ?? ? ? 121.2 ?? 31400 ?

补偿后电流环开环传递函数为:
Ti1 (s) ? Ti' (s)Gi1 (s)

?

1.275 ?10?2 s 2 ? 8.954s ? 1572 6.455 ?10?11 s 4 ? 2.034 ?10?6 s3 ? 1.548 ?10?4 s 2 ? s

(3.44)

由此可以得到电流内环闭环传递函数为:
Wi1 ? s ? ? Ti1 ( s) 1 ? Ti1 ( s)

?

1.275 ?10?2 s 2 ? 8.954s ? 1572 6.455 ?10?11 s 4 ? 2.034 ?10?6 s3 ? 1.29 ?10?2 s 2 ? 9.954s ? 1572

(3.45)

根据式(3.44)的传递函数,画出开环bode图如图3.17所示,从图上可以看出系 统的穿越频率为982Hz,相位裕量为66 ? ,在高频特性也比较良好,对高频干扰有 良好的抑制作用。

图 3.17 电流开环 bode 图 Fig.3.17 The bode curve of open current loop

从图3.1可以得到,系统工作在Boost模式时,负载等效阻抗为:

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Z1 ? s ? ?

RL 50 ? 1 ? sRLC2 1.65 ?10?2 s ? 1

(3.46)

在设计电压环时,同样把电流环看作电压环中的一个环节,电压外环的响应 速度要求比内环要慢,这里取外环的穿越频率为内环的1/10,即 f v1 =100Hz。 利用(3.45)和(3.46)两式,得到电压环的开环传递函数如下:
Tv1 ? s ? ? Wi1 ? s ? Z1 ? s ? ?

?

0.6375s 2 ? 447.7s ? 7.635 ?104 1.065 ?10?12 s5 ? 3.363 ?10?8 s 4 ? 2.149 ?10?4 s3 ? 0.1771s 2 ? 35.15s ? 1527

(3.47)

从式(3.47)可以看出,电压环的开环传递函数太过于复杂,不便于对其进行控 制。为了控制过程的简单,但不影响其本身的性能,利用MATLAB控制系统工具 箱中提供了基于平衡实现降阶函数balreal和modred对传递函数进行降阶, 得到结果 如下:

Tv1 ? s ? ?

2831.41 50.61 ? s ? 55.95 1.78 ?10?2 s ? 1

(3.48)

绘制出降阶前后的bode图比较如图3.18所示。从图中可以看出,降阶前后bode 图不完全一致,在高频阶段差别较大,但是电压环要求响应速度要比电流环慢很 多,在低频时两者基本一致,能够满足控制的要求。

图 3.18 降阶前后 bode 图 Fig.3.18 The bode diagram between reduction and before

电压环在校正时, 根据系统要求, 将其校正为典型Ⅰ型系统, 设计过程与Buck

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模式的电压环设计方法类似,设电压环补偿网络的传递函数为:
? s ? K v1 ?1 ? ? ?vz1 ? ? Gv1 ? s ? ? ? s ? s ?1 ? ? ? ? ? vp1 ? ?

(3.49)

令 1 ?vz1 ? 1.78 ?10?2 , Kvp1 ? ?v1 ? 628rad / sec ,则
1

?vp1

?

1 ? 7.96 ?10?4 2 Kvp1

(3.50)

这样,经过校正后,系统的开环传递函数为:

Tv1 ? s ? ?

628 s ? 7.96 ?10?4 s ? 1?

(3.51)

通过合理配置超级电容器和蓄电池的容量,根据负载对系统能量的要求,通 过双向变换器想负载提供所需的电能,减小蓄电池容量配置和充放电次数,延长 其使用寿命,保证系统稳定可靠的工作,从而提高整个储能系统的寿命。

3.5 系统能量管理控制策略
根据图3.2的系统工作模式,系统的能量管理过程如下,其中Trigger为单向变 换器和双向变换器的选通信号,Gd1、Gd2和Gd3分别为单向变换器、双向变换器1 和双向变换器2的关断信号,设置低电平关断,S为负载上的开关信号。

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单 Vbus 向 变 换 器 VPV 控 iPV 制 双 向 变 换 器 1 控 制 双 向 变 换 器 2 控 制

恒压控制器 恒压模式 MPPT模式 MPPT控制器 蓄电池 控制 Boost模式 Buck模式 蓄电池 控制

P W M 控 制 器 1 P W M 控 制 器 2

PWM1

GATE1

Vbus

ib

PWM2

Vb ib
Vbus

PWM3

工 作 模 式 选 择 电 路

GATE2

GATE3

ic

超级电容器 控制 Boost模式 Buck模式 超级电容器 控制

VC ic

P W M 控 制 器 3

PWM4

GATE4

PWM5

GATE5

VPV i0 PPV Vb VC ib

能量管理电路

Gd1 Gd2 Gd3 S Trigger

图 3.19 系统整体控制电路图 Fig.3.19 Schematic of system control circuit

① 当检测到 Vb ? Vb?max 和 VPV >VPV 1 时,选通信号Trigger=1,关断信号Gd1=1, 单向变换器一直在MPPT模式下工作。在蓄电池为负载提供稳定功率时,关断信号 Gd2=1,Gd3=0。 ② 单向变换器在MPPT模式下工作时,如果 PPV >P0 ,Gd2=1,Gd3=1,多余的 能量给蓄电池和超级电容器充电。 ③ 当 Vb?max ? Vb 且 VPV >VPV 1 时,选通信号Trigger=0,关断信号 Gd1=Gd2=1 , Gd3=0,此时系统中单向变换器在恒压工作模式工作,保证直流母线电压的稳定, 而双向变换器1工作在Buck模式。 ④ 当 VPV ? VPV 1 , 选通信号Trigger=1, 关断信号Gd1=0, Vb ? min ? Vb 、 VC ?min ? VC 时, Gd2=1,单向变换器停止工作,双向变换器1在Boost模式下工作,系统在第六种工 作模式下;检测到负载突变,Gd3=1。启动超级电容器提供冲击功率,系统工作在 第七种模式下。 ⑤ 当 VPV ? VPV 1 , Vb ? Vb?min , VC ? VC ?min 时,选通信号 Trigger=1 ,关断信号 Gd1=0,Gd2=0,Gd3=0,S=0系统中三个变换器都停止工作,此时系统将停止运
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3 混合储能系统能量管理策略及控制策略研究

行。 将上述系统中两个变换器的控制电路结合能量管理控制电路,就构成了本文 的独立光伏发电系统的整体结构图, 如图3.19所示。 不同的工作模式下产生的PWM 脉冲与选通信号、关断信号相结合,得出不同的开关管驱动信号,使系统工作在 不同的工作模式下。

3.6 小结
本章内容小结如下: ① 提出了一种光伏电池、超级电容器和蓄电池三种电源为负载供电的独立光 伏发电系统结构,系统中三种电源通过三个变换器与直流母线连接,保证直流母 线电压的稳定,确保系统稳定可靠的工作。 ② 系统中三个变换器分别在三中不同工作模式下工作,组合而成系统的八种 工作模式。利用光伏电池输出电压和电流,蓄电池输出电压,超级电容器电压以 及直流母线电压的检测,单向变换器在MPPT、恒压工作已经停止工作三种不同模 式下切换;而双向变换器在Buck、Boost和停止工作模式下切换。 ③ 由于双向变换器要实现超级电容器和蓄电池的充放电工作, 并需要在Boost 和Buck两种工作模式下自由切换,系统中采用不同的电压调节器和电流调节器实 现储能装置的充放电控制,提出蓄电池的双向双环控制策略,控制调节更加方便。 ④ 根据外界光照条件的不同,单向变换器在MPPT和恒压两种模式下工作, 适当的输出功率,为负载提供稳定的电能。 ⑤ 根据光伏电池和混合储能系统的不同状态,提出一种能量管理控制电路, 实时的提供变换器工作选通信号和储能单元选通信号,确保在合理的工作模式下 工作,实现整个系统的能量协调控制。

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4 系统仿真验证

4 系统仿真验证
4.1 引言
独立光伏发电系统包括以下几个部分:光伏电池组件、超级电容器蓄电池混 合储能系统、变换器、控制器以及负载组成,前面几章分别介绍了混合储能应用 与光伏发电系统的结构、混合储能系统的模型、MPPT控制方法、变换器控制策略 及系统能量管理策略等。为了验证前文理论分析和控制的正确性,本章将对整体 的独立光伏发电系统,进行联调实验,并给出相应的结果。图4.1给出太阳能独立 光伏发电系统的系统结构图。

光伏阵列

DC/DC

负载

蓄电池组

双向 DC/DC

双向 DC/DC

超级电容 器组

图 4.1 独立光伏发电系统结构图 Fig.4.1 Proposed stand-alone photovoltaic system

4.2 变换器参数选择
根据系统中光伏电池的输出和负载的要求,单向变换器选择常用的Buck变换 器,双向变换器选用双向Buck-Boost变换器。下面将对电路中各个元件参数的选择 进行设计。 系统中光伏电池的输出开路电压为172.8V,单向变换器直流母线电压保持在 100V,开关频率为10kHz。 1、开关管选择 现阶段功率 DC-DC 变换器中一般都选择 MOSFET 或者 IGBT 作为开关管, MOSFET使用的频率更高,但是电压等级相对于IGBT要低。本系统中由于开关频 率不高,Buck变换器的开关管选择IGBT。 开关管需承受的最大电压值为额定电压的1.5倍来选取,即
VQ1 _ max =1.5 ? 172=258V。

开关管上需承受的电流按照电感上电流加上满载电流的20%, 即开关管承受的 电流峰值为: IQ1_ max ? iL1 ? 20% ? iL1 ? 6A

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4 系统仿真验证

通常开关管上承受的电流值按照2倍峰值电流选取。在系统中选用英飞凌公司 的FF100R12MT4型IGBT:额定电压为1200V,额定电流为100A。 2、储能电容 C1 的计算 由于光伏电池的特殊性,Buck变换器的输入电流是断续的,为了使光伏电池 工作在最佳工作状态,在前级加入一个储能电容。开关管停止工作时,光伏电池 输出电流会通过电容,对其进行充电,电容端电压升高;开关管工作时,光伏阵 列输出电流和储能电容共同放电,电容端电压会逐渐降低。光伏电池在MPPT工作 模式下,取其电压电流波动值为额定值的2%,所以在这里 ?iPV ? 0.02I m 。 储能电容的计算可以根据电容上的电压脉动来计算,脉动电压 为: ?VC1 ? 0.02Vm =2.064V。 当开关管关断时,光伏电池只向储能电容 C1 充电,充电电流为光伏电池输出 电流 I m =4.65A; 当开光管开通时, C1 放电,光伏电池与储能电容共同向负载提供能量,即
iQ1 ? iC1 ? iPV

(4.1)

式中,iQ1 为流过开光管的电流,iC1 为储能电容 C1 放电电流,iPV 为光伏电池电 流。 从电路可以看出, 电容上的最大放电电流为: iC1max ? iQ1max ? iPV 其中 iQ1max ? i0 ? ?iL 2 ? 1.1i0 ,计算得 iC1max =0.85A。 由此可得电容上充放电电流为: iC1 ? iC1max ? I m 电容上的脉动电压为:?VC1 ? RC1 ? iC1 其中 RC1 为电容上的等效内阻。根据式(4.3)和式(4.4),可得 RC1 =0.38 ? 。 从而可得 C1 : (4.3) (4.4) (4.2)

C1 =
取 C1 为220 μF 。 3、滤波电容 C2 的计算

65 ?10?6 =171 (μF) RC1

滤波电容的大小主要由电容上面的电压波动决定的,电容电压脉动主要由等 效内阻引起,因此 C2 的等效内阻通过下式计算:
RC2 ? ?VC 2 ?iC 2

(4.5)

式中, ?VC 2 为电容电压脉动值, ?VC 2 =0.2% V0 ; ?iC 2 为电容纹波电流,

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4 系统仿真验证

?iC 2 =20% i0 。
根据式(4.5),可得 RC2 =0.2 ? 。
?6 根据电容容量与等效内阻的关系,可以计算得出 C2 ? 65 ?10 RC2 ? 325μF 。

选取 C2 ? 330μF 。 4、滤波电容 C3 的计算 电容 C3 可以根据Buck模式下的输出滤波电容电压波动来计算。电压波动主要 由等效内阻 RC3 决定,因此可以根据下式计算:
RC3 ? ?VC3 ?iC3 ? 0.096(?)

(4.6)

式中, ?VC3 为电容电容电压波动值, ?iC3 为电容纹波电流。

C3 ?
实际取 C3 =680 μF 。 5、滤波电感 L1 的计算

65 ?10?6 ? 677(μF) RC3

(4.7)

系 统 中 假 设 Buck 变 换 器 工 作 在 连 续 模 式 下 , 此 时 的 输 入 输 出 关 系 为

V0 VPV ? D , D 为开关管的占空比。根据Buck变换器的电感电流 iL1 的纹波来计算
电感 L1 : 由 ?iL1 ?
VPV ? V0 DTs 可得电感 L1 为: 2 L1

L1 ?
电感 L1 的取值为1.7mH 6、滤波电感 L2 的计算

VPV max Dmin ?1 ? Dmin ? =1.7 (mH) 2?iL1 f s

(4.8)

由于双向变换器在工作过程中的双向导通,电感电流不存在断续状态。双向 变换器在Buck和Boost两种工作模式下自由切换,因此双向变换器的电感可以按照 Buck模式的公式来计算。 根据双向变换器1Buck模式下电感电流 iL2 的纹波来计算电感 L2 :

L2 ?

VBus Dmin ?1 ? Dmin ? =1.23(mH) 2?iL2 f s

(4.9)

其中 ?iL2 为电感上纹波限流,取 ?iL2 ? 0.2iL2 。所以电感 L2 的取值为1.3mH。 由于两个双向变换器的工作状态类似,同理根据电感电流 iL3 的纹波电流计算
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4 系统仿真验证

出 L3 取1.3 mH 。

4.3 系统仿真验证
为了验证光伏系统中混合储能能量管理的有效性和变换器控制策略的正确

[GATE 1]

g C

m E

[GATE 4]

g C

m E
[GATE 5]

IGBT 1 CCS [Vpv ]

L1 [S] R

IGBT 4

+

L3

g

s

-

m

[Ipv ]

m

IGBT 2
m E
L2 [GATE 3]

g C

[GATE 2]

g

Cb

C3

IGBT 3
m E

C

(a) 主电路结构
[Vc] [Vb ] [Vpv ]
vpv Ipv Vc Gd3

2

[Gd3] [Trigger ] [Gd2] [Gd1] [S ]

VbTrigger Vpv Gd2 IL2 Ppv I0 Gd1 S

[Ipv ]

[Vpv ] [IL 2] [Ppv ]

PV-array

[I0] [Vbus] [GATE 2] [Ipv ] [Vpv ] 100 [GATE 3]Trigger ] GDbuck ]
Vbus

energy control [Vb ] [Vbus] [Ib ] [Gd1] [Gd2] Trigger ]
Vb Vbus PWM2 Ib Gd1 PWM3 Gd2 Trigger

[Vc]
Ipv

Vc PWM4 Vbus Ic Trigger Gd3 PWM5 Gd1

E

+ v -

C1

C2

1

IGBT 5

C

C

g

[Vbus]
Vpv PWM1 Vref 1 Trigger GDbuck

[GATE 4]

[Ic] [GATE 1] Trigger ] [GD3] [Gd1]

[GATE 5]

bidirectional

1

uni -directional

bidirectional

2

(b) 能量管理和控制模型 图 4.2 系统仿真模型 Fig.4.2 The simulation model of the system

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4 系统仿真验证

性,根据上述建立的系统模型和元件参数,利用Matlab/simulink对本文提出的独立 光伏发电系统建立仿真模型进行仿真验证,模型如图4.2所示。参数采用本章前面 列出的系统参数。仿真模型由主电路、能量管理电路和三个变换器的控制电路组 成,仿真参数如下。 图4.3为光伏电池输出能量不足时,负载所需能量不足的部分由蓄电池提供, 图中给出了光伏电池输出电压 VPV 、直流母线电压 Vbus 、光伏电池输出功率 PPV 和蓄 电池放电电流 ib 的动态仿真波形。此时由于光伏电池的输出不能满足负载的要求, 单向变换器工作在MPPT模式,向负载提供最大功率输出,负载能量不足的部分由 蓄电池通过双向变换器放电来补充, 双向变换器1工作在Boost模式使直流母线电压 保持稳定。

图 4.3 稳态工作波形 Fig.4.3 The system waveform of steady state

图4.4为光伏电池输出能量不足时,当负载突变时光伏电池输出电压 VPV 、直流 母线电压 Vbus 、蓄电池放电电流 ib 、超级电容器放电电流 ic 和负载上的电流波形。 从图中可以看出, 由于光伏电池输出能量不足, 单向变换器仍然工作在MPPT模式, 而负载突变时,大部分冲击功率由超级电容器提供,蓄电池输出电流根据限幅器 的设定输出,减小蓄电池瞬时输出功率,当负载稳定后由蓄电池持续的提供不足 的能量。 当光伏电池输出能量大于负载所需能量时,多余的能量通过双向变换器向超 级电容器和蓄电池充电,在储能元件还没有充满即没有达到过充电压时,单向变 换器仍然工作在MPPT模式, 在给储能装置充电时, 如果此时系统中出现负载突变,

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4 系统仿真验证

相当于能量流动方向相反,充电电流减小,其波形如图4.5所示。从图中可以看出, 在负载突变时直流母线电压基本保持不变,超级电容器主要向负载提供冲击功率。

图 4.4 负载突变系统工作波形 Fig.4.4 The system waveform of charging with energy storage element

图 4.5 充电时系统工作波形 Fig.4.5 The system waveform of charging

图4.6给出了单向变换器工作在恒压模式给直流母线提供直流母线电压,双向

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4 系统仿真验证

变换器1工作在Buck模式继续给蓄电池充电时的系统仿真波形。从图中可以看出, 由于单向变换器工作在恒压模式下,负载突变后光伏电池的输出电压会随着负载 的变化而变化,保证直流母线电压的稳定,此时蓄电池在恒压充电阶段,电压基 本保持不变,充电电流逐渐减小,光伏电池近似工作在恒压源区。

图 4.6 恒压工作模式时系统工作波形 Fig.4.6 The system waveform of CV mode

图 4.7 超级电容器单独为负载供电时系统波形 Fig.4.7 The system waveform of ultracapacitor discharing alone

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4 系统仿真验证

当单向变换器停止工作后,双向变换器工作在Boost模式,若超级电容器单独 为负载供电,此时系统的工作波形如图4.7所示。从图中可以看出,光伏电池此时 的输出电压为零,超级电容器单独为负载供电,保持直流母线电压的稳定,在负 载突变时超级电容器电流跟随负载电流的变化,输出冲击功率,在放电的过程中, 超级电容器的端电压会下降较快,不能提供长时的大功率输出。 从仿真结果上可以看出,混合储能系统有以下优点: ① 提高储能系统功率输出能力。在独立光伏发电系统中,采用超级电容器蓄 电池混合储能,可以减小蓄电池单独储能时为提高峰值功率输出而增加的容量。 ② 延长了蓄电池的寿命。蓄电池的寿命一直是储能系统使用寿命的瓶颈,制 约着直流系统的服务年限。从图中可以看出,在瞬时大功率负载启动时,大部分 功率由超级电容器向负载提供,蓄电池只提供稳定的功率输出,释放的功率变化 不大,在这个过程中蓄电池的充放电电流变化较小,能够保护蓄电池,有效抑制 蓄电池输出的冲击电流,延长蓄电池使用寿命。 ③ 直流系统服务年限的延长。由于超级电容器提供瞬时的大功率输出和瞬时 大电流,蓄电池的放电电流不会发生太大的变化,蓄电池的损耗就相应降低。 对于上述提出的利用太阳能为一次能源,以超级电容器和蓄电池混合储能作 为储能装置的独立光伏发电系统,通过控制两种变换器工作在不同的工作模式下, 使得光伏电池和储能元件在不同的情况下都能很好的协调工作,使系统稳定可靠 的运行。

4.4 储能系统分析
从上面仿真结果可以看出,混合储能能够解决蓄电池瞬时功率输出不足的问 题,延长蓄电池寿命。但是系统中功率输出存在一定的瓶颈,主要分为一下几个 方面: ① 由于超级电容器放电时间常数较小,放电速率快,因此超级电容器不能长 时间提供大功率输出。 系统中选用的超级电容器的额定电压为 48V, 容量为 19.4F, 如果超级电容器需向负载提供 500W 的功率输出,则超级电容器能支撑的时间用 如下公式计算。 V0和V f 分别表示开始放电和终止时的电压。
t? C ?V0 2 ? V f 2 ? 2W ? 13.6s

(4.10)

由此可以看出,如果负载上突变的功率持续时间过长,超级电容器将达到设 定的过放电压后停止输出电能,负载所需的能量必须由蓄电池提供。因此在这种 系统中,超级电容器主要为负载提供短时的大功率输出,蓄电池为负载提供长时

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4 系统仿真验证

能量输出。 ② 对于持续时间很短的脉冲功率,超级电容器放电时的压降主要由内阻上的 压降和电容器在脉冲结束时的压降,其关系式如下:
Vdrop ? I ? R ? t C ?

(4.11)

其中 Vdrop 为下降的电压, R 可以用超级电容器的等效内阻来估算, t 为脉冲时 间。 在时间很小的脉冲时间内,由超级电容器内阻引起的压降比 C 的影响要大, 等效内阻是决定放电的主要因数。因此,使用时应尽量选择等效内阻小的超级电 容器。但是超级电容器端电压较小,单体电容很难达到系统所需电压要求,此时 就需串联使用时,并做到平衡以确保电压平均分配。 ③ 由于变换器的起动和控制过程均有一定的响应时间,瞬时输出功率要快速 跟踪负载的变化,需提高开关频率,但是功率器件 IGBT 的开关频率有限,如果负 载在很短时间内发生突变,双向变换器在负载突变期间还没有起动,而负载已经 恢复正常,在这个过程中,就不能实现超级电容器为突变负载提供冲击功率的目 的。 另外,瞬时功率与电感上的电流直接相关,电流过大容易造成电感磁芯饱和, 造成输出异常。因此,必须根据输出电流合理设计电感值,才能提供较大的瞬时 输出功率。 ④ 针对本文提出的混合储能系统, 如果在负载端施加周期为 5s 占空比为 20% 的脉动负载。电池组的容量为 48V 162Ah,等效内阻为 0.225 ? ,超级电容器的容 量为 19.4F,等效内阻 0.0144 ? 。根据式 2.15,计算出混合储能系统功率增强系数

? ? 2.824 。
即混合储能系统的峰值功率输出能力是蓄电池单独储能的 2.824 倍。因此,在 使用蓄电池单独供电时,需要增加 1.824 倍的容量,才能输出同样的峰值功率。因 此采用混合储能,蓄电池的安装容量节约了 64%。 由于 ? 的取值与超级电容器的等效内阻变化的方向是相反的, 因此并联超级电 容器会增加混合储能系统的功率输出能力。当负载参数不变时,增加超级电容器 并联支路的数量,可减小蓄电池的配置容量如图 4.8 所示。 从以上分析可知,提高超级电容器的并联支路数,能有效提高混合储能系统 的功率输出能力。但是在一定的数量后,蓄电池的容量节约率变化就比较小了。 因此,超级电容器蓄电池混合储能由于本身的特性关系,只能在一定程度上提高 储能系统的性能,提高起功率输出能力。

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4 系统仿真验证

图 4.8 蓄电池容量节约率与超级电容器并联个数的关系 Fig.4.8 The relationship between save rate of battery capacity and the number of parallel ultracapacitor

4.5 小结
本章首先对变换器的参数进行设计,根据上章设计的控制模型和能量管理模 型,对系统进行了详细的仿真验证,给出了两种变换器在不同工作模式下的系统 工作波形。从波形上可以看出,系统在不同的条件下均能够满足系统的设计要求, 蓄电池和超级电容器能够协调为系统供电,减少蓄电池的瞬间放电电流和向负载 提供的瞬时功率,实现系统的整个能量管理过程,验证了前文提出的能量管理的 正确性。

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5 工作总结及展望

5 工作总结及展望
随着能源危机的不断加剧,开发光伏发电等新能源成为迫在眉睫的重大课题。 由于光伏发电输出的不连续性,必须外加一定容量的储能装置,才能保证系统的 稳定运行。但是混合储能的研究在国内尚处于起步阶段,尽早开展相关研究对光 伏发电的发展和混合储能的应用都有现实的意义。本文旨在对独立光伏发电系统 中混合储能的关键问题进行深入的理论分析和研究。全文归纳如下: ① 详细介绍了目前光伏发电系统的国内外研究现状,重点分析了超级电容器 储能的研究现状和超级电容器蓄电池混合储能的现状。在此基础上提出研究超级 电容器蓄电池混合储能的必要性。 ② 总结了目前独立光伏发电系统的结构,针对目前系统的不足,提出了一种 超级电容器蓄电池混合储能的独立光伏发电系统结构,超级电容器和蓄电池分别 利用一个变换器进行控制,使两者在功率和电压等级上都可以分开选择,不必与 负载或者直流母线满足严格的匹配关系;另外超级电容器和蓄电池的充放电控制 分开进行,控制更加灵活方便。 ③ 建立了混合储能系统的模型,对模型进行了验证,并从理论上分析了混合 储能对性能提高的影响。根据系统的功率等级,分别对光伏电池、蓄电池和超级 电容器的容量进行设计。 ④ 针对两个变换器分别工作在三种不同的工作模式(单向变换器可以工作在 MPPT模式、恒压模式或者停止模式;双向变换器可以工作在Boost模式、Buck模 式或停止模式),对超级电容器和蓄电池设计了不同的充放电控制策略,实现能 量在两个方向流动过程中稳压或限流工作,超级电容器主要向负载提供冲击功率, 蓄电池主要为经常性负荷供电。 ⑤ 为了确保系统中几个能量提供单元能够协调稳定工作,并利用超级电容器 向冲击负载供电,减小蓄电池的放电次数和电流,提出了独立光伏发电系统的能 量管理策略。根据系统中光伏电池、负载及储能元件所处的不同工作状态,给三 个变换器提供合适的开通信号和关断信号,确保三个变换器工作在设定的模式下, 使得3种电源能够协调工作,保证系统稳定运行,仿真结果验证了混合储能能够提 高系统功率输出能力,减小蓄电池容量,延长系统寿命。 由于混合储能系统是一个复杂的系统,在世界范围内都是一个热点和难点, 对其的研究涉及各个领域的交叉。限于作者的理论深度和实践经验,以及时间的 限制,对本课题的研究还有诸多不足之处,还有以下几个方面有待完善: ① 本文只对混合储能系统在独立光伏发电系统中的模型和控制进行了研究,

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5 工作总结及展望

对于并网光伏发电系统以及在微电网中的应用还没有涉及。下一步工作将对混合 储能系统在微电网中的关键问题进行研究。 ② 由于本人实践经验的不足,本课题还需要进行实验研究。混合储能系统能 量管理部分功能实验调试还没有完全实现,通过这些实验验证能更好地检验系统 设计中存在的问题。 ③ 系统中选用的负载为直流电阻负载,在接下来的工作中将对其它性质的负 载进行验证。

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致谢





本文是在导师周林教授的悉心关怀和精心指导下完成的。周老师渊博的知识、 严谨求实的治学态度、谦虚朴实的人品、忘我的工作精神,为我们营造了自由、 奋进的学术气氛,提供了很多的锻炼机会,使我们增长了见识,掌握了更多的方 法,使我在论文以外收获更多的是做人、做事、做学问的态度和方法。在此,向 周老师致以诚挚的敬意! 感谢电气工程学院尤其是电力电子系的各位老师,给予我很多关心和帮助, 正是滴水之恩,却受益匪浅。 感谢实验室郭珂老师、刘强老师在论文上给予的帮助和大力支持,感谢实验 室的师兄、师姐、师弟、师妹在生活上的照顾,在学习上的深入探讨和悉心帮助, 正是他们所有人的善良美好与奋进求实使得实验室像一个大家庭。深深的感谢和 祝福! 同时,也向远在千里之外的家人道一声谢谢,是你们的哺育和无私的爱心, 使我能够有机会自由飞翔。 谨以此文献给所有火热的心和微笑的脸庞,向所有关心和帮助过我的老师、 同学和朋友表示由衷的谢意! 衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!





二O一一年五月 于重庆

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附录





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[1] 周林,黄勇,郭珂,冯玉.微电网储能技术研究综述综述[J]. 电力系统保护与控制,2011, 39(7):147-152. [2] 周林,傅望,郭珂,刘强,代璐,黄勇.光伏电池工程用数学模型研究[J].电工技术学 报,已录用. [3] 周林, 冯玉, 郭珂, 刘强, 贾芳成, 黄勇. 单向光伏并网逆变器建模与控制技术研究[J]. 太 阳能学报,已录用.

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目:
[1] “基于 Z 源变换器的微网系统孤岛/并网双模式的非线性控制研究” ,输配电装备及系统 安全与新技术国家重点实验室自主研究项目(2007DA10512709211). [2] “微电网逆变器动态特性和控制策略研究 ”,输配电装备及系统安全与新技术国家重点实 验室自主研究项目(2007DA10512709204). [3] “超级电容器蓄电池混合储能在独立光伏发电系统中应用研究” ,中央高校基本科研业务 费资助(CDJXS11151153).

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