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超级电容器在光伏发电系统中的研究与应用


分类号:TM53 10710-2011132020

硕士 学位 论文
超级电容器在光伏发电系统中的研究与应用
刘金栋

导师姓名职称 申请学位级别 论文提交日期 学位授予单位 硕士

邱彦章

副教授

学科专业名称 交通信息工程及控制 2014 年 6 月 14 日

2014 年 5 月 10 日 论文答辩日期 长安大学

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Research and Application of Supercapacitor in the Photovoltaic Power Generation System

A Dissertation Submitted for the Degree of Master

Candidate: Liu Jindong

Supervisor: Prof.Qiu Yanzhang

Chang’an University, Xi’an, China

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论文独创性声明
本人声明:本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 ,独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外,对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。

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随着化石能源存储量的迅速减少, 世界各国开始大力发展可再生能源, 取之不尽、 用之不竭的太阳能已经成为解决能源问题的重要来源。但是目前光伏发电技术应用中 还存在诸多问题,如光伏电池稳定性差、能源利用率低。光伏发电系统中常用的储能 器件铅酸蓄电池也存在维护困难、功率密度低等问题,大大限制了光伏发电系统的应 用。 本文设计了一种基于超级电容器储能的最大功率点跟踪系统,利用超级电容器容 量大、可无限次循环充放电的特点,将超级电容器与功率器件组合成的功率变换电路 接入光伏阵列与负载之间,通过补偿光伏电池输出电压来改变光伏阵列输出特性,从 而控制光伏发电系统完成最大功率点跟踪。在仿真软件中进行了基于超级电容器储能 的最大功率点跟踪仿真,结果表明该方法跟踪速度快、精度高,并且具有良好的稳定 性,能适应不同的环境条件。 在最大功率点跟踪系统的基础上设计了一种使用超级电容器作为储能系统的光伏 发电系统,分析了系统的能流策略,选择双向半桥直流变换器作为超级电容器储能系 统的充放电控制器。 本文设计了光伏发电系统硬件电路和软件流程,并对系统进行仿真实验,仿真结 果表明基于超级电容器储能的光伏发电系统具有良好的可靠性和稳定性。

关键词:超级电容器;光伏电池;光伏发电系统;最大功率点跟踪

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Abstract

As the significant increase of fossil energy consumption, countries around the world have begun to develop renewable energy, inexhaustible solar energy has become an important energy to solve the problem. At present there are many problems in photovoltaic technology application, including: poor stability and low energy efficiency of photovoltaic cells. In addition, the lead-acid storage battery has low power density and maintenance problems, which limits the application of photovoltaic power generation system. A maximum power point tracking system based on supercapacitor is proposed in this paper. The power conversion circuit which contains the supercapacitor is applied between the PV array and load, changes the PV array output characteristic, thus completes the maximum power point tracking control of photovoltaic power generation system. The simulation results of the maximum power point tracking simulation based on supercapacitor in MATLAB show the effectiveness of the method. The thesis designs a photovoltaic power generation system based on supercapacitor energy storage, analyses the system energy flow mode. The bidirectional dc-dc converter is chosen as the charge and discharge controller of the supercapacitor energy storage system. This paper designs the system hardware circuit and software process, the simulation results show that this photovoltaic power generation system has a good reliability and stability.

Key words: the supercapacitor; photovoltaic cells; photovoltaic power generation system; the maximum power point tracking

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第一章 绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 课题背景和意义 .......................................................................................................... 1 1.2 超级电容器发展与应用现状 ...................................................................................... 2 1.2.1 超级电容器发展现状 ....................................................................................... 2 1.2.2 超级电容器应用状况 ....................................................................................... 3 1.3 光伏发电产业国内外发展现状 .................................................................................. 4 1.3.1 光伏发电产业国外现状及其发展 ................................................................... 4 1.3.2 我国光伏发电产业现状及其发展 ................................................................... 6 1.4 本文主要研究内容 ...................................................................................................... 6 第二章 超级电容器特性分析 ................................................................................................ 8 2.1 超级电容器储能原理和等效电路模型 ...................................................................... 8 2.1.1 超级电容器储能原理 ....................................................................................... 8 2.1.2 超级电容器储能特点 ....................................................................................... 9 2.1.3 超级电容器等效电路模型 ............................................................................. 11 2.2 超级电容器相关参数 ................................................................................................ 12 2.2.1 超级电容器等效串联电阻 ............................................................................. 12 2.2.2 超级电容器等效并联电阻 ............................................................................. 13 2.2.3 超级电容器等效电容量 ................................................................................. 14 2.3 超级电容器充放电特性的研究 ................................................................................ 15 2.3.1 超级电容器充电特性 ..................................................................................... 15 2.3.2 超级电容器放电特性 ..................................................................................... 16 2.4 超级电容器串联均压法 ............................................................................................ 18 2.5 本章小结 .................................................................................................................... 21 第三章 光伏发电系统最大功率点跟踪技术 ...................................................................... 22 3.1 光伏电池工作原理及特性分析 ................................................................................ 22 3.1.1 光伏电池的等效电路模型 ............................................................................. 22 3.1.2 光伏电池的电气特性 ..................................................................................... 24 3.2 光伏发电系统的最大功率点跟踪技术 .................................................................... 25 3.2.1 最大功率点跟踪原理 ..................................................................................... 25 3.2.2 常用的最大功率点跟踪控制算法 ................................................................. 26 3.23 基于电导增量法的 MPPT 技术 ...................................................................... 28
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3.3 超级电容器储能 MPPT 控制电路设计 ................................................................... 29 3.3.1MPPT 控制主电路设计 .................................................................................. 29 3.3.2MPPT 控制电路的控制环节 .......................................................................... 33 3.4 仿真结果与分析........................................................................................................ 34 3.4.1 光伏电池仿真模型 ......................................................................................... 34 3.4.2 超级电容器储能 MPPT 控制系统仿真 ........................................................ 35 3.5 本章小结.................................................................................................................... 38 第四章 基于超级电容器储能的光伏发电系统 .................................................................. 39

4.1 系统结构.................................................................................................................... 39 4.2 系统能流策略............................................................................................................ 41 4.2.1 超级电容器储能作用 ..................................................................................... 41 4.2.2 系统的能流分析 ............................................................................................. 41 4.3 双向直流变换器........................................................................................................ 44 4.3.1 双向直流变换器电路设计 ............................................................................. 44 4.3.2 双向半桥变换器的工作模式 ......................................................................... 47 4.4 本章小结.................................................................................................................... 50 第五章 超级电容器储能系统 .............................................................................................. 51

5.1 超级电容器储能系统结构 ........................................................................................ 51 5.2 电路器件参数计算 .................................................................................................... 51 5.2.1 储能电感参数计算 ......................................................................................... 51 5.2.2 滤波电容参数的设计 ..................................................................................... 52 5.3 系统辅助电路设计 .................................................................................................... 52 5.3.1 均压电路设计 ................................................................................................. 52 5.3.2 采样电路 ......................................................................................................... 53 5.3.3 驱动电路 ......................................................................................................... 53 5.4 软件设计.................................................................................................................... 54 5.5 系统仿真.................................................................................................................... 56 5.6 本章小结.................................................................................................................... 58 结论 .......................................................................................................................................... 59 参考文献 .................................................................................................................................. 60 攻读学位期间取得的研究成果 .............................................................................................. 62 致谢 .......................................................................................................................................... 63
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长安大学硕士学位论文

第一章
1.1 课题背景和意义

绪论

世界经济的飞速发展和人们生活品质的不断提高依赖于石化能源(如石油、天然 气、煤炭等)的广泛应用,因此目前的世界经济是建立在石化能源基础之上的。随着人 口的增加和生活水平的提高,能源消耗量逐年上升,传统能源存储量锐减,世界各国 都对可再生能源日益关注。 目前人们已经开发利用的可再生能源有太阳能、风能、生物能、潮汐能等,其中 太阳能发电以其独特的优势成为了可再生能源利用的重要途径。首先,太阳能储能丰 富,且覆盖广泛,在偏远地区也可利用太阳能;其次在利用太阳能过程中,不会对生 态环境造成污染,是一种绿色能源。从自然属性和实际应用中人们发现,太阳能是替 代传统能源的最佳选择。全球太阳能发电量所占比例从二十一世纪初的几乎为零增加 到了 0.15%,据国际能源机构预测,这一比例将在 2020 年达到 1.18%。在未来几年里 太阳能将在全球可再生能源中扮演更重要的角色[1]。 太阳能的利用方法主要分为光热模式跟光电模式。光热模式就是指收集太阳能辐 射到特殊材料上产生的热能来发电,简称“光热” 。光电模式简称“光伏” ,也就是太 阳能光伏发电系统。由于技术障碍和市场空白阻碍了太阳能热电技术的发展和工程应 用,另外,光伏发电更适合未来能源的独立式、分散式生产。因此目前太阳能发电主 要利用太阳能光伏发电技术。光伏发电技术随着科学技术的发展越来越成熟,但仍然 存在一些问题和不足[2]: (1)输出功率不稳定,太阳能光伏发电系统受日照影响极大,部分地区的气候比 较复杂,光照强度变化剧烈,系统输出功率也难以稳定。 (2) 光伏发电系统需要单独配置储能装置来满足在夜晚或光照强度不够时负载用 电的要求。 (3)太阳能光伏电池运行效率较低,需要进行最大功率点控制。 由于光伏电池输出特性受光照强度、负载情况以及环境温度影响,其实际输出功 率往往不能达到最大功率。因此在光伏发电系统中,实时调整光伏电池的电压或者电 流使其输出功率保持在最大功率的过程就称为最大功率点跟踪 (Maximum Power Point Tracking) ,简称 MPPT。为实现光伏发电系统的最大功率点跟踪,目前通常是在光伏
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第一章

绪论

阵列与负载之间加入电力电子变换器来调整光伏电池输出特性。 另一方面,储能装置作为光伏发电系统中的重要部分对整个系统效率有非常大的 影响。尤其在中型或者大型光伏系统中,系统供电的持续时间主要受储能装置容量的 限制。我国光伏发电系统中通常使用铅酸蓄电池作为光伏发电系统储能器件。实际应 用中发现铅酸蓄电池对充放电过程敏感、寿命短并且会造成环境污染,这些问题制约 了光伏发电系统的发展和应用。 超级电容器作为一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能元件 ,具有循环 寿命长、充放电频率高、功率密度高并且对环境无污染等特点 [3]。近年来随着电容器 电极材料技术的发展,超级电容器的功率密度不断提高,而制造成本大大下降,超级 电容器作为储能装置的应用将会越来越广泛。 针对光伏发电系统在实际应用中的这些问题, 本文主要围绕超级电容器在光伏发 电系统中的应用进行研究,设计了采用超级电容器改进的 MPPT 电路,利用超级电容 器储能特性实现最大功率点跟踪。另外,优化设计超级电容器组作为光伏发电系统的 储能装置,研究超级电容器储能装置在光伏发电系统中的作用。为了验证超级电容器 在光伏发电系统中的优越性,构建了基于超级电容器储能的光伏发电系统,设计了超 级电容器充放电控制电路。 仿真结果表明, 超级电容器可吸收光伏发电系统扰动功率, 提高系统稳定性和持续性。

1.2 超级电容器发展与应用现状
1.2.1 超级电容器发展现状 超级电容器又称法拉电容、电化学电容器或双电层电容器(英文名称为 EDLC,即 Electric Double Layer Capacitors), 是基于双电层理论的一种具有超大电容量的电容器。 超级电容器是材料学突破的成果,作为一种新型功率型储能元件,超级电容具有循环 寿命长、充电速度快、安全可靠、电阻小等特点。 超级电容器储能原理与传统静电电容器一致,但其超大储能容量使得超级电容器 具有了代替化学电源的潜力,自从超级电容器问世以来,世界各国都对超级电容器进 行了不断的研究与应用。1879 年德国人赫姆霍兹 Helmholz 发现了超级电容器的基础 理论——双电层电容理论;1957 年,Becker 申请了第一个超级电容器方面的专利,该 电容器电极材料为具有超高比表面积的活性炭;1962 年标准石油公司(SOHIO)生产了 第一个超级电容器,电极材料为活性炭,电解质采用硫酸水溶液。1969 年标准石油公
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1979 年 NEC 公司开始大规模生产超级电容器, 司开始进行超级电容器的市场化生产; 超级电容器进入商业应用。 目前美国、韩国、日本和欧洲的发达国家对超级电容器的研究比较深入,技术处 于世界领先地位。在超级电容器产业化方面,美国、日本、韩国的一些公司占据了大 部分超级电容器的市场,其中规模较大的公司有:美国 Maxwell 公司,日本的松下公 司以及 NEC 公司,韩国的 Starcap 公司[4]。 与国外相比,我国超级电容器的研究起步晚,但是发展速度很快。近年来清华大 学、哈尔滨工程大学、中科院电工所等一些科研院所开展了对超级电容器的材料和应 用方面的研究工作。2011 年 9 月 1 日在天津研制成功了镍碳超级电容器,实现了电动 车电源研究的重大突破。2013 年 8 月 15 日,中国南车成立了我国首个超级电容研究 所,专业研发高比能、低成本的新型超级电容器。在超级电容器产业化方面,我国主 要有上海奥威、锦州富辰和北京集星等公司实现市场化生产。其中锦州富辰主要生产 钮扣型和卷绕型超级电容器, 该公司于 2013 年引进一条自动化生产线, 年产能扩充到 2000 万只;北京集星目前生产卷绕型和大型电容器。目前国产超级电容器占据了国内 市场的 60%-70%。 超级电容器作为一种新型储能器件,同时具有二次电池和传统电容器的特点。其 中,高性能电极是超级电容器制造的核心,对超级电容器性能有决定性的影响。生产 高性能电极技术的难点在于电极碳材料结构,法国国家科研中心和奥尔良大学研究人 员借助核磁共振光谱技术量化分析了电极和正负离子间的静电作用强弱,结果发现, 碳电极材料结构越不规则,超级电容器的容量就越大,对高压的承受能力也越强。另 外,石墨烯技术的突破记载超级电容器电极制造中的应用,使超级电容器在性能上有 极大的提高,推动了超级电容器市场的进一步发展。 在现阶段,国家政策导向依然是推动超级电容器行业向前发展的重要动力。在国 家“十二五”能源与环保政策的带动下,新能源汽车(特别是大中型客车)、风电行业 等将成为大容量超级电容器重要的应用市场。 1.2.2 超级电容器应用状况 超级电容可以广泛应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等 不同的应用场景,在工业控制、风光发电、交通工具、智能水表、电动工具、军工等 领域具有非常广阔的发展前景,特别是在部分应用场景具有非常大的性能优势。
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第一章

绪论

新能源领域中,太阳能、风能等能源具有时间上的不均匀性,在昼夜和不同季节 的分布上变化较大,超级电容器由于充电快、寿命长,可靠性强,耐大电流能力强等 优势,可以在太阳能、风力发电等领域广泛应用[4]。 (1)在太阳能、风能输出不稳定时,由超级电容器作为缓冲器存储过剩能量,在 电能输出不足时则将超级电容器中存储能量在短时间内释放。 同时新能源采集中,需要用到各类机械控制系统,以往这类系统的能源由电池提 供,由于工作具有间歇性和瞬间强度大等特点,导致电池寿命大大降低。超级电容器 由于充放电快,寿命长,特别适合这种应用场景,更可以减少频繁更换电池带来的人 工和维护成本。 (2)随着 Tesla 的销售火热带动了整个市场对于新能源汽车的巨大热情,超级电 容器作为新能源汽车的能源选择之一受到广泛的关注和研究。 目前来看超级电容器在电动汽车领域主要包括两类应用,一是应用于纯电或混合 动力电动车,作为能量存储缓冲单元,在汽车减速或停车时制动系统产生的热能转化 为电能储存在超级电容器模组中,在启动过程中利用超级电容器的瞬间大功率特性, 带动发动机工作。 智能启停控制系统成为了超级电容器在新能源汽车领域的重要应用。 另一类应用则是具有稳定行进线路的超级电容器公交大巴,这一应用目前已经在 包括上海等几个城市展开试点。以超级电容器作为主要动力源时,由于超级电容器目 前存在能量密度小的问题,续航里程相对较短。但是应用于具有稳定行进路线的公交 大巴应用时,由于站点间距离有限,可以利用停站上下客的时间快速充电,恰好符合 超级电容器的性能特点。 (3) 超级电容器在用户端确保电网稳定。 多个大功率变压变频起重机同时工作时 会形成可使本地电网过载的功率需求高峰,而基于超级电容器的电力系统可对电力峰 值进行缓冲,最大程度地降低对电网的影响。超级电容器能为电压骤降应用提供大冲 击功率,比电池更加高效;而且它的使用寿命长,无需或仅需少量维护即可高效运行 长达 10 年。

1.3 光伏发电产业国内外发展现状
1.3.1 光伏发电产业国外现状及其发展 进入二十一世纪,随着能源问题成为制约人类社会生产和发展的主要障碍之一, 越来越多的国家开始关注太阳能可再生资源的利用。国际能源署(IEA)的报告指出,
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2014 年全球 24 个主要太阳能应用国家光伏发电系统安装量为 36.9GW。全球有 15 个 国家的太阳能光伏年度发电量达到或超过了其国家全年 1%的电力需求。其中比例最 高的意大利光伏发电占全国总电力的 7.8%。在整个欧洲范围内,这个数据是 3%,澳 大利亚、日本和以色列的光伏电力占比也都超过了 1%。光伏发电如今正迅速成长为 很多国家的重要电力来源。 美国能源信息管理局表示美国 2013 年太阳能需求增长超过了 32%。另外,根据 美国太阳能行业协会数据显示,2013 年前三季度太阳能光伏装机量上升 18%。美国太 2014 年美国太阳能市场将呈现 10 倍增长幅 阳能产业研究公司 Solarbuzz 的报告显示, 度。未来五年,美国光伏市场年平均增速在 30%以上,从全球太阳能光伏市场规模来 看,美国已成为全球增长速度最快的太阳能光伏市场之一。 2013 年 11 月美国能源部宣布,世界上最大、技术最先进的太阳能光伏发电厂已 投入商业运营。发电量为 250 兆瓦的加州峡谷太阳能牧场( California Valley Solar Ranch)的特色是能够通过无线方式改变太阳能电池板的位置,跟踪天气情况,优化 太阳能输入,以最大程度上吸收太阳能。该发电厂现在可供 4.2 万个家庭用电,每年 会减少 27.9 万公吨的二氧化碳排放量,相当于 6 万辆汽车的排放量。 美国的企业、非营利机构和政府组织 2013 年共计新安装了 1000 多兆瓦的太阳能 电池板。美国太阳能产业协会 10 月发布的数据显示,自 2013 年中期开始计算,全美 国共有 3380 兆瓦的商业电量供应给了 32800 个厂房等设施, 比 2012 年增长了 40%多。 在政府“国家太阳能计划”的第 1 阶段期间, 印度太阳能装机容量已经由 30 兆瓦跃 升至 2000 多兆瓦。该计划于 2010 年 1 月启动,旨在推动可持续发展,广泛推广太阳 “JNNSM 计划”在将太阳能成本降低到竞争性水平方面 能, 应对气候变化带来的影响。 也起到了帮助性作用:太阳能光伏发电,0.12 美元/千瓦时;聚光太阳能热发电,0.21 美元/每千瓦时。这就使印度成为了世界上太阳能发电成本最低的国家之一。 日本京瓷株式会社在日本西南部地区修建了 70 兆瓦的鹿儿岛兆瓦级太阳能发电 厂,发电量足以为大约 22000 户家庭供电。日本正在通过发展可再生能源来实现能源 结构的多样化,而且通过鼓励房主和企业使用太阳能来推动太阳能的发展。据 Solarbuzz 公司最近发布的研究结果显示,迄今为止,日本是世界上太阳能累计装机容 量超过 1 万兆瓦的仅有的五个国家之一。 到 2016 年, 日本的太阳能累计装机容量将会 达到 1.9 万兆瓦。 2013 年,全球光伏新增装机市场达到 36GW,同比增长近 12%。其中全球主要装
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第一章

绪论

机国家如日本、德国和美国的装机量分别达到 6GW、4GW 和 3.5GW。欧洲地区光伏 装机量约为 9GW,预计 2014 年全球光伏新增装机量将达到 43GW。 1.3.2 我国光伏发电产业现状及其发展 我国的太阳能光伏发电产业相比发达国家落后 10 年左右,上世纪 50 年代,我国 光伏产业发展仅限于科研,尚难真正应用,2000 年以前还处于萌芽阶段。此后,随着 国家对太阳能利用的不断重视, 在 2002 年之后国内光伏产业规模大大增加, 技术不断 进步,我国已经成为世界主要光伏制造国,未来我国将由以前的光伏制造大国转变为 光伏应用的领先者[2]。 国家发改委在 2002 开始实施“西部省区无电光明工程” ,利用风力发电、太阳能 发电解决了西部 7 个省区无电地区的用电问题。 “送电到乡”工程从 2012 年启动,一 年内安装了大约 1.9 万千瓦光伏电池,推动了光伏发电在我国的应用和发展。 截至 2013 年上半年,我国光伏发电累计建设容量已经达到 10.77GW,2013 年我 国新增装机量达 10GW,同比增长 122%,居全球首位。2013 年,国务院出台“国发 24 号文”等多个政策文件,从上网电价、补贴资金、并网管理等多个层面破解国内应 用市场发展的瓶颈,力促国内市场的规模化启动,掀起了新一轮大型电站建设高潮。 2009 到 2013 年 1-6 月我国光伏装机情况如图 1.1 所示。
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分布式光伏

5000 4000 3000 2000 1000 0 2009年 2010年 2011年 2012年 2013年1-6月

大型光伏电站

图 1.1 2009 年-2013 年 1-6 月我国累计光伏装机情况(单位:MW)

2014 年,在光伏发电成本的持续下降、政策刺激和新兴市场快速兴起等有利因素 的推动下,全球光伏市场仍将持续扩大,我国新增装机量预计将达到 12GW。

1.4 本文主要研究内容
本文主要研究超级电容器的原理和特点 ,了解了超级电容器充放电特性以及太阳 能电池的特性,提出了一种通过超级电容器改良的 MPPT 控制方法, 分析了超级电容器
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充放电双向直流变换器,最后对光伏发电系统进行仿真实验。主要工作有: (1)分析了超级电容器的工作原理,提出了超级电容器的等效电路模型,研究了 超级电容器串联均压技术。 (2) 介绍了光伏电池的工作原理及等效电路模型, 了解光伏发电系统最大功率点 跟踪原理,分析常用最大功率点跟踪控制技术,提出一种基于超级电容器储能的最大 功率点跟踪控制电路,并仿真验证。 (3) 提出基于超级电容器的光伏发电系统总体结构设计, 分析了超级电容器在系 统中的作用,重点探讨了双向直流变换器的拓扑结构和工作原理。 (4)构建超级电容器储能系统,设计了系统的软件流程及硬件结构,对系统进行 仿真,并分析仿真结果。

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第二章

超级电容器特性分析

第二章

超级电容器特性分析

2.1 超级电容器储能原理和等效电路模型
2.1.1 超级电容器储能原理 超级电容器(Supercapacitor),是以德国人亥姆霍兹(Helmholz)提出的界面双电层 理论为基础的新型储能器件。 当把金属电极置入电解质溶液中时,由于金属电极带有电荷,电解液与金属电极 界面层之间会产生电位差,叫做双电层。当在电解液中同时置入两个电极,并施加电 压(该电压要小于电解质分解电压)时,电解液中的正、负离子会分别向两个电极流 动, 并在两个电极的界面层上形成与电极电荷相反的电荷层。 由于离子间的相互作用, 两层电荷不能通过界面位垒而中和,从而双电层始终存在。这就是双电层理论。电解 液与金属电极产生的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,紧密的双电层近似于平板电容器,但是,由于紧密的电荷层 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。 超级电容器根据储能原理可分为法拉第准电容器以及双电层电容器。双电层电容 器就是指通过双电层理论来储存电荷;法拉第准电容器,也称赝电容器,是在电极表 面或体相中的二维或准二维空间上,电活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化 学吸附、脱附或氧化、还原反应,产生和电极充电电位有关的电容器。实际应用中 , 超级电容器的电容通常同时包含双电层电容和法拉第准电容[4]。 在实际应用过程中,碳材料双电层电容器由于在成本以及安全性方面的优势而得 到广泛应用,其研究水平和生产技术也更好更成熟。因此,本文主要介绍双电层电容 器的工作原理和特性。 超级电容器是一种电化学元件,但在储能过程中并不发生化学反应,这种储能过 程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。根据电容器原理,电 容的容值与电极的表面积成正比,与电极间距成反比,也就是电极表面积越大电容容 值也越大[5]。目前采用活性炭或活性炭纤维多孔化电极的双电层电容器,由于电极表 面积极大同时电极间距极小,因此超级电容器可储存超大容量电荷,电容值远远大于 普通电容器。一般超级电容器电容量比传统电容器高 3~4 个数量级。 超级电容器两电极上施加电压低于电解质分解电压时,电解质界面上的电荷不会
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脱离电解质,超级电容器可以储存电荷,处于正常工作状态;但是当超级电容器两电 极上施加电压高于电解质分解电压时,电解质会分解,超级电容器无法工作。因此, 不同超级电容器的最高工作电压由其采用电解质的分解电压决定。目前一般采用水电 解质的超级电容器工作电压为 1V,而采用有机电解质的双电层电容器电压可达 3.5V 甚至更高。 2.1.2 超级电容器储能特点 作为新兴能量储存器件,超级电容器具有高达数千法拉的超大电容量。 超级电容器 功率密度高的同时能量密度也很高,兼具传统电容器与化学电池的优点。本文分析和 总结了超级电容器在储能上的主要特点,并将超级电容器、普通电容器和化学电池性 能指标进行对比,如表 2.1 所示。
表 2.1 超级电容器、传统电容器和化学电池的性能比较 性能 放电时间(s) 充电时间(s) 能量密度(W*h/kg) 功率密度(W/kg) 充放电效率(%) 循环寿命(次) 静电电容器 10-6~10-3 10-6~10-3 <0.1 >104 ≈100 无限次 超级电容器 1~30 1~30 1~10 100~10000 90~95 >105 化学电池 1080~10800 3600~18000 20~100 50~200 70~85 5×102~2×103

从表中比较可以得出,超级电容器与普通电容器相比具有很高的能量密度。 在与化 学电池相比时,超级电容器的功率密度、循环次数和充放电效率都具有很大优势,只 是在能量密度方面还没有化学电池高。不过随着对超级电容器制造技术的不断深入研 究,超级电容器能量密度正在不断提高。总结起来,超级电容器的储能优势如下[6]: (1)长循环寿命 超级电容器的充放电是一个物理过程,具有可逆性,在充放电过程中超级电容器自 身几乎没有任何损耗。在室温条件下,超级电容器充放电循环次数可达 100 万次,可 长时间使用而不需要维护。因此超级电容器可适用于长时间无维护的偏僻地区。 (2)高功率密度 超级电容器充放电的实质就是带电离子吸附与脱离电极的过程,目前研究出的电 极材料具有极大地表面积比, 因此超级电容器的功率密度是普通电池的几十倍,甚至更
9

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第二章

超级电容器特性分析

高。超电容器的高功率密度使得其可适应短时大功率充放电场合。 (3)充放电速度快 超级电容器的内阻非常小,因此超级电容器可以实现大电流充放电,在很短的时 间内完成充放电过程。 (4)能量检测简单 由于超级电容的实时储存能量正比于电容 C 以及电压的平方,因此,超级电容器 的荷电状态检测非常容易。通过超级电容端电压可以迅速计算出超级电容器的荷电状 态,方便对超级电容器的能量控制。 (5)没有污染 超级电容在充放电过程中不包含化学作用,不会产生有毒物质污染,属于绿色能 源设备。另外,超级电容器在工作过程中也没有噪声污染。 (6)高低温性能好 超级电容器对工作温度要求很低,在零下 40 摄氏度至 85 摄氏度内都可以正常工 作,与蓄电池相比,对环境温度的耐受性相当高。 (7)充放电效率高 超级电容器在充放电过程中的能量损耗主要在内阻上,而由于超级电容器内阻极 小,其充放电周期效率可达 90%以上。 目前超级电容器还有很多缺点,还需要不断的改进与完善。 (1)端电压波动范围大 超级电容器端电压会在充放电过程中随着储能容量的变化而变化,而在实际应用 中负载一般要求稳定输出电压。目前都在负载与超级电容器之间加电压变换器,将超 级电容器电压转换至负载电压稳定输出,导致系统结构更加复杂。 (2)串联均压问题 目前由于超级电容器电解质材料要求,一般单体超级电容器电压值为 2.7V 左右, 在实际工作中,需要将多个单体超级电容器串联、并联后组合为模组来满足系统要求 的电压和电容量。在实际应用中发现,由于单体超级电容的制造差异,在工作过程中 模组各单体电容器的电压会有微小的差别,一部分电容器电压过高,有电解质分解的 可能;另一部分的电压过低,能量利用率低。因此需要加入串联均压电路来均衡超级 电容器各个单体的电压,一般串联均压电路都会造成能量损耗,降低系统能量利用率
[9]


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另外,目前市场上超级电容器成本较高,在大功率储能场合时,超级电容器耗费 成本几乎无法承受。 2.1.3 超级电容器等效电路模型 为了更好的分析超级电容器,了解超级电容器的特性,建立超级电容器等效电路 模型是很重要的。 从超级电容器的内部结构来看, 超级电容器是一个复杂的阻容网络, 基于这个理论,人们提出了很多应用模型,比如经典德拜极化电池模型,或者传输模 型等。但在实际应用中,超级电容器等效电路可以简化为如图 2.2 所示,这个模型也 叫经典模型,主要用于原理分析。
+ RESR

C -

REPR

图 2.2 超级电容器等效电路模型

在图中, RESR 是等效串联电阻(equivalent series resistance), REPR 是等效并联电阻 (equivalent parallel resistance),C 是等效电容。在这个模型中,将超级电容器简化为一 个近乎理想电容器 C 与一个极小阻值的电阻 RESR 串联之后再与一个电阻 REPR 相并联的 结构。由于存在等效串联电阻 REPR ,在充电或者放电过程中,电流流过 RESR 会产生能 量损耗并导致超级电容器发热。同时在放电过程中, RESR 会因串联分压作用减少放电 电压。特别是在大电流放电时, RESR 会消耗超级电容器相当部分的功率,降低超级电 容器有效储能。超级电容器的漏电流是由 REPR 产生的,一般情况下 REPR 很大,漏电流 很小,但在长期储能时,超级电容器的漏电率与铅酸蓄电池相比大得多,达到了 10% 每天。 为了补偿漏电流损耗, 一般在长期储能时要在超级电容器两侧加恒压保持电路。

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第二章

超级电容器特性分析

2.2 超级电容器相关参数
2.2.1 超级电容器等效串联电阻 电极材料,介质溶液内阻以及接触内阻决定了超级电容器的等效串联电阻。当超 级电容器开始放电时, 由于等效串联电阻的作用, 导致刚开始放电的瞬间端电压突降。 等效串联内阻阻值测量方法如下所示:
i1(t) + RES u1(t) C + RES R + uc(t) (a) (b) u2(t) C
i2(t)

+ uES(t) -

+ uES(t) + uc(t) -

图 2.3 等效串联电阻测试示意图

超级电容器等效串联电阻测试原理图如图 2.3 所示,其中

RES 为所要测试的等效串联电阻阻值;

u1 (t) 和 u2 (t) 为电容正负两极的端电压; uc (t) 为等效电容 C 的端电压;
超级电容的等效并联电阻相比等效串联电阻极大,采用此方法时对内阻的测量几 乎没有影响,可以忽略[37]。由图 2.3(a)可知,等效电容 C 的电压为:

uc (t) ? u1 (t) ? i1 (t) RES

(2.1)

当电流 I1 保持不变,恒流向电容器充电一段时间后,停止充电。此时电容器两端 电压为 U1 。而由于此时内阻两端电压为零,那么等效电容的端电压为 U1 。 如图 2.3(b)所示,在停止充电后给电容两端串接上电阻 R 放电,此时需要测量刚开 始放电时超级电容端电压 U 2 以及电流 I 2 ,另外需要注意电阻 R 的大小,其值不能选择 过大或者过小。以安全并且方便测量为选择的标准。
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由电路原理可得:

U 2 ? U c ? I 2 RES
U c 是超级电容刚开始放电时的等效电容端电压,也就是 U1 ,由式(2-2)可得:
RES ? U1 ? U 2 I2

(2.2)

(2.3)

通过实验测得 U1 、U 2 、 I 2 的值并代入式(2.3),便得等效串联电阻 RES 的值。为了 减小误差,可多次测量并求其平均值。 2.2.2 超级电容器等效并联电阻 在导通系统中,超级电容器两端电荷会通过并联电阻放电,也就是漏电流。漏电流 的大小对超级电容器的放电能力影响很大[38]。本文通过测量超级电容端电压以及漏电 流来计算等效并联电阻阻值。 由于超级电容器的超大容量,一般在施加工作电压一段时间内超级电容器都处于 充电状态,因此规定在施加工作电压 30 分钟后再开始测试。如图 2.4 所示,要求测试 过程中,超级电容器两端施加的电压为标称工作电压,并且电源电压波动不得超过

?0.01 V 。那么可以得到公式如下:
IL ? V R
(2.4)

其中, I L 为漏电流, V 为电压表读数。漏电流 I L 的数值一般较小,这里应尽量采用精 度较高的电压表。
V IL

+

K

R RES

E C REP

图 2.4 漏电流测试示意图 13

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第二章

超级电容器特性分析

当超级电容器端电压稳定后, 等效并联电阻通过漏电流开始影响各部分的电压值。 由于等效并联电阻非常小,并且漏电流也比较小,那么忽略等效串联电阻两端的电压 降,于是 REP 的测量公式为:
REP ? E ?V E ?V ? R IL V

(2.5)

2.2.3 超级电容器等效电容量 传统电容器的容量由自身结构和材料确定,一般在生产好之后容量固定不变,施 加工作电压后电容值仍然不变。而超级电容由于自身材料的特殊性,其容量会发生变 化。这里采用前文提出的等效电路模型来研究其容量变化原理。如图 2.5 所示。
is + RES u(t) + C uc(t) REP

图 2.5 超级电容器充电电路图

根据图 2.5 可得:

I ?C
I 为流过超级电容的电流值;

duc dt

(2.6)

C 为电容器电容;
duc 为充放电时超级电容器的电压变化量;

dt 为时间变化量;
由电路原理可得:

u(t) ? uc (t) ? is ? RES

(2.7)

充电时采用恒流充电的方式,那么可将 i s 设为定值 I s 。同时为了便于分析,忽略
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了等效并联电阻 REP 。联合式(2.6)及式(2.7),可得容量 C 计算公式为:
C? I s dt I dt ? s duc (t) du (t)

(2.8)

为了得到更精确的结果,可以采用多次测量取平均的方法来计算等效容量 C。 事实上,因为超级电容器的电极大多由多孔碳材料制成,其碳材料的比表面积直 接影响到超级电容器的电容量 C。而在实际应用中,电极极化反应的比表面积会受到 充电电流的影响而发生变化,从而影响超级电容器的有效电容量。

2.3 超级电容器充放电特性的研究
2.3.1 超级电容器充电特性 超级电容器具有很长的工作寿命,理论上的充电次数可达百万次,不存在记忆效 应,荷电状态跟端电压密切相关,并且可进行大电流充电。作为一种充能方式多样化 的储能元件,超级电容器可以像铅酸蓄电池一样恒流充电或者恒功率充电。目前超级 电容器常用的充电方式有:恒压充电、恒流充电、恒流恒压组合充电。 在充电时,等效内阻会消耗能量,降低超级电容器充电效率,由图 2.5 可以看出, 能量损耗主要是等效串联阻抗 RES 引起的。在使用恒定电流 I s 给超级电容充电时,有

u(t) ? uc (t) ? I s ? RES
其中 uc (t) 为超级电容器电容电压

(2.9)

这里假设初始条件为, t ? 0 时 uc? (t) ? uc ? (t) ? U c ,某一特定状态下超级电容器的初 始电容电压值为 U c 。则有:
uc (t) ? REP I s ? (U c ? I s REP ) e
? t R EP C

(2.10)

由前面两式,得:
u (t) ? I s ( REP ? RES ) ? (U c ? I s REP ) e
? t R EP C

(2.11)

从式(2.11)可以看出,充电时间随着充电电流的增大而减小,超级电容器充电 过程中的能量损耗 Ws (t) 是充电电流 I s 和时间 t 的函数。 显然,充电时超级电容器的能耗越小越好,但由于式(2.11)的解析过程比较复 杂,无法直接给出表达式。本文从能量利用的角度出发来实现超级电容器在充电时减
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超级电容器特性分析

少能耗,提高能效。 超级电容器能量储存 Wc 为

1 Wc ? C (uc 2 ? U c 2 ) 2
过程中的消耗电能 Wo 为:
Wo ? ? I s ?u (t)dt
0 t

(2.12)

(2.13)

由式(2.12)和(2.13),超级电容器充电过程中内阻消耗的能量为: Wo ? Ws ? Wc 那么可以得出超级电容器的恒流充电效率 ? 为:

??

Wc Wc ? Wo Wc ? Ws

(2.14)

图 2.6 为某型号超级电容器在恒流充电至额定电压 2.7V 时, 电流大小与充电效率 的关系曲线。该超级电容器电容 C ? 400F , RES ? 0.001? , REP ? 1000? 。
1 0.99

充电效率(η)

0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0 10 20 30 40 50 60 充电电流(A) 70 80 90 100

图 2.6 超级电容器充电电流与充电效率关系曲线

在实验中, 由于连接线阻抗以及测量精度的影响, 测得的关系曲线比仿真时的低, 但曲线走势相似,应该说该曲线具有一定的参考价值。从图 2.6 中可以看出,超级电 容器在充电电流为 8 的时候其能效为曲线顶点,最接近 100%的位置,之后充电效率 随着电流增大而逐渐变小。 2.3.2 超级电容器放电特性 超级电容器放电时,由于流过超级电容器等效并联电阻 REP 电流非常小,等效并
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联电阻 REP 上消耗能量可以忽略不计。因此我们在分析超级电容放电过程时,将超级 电容器模型进一步简化为如图 2.7 所示的理想电容和等效串联电阻 RES 串联的模型。
i(t) +

+ RES uES(t) + uc(t) -

u2(t)

R

C

(b)

图 2.7 超级电容放电模型

由图 2.7 可以得到

u(t) ? uc (t) ? RES ? i(t)

(2.15)

当进行小电流放电时,由于 RES 很小,其上的压降可以忽略不计,主要压降集中 在电容两端,此时可以将超级电容器看作一个理想电容来分析其在放电过程中的动态 过程以及储能计算。 当进行大电流放电时, 此时即便 RES 较小, 但 RES 上的压降与 uc (t) 上的压降相比不 可忽略。 RES 会导致超级电容器刚充满时立刻放电,其端电压会有个电压降。此外, 超级电容器的端电压 u (t) 随着存储能量减少而下降到极限值。由式(2.15)可以看出,在 电流较大时,相当一部分能量用于 RES 上,也就是说此时超级电容器实际存储能量还 是较多的。事实上,在大电流放电过程中,超级电容器的能效会受到 RES 影响而降低。 在 MATLAB 环境下进行超级电容放电仿真,电容器采用前文使用相同型号,负 载阻值为 1? 。可以的到大电流放电时,超级电容器端电压曲线如图 2.8 所示,可以看 出,在放电刚开始的 1s 内,端电压有一个突降,之后超级电容器端电压随时间开始下 降,其下降速率大约为 0.006V 每秒。

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超级电容器特性分析

2.71

超级电容器端电压(V)

2.7 2.69 2.68 2.67 2.66 2.65 2.64 2.63 0 1 2 3 4 5 6 时间(s) 7 8 9 10

图 2.8 超级电容器放电时端电压变化曲线

与铅酸蓄电池放电时端电压保持稳定相比, 超级电容的端电压不够稳定, 而大部 分负载都需要在稳定电压环境下工作,这大大局限了超级电容的发展。目前,人们在 实际应用中,一般要给超级电容器配备功率变换器,使超级电容器在放电过程中能够 工作在负载要求的恒流或者恒压方式。

2.4 超级电容器串联均压法
由于目前超级电容单体额定电压一般为 2.7V, 而充放电过程中主电路电压一般要 高于 2.7V。在实际使用中,超级电容器都需要串联、并联来构成超级电容器模组,其 中串联增加额定电压,并联可以增加电容量[9]。超级电容器在串联时需要保证各个单 体电容端电压一致,否则的话会影响超级电容器充放电性能,甚至影响到系统的安全 性。因此需要给超级电容器组外接均压电路,使模组中各个单体的端电压保持一致, 这种电路就称为串联均压电路。目前常用的均压电路有[10,11]: (1)稳压管均压法 其基本原理如图 2.9 所示,在超级电容器串联模组中,给每个电容器并联一个稳压 管,并将其击穿电压设定为模组中超级电容器单体的额定电压。这样在某一个单体电 容器端电压超过额定电压时,其并联的稳压管就会被反向击穿,充电电流从稳压管中 流过而不会导致该电容器端电压超过额定电压。该方法优点是成本低、易于实现;缺 点在于稳压管击穿后充电电流流经稳压管,使稳压管开始发热,浪费电功率。并且在 电流较大时,可能会发生稳压管过热的情况,所以稳压管法一般用在功率较小环境。

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D1 +

D2

D3

Dn

C1 C2 C3

Cn

图 2.9 稳压管法电路原理图

(2)开关电阻均压法 如图 2.10 所示,将稳压管法电路中稳压管用开关串联电阻电路代替,就得到了开 关电阻均压法。其原理与稳压管法类似:当某一个单体电容器端电压升高到额定电压 时,控制该电容并联支路的开关连接,引导电流从并联支路通过,保证电容器端电压 的稳定。此方法是对稳压管法的一种改进,因为在电路中可以根据具体情况选择适合 电流大小的电阻,从而相比稳压管法它的精度更好,反映更快。但是稳压管法的缺点 却没有改善,并联支路中电阻的存在,导致电路发热严重,能效降低。一般功率较小 的场合才会用到开关电阻均压法。
+ S1 R1 S2 R2 S3 R3 Sn Rn C1 C2 C3 Cn

图 2.10 开关电阻法电路原理图

(3)DC/DC 变换器均压法 其基本原理如图 2.11 所示,首先对各个单体超级电容器端电压不断的检测,在相 邻的两个电容器之间接 DC/DC 变换器,然后比较测得的各个电容器端电压,控制变换 器将能量从电压高的电容转移到低的电容。图中采用的是 Buck-Boost 变换器,该变换 器能够改变电流的方向, 从而实现双向输出能量。 该方法的优点是几乎没有能量损耗, 均压反应速度快。缺点是需要安装功率器件及电容器端电压检测电路。一般应用于大 功率充电的场合。

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第二章

超级电容器特性分析

+ Q1 D1 R1 Q2 D2 C2 R2 Q4 Q3 D3 C1

C3

D4

-

图 2.11 变换器均压法电路原理图

目前除了上述三种方法还有输出变压器均压法、飞渡电容均压法等,但是这些方 法的基本原理分为两种,一种是将多余能量消耗掉,这类方法称为能耗型方法。另一 种是将多余能量从一个电容转换到另一个电容。一般来说,稳压管法和开关电阻法属 于能耗型,该类型电路成本很低、易于实现,但是发热严重,通常应用于小功率场所。 而回馈型均压法配备了复杂的电路,从而实现了反应速度快,能耗小的目的。通常应 用于大功率场合[10]。 对于实际设计中需要考虑实际需要、成本、体积、效率等方面指标,下表 2.2 为各 种参数对均压效果的影响,表 2.3 为上述几种均衡方法进行比较:
表 2.2 各种均压方法参数对均压影响比较 电容容值偏差 稳压管法 开关电阻法 DC-DC 变换器法 多输出变压器法 飞渡电容法 均压效果影响大 均压效果影响大 均压效果影响较小 均压效果影响较小 — 串联等效阻抗偏差 均压效果影响较大 均压效果影响小 均压效果影响小 均压效果影响小 — 均压电路参数偏差 电压上限值影响大 电压上限值影响大 电压上限值影响大 电压上限值影响大 —

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表 2.3 各种均压方法比较 电路结构 稳压管法 开关电阻法 DC-DC 变换器法 多输出变压器法 飞渡电容法 简单 简单 复杂 复杂 复杂 控制方法 简单 简单 比较复杂 较为复杂 复杂 均衡速度 比较慢 慢 快 较快 快 均衡效率 低 低 高 较高 高 能耗大小 大 大 较小 较小 较小 成本 低 低 较高 高 较高

由表 2.3 可以看出,目前各种串联均压技术各有优缺点,还没有一种方法能够真 正实现电路结构简单、均衡速度快、效率高、成本低的目标。

2.5 本章小结
本章介绍了超级电容器的工作原理,分析了超级电容器超大容量的原因。根据超 级电容器常用等效电路模型研究了超级电容器的相关参数以及充放电特性。另外考虑 到超级电容器用作储能装置时的均压问题,分析了现有的超级电容器串联均压方法。

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第三章

光伏发电系统最大功率点跟踪技术

第三章

光伏发电系统最大功率点跟踪技术

3.1 光伏电池工作原理及特性分析
光照在不均匀半导体上,半导体内部不同部位会产生电位差。这种现象叫光伏效 应。光伏电池就是指利用光伏效应使光能通过半导体转换为电能的电子器件。光伏电 池的工作原理为:光伏电池是由 P 型半导体和 N 型半导体组成,P 型半导体是在单晶 N 型半导体是单晶硅掺入少 硅掺入少量的三价元素制成,会在内部形成带正电的空穴。 量的五价元素制成,会在半导体内部形成带负电的自由电子。当 N 型和 P 型两种不同 的材料接触后, 由于空穴和自由电子的存在,在两种材料界面处会形成由 P 型指向 N 型的电场。当光照在光伏电池表面上时,由于光子能量大于禁带宽度,从而激发出电子 和空穴对,在 P-N 结电场的作用下,空穴由 N 区流向 P 区,电子由 P 区流向 N 区, 在电池的两极积累成电势差[14]。 在使用太阳能电池供电时,由于单个的光伏电池模板输出功率有限,一般不能满 足负载的用电需求。按照应用需求,太阳能电池经过一定的组合,达到一定的额定输 出功率和输出电压的一组光伏电池,叫光伏组件。根据光伏电站大小和规模,由光伏 组件可组成各种大小不同的阵列。 3.1.1 光伏电池的等效电路模型 根据光伏电池的工作原理和各项输出参数,光伏电池的等效电路模型如图 3.1 所 示[15]。
I

+ Id Iph UJ Ish

Rs

+ U

Rsh -

图 3.1 光伏电池等效电路模型

图 3.1 中, I ph 为光生电流,其值一般正比与光伏电池的表面积和光强,电流 I d 为
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光伏电池 P-N 结产生的二极管电流,其值的大小反映了光伏电池自身性质。 Rsh 为旁 路电阻, Rsh 上的电流为漏电流 I sh 。电极与硅表面间接触电阻和表面电阻构成串联电 阻 Rs 。太阳能电池的输出电流 I 为:
I ? I ph ? I d ? I sh

(3.1)

其中

I d ? I o (e

q (U ? IRs ) nkT

? 1)

(3.2) (3.3)

I sh ?

UJ Rsh

光伏电池的输出电压:

U ? U J ? IRs
光伏电池的电流-电压方程为:

(3.4)

I ? I ph ? I o (e

q (U ? IRs ) nkT

? 1) ?

U ? IRs Rsh

(3.5)

I d ——光伏电池无光照时饱和电流,A; I o ——P-N 结反向饱和电流,A;

U J ——P-N 结电压,V;
q——电子电荷, 1.6 ?10?19 C ; K—波尔兹曼常数, 1.38 ?10 T—热力学温度,K; n—P-N 结的曲线常数(正偏电压大时为 1,正偏电压小时为 2) 。
?23

J

K

Rs 和 Rsh 都是光伏电池自身电阻, 在理想的太阳能电池模型中, 串联电阻 Rs 很小,
旁路电阻 Rsh 很大,由图 3.1 光伏电池等效电路图可得, 理想状态下光伏电池的输出电流:
I ? I ph ? I d

(3.6)

理想状态下光伏电池的输出电流-电压方程:
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第三章

光伏发电系统最大功率点跟踪技术
qU nkT

I ? I ph ? I o (e

? 1)

(3.7)

填充因子 FF 是表征太阳能电池质量好坏的一个指标,代表太阳能电池的最大功 率 Pmax 与开路电压 U oc 和短路电流 I sc 乘积之比。 其值越大, 说明光伏电池效率越高, FF 定义式为:

FF ?

Pmax

I scU oc

(3.8)

光电转换效率,是指光伏电池最大输出功率与照射到电池上总功率之比,

? ? Vm I m P

in

(3.9)

光电转换效率主要由光伏电池的自身材料决定,另外,光伏电池的结构布置以及 环境温度也对光电转换效率有一定影响。目前随着材料方面的研究进展,光伏电池的 光电转换效率正在逐步提高。 3.1.2 光伏电池的电气特性 本文通过研究光伏电池的输出 I-V 特性曲线以及 P-U 特性曲线来了解光伏电池的 电气特性。在一定的光强和温度下,测量光伏电池的输出电流和输出电压值,根据测 量值所得的曲线就是光伏电池的伏安特性曲线,也叫 I-V 特性曲线。光伏电池的伏安 特性曲线如图 3.2 所示:
I Isc Im

Pm

Um

Uoc V

图 3.2 光伏电池伏安特性曲线

由图 3.2 中可以看出,光伏电池的伏安特性曲线表明了在特定光照下,光伏电池 输出电流与电压之间的关系。当光伏电池输出电压低于某一特定值(最大功率点电压

U m )时,其输出电流比较高,维持在近乎短路电流 I sc 的大小。而在电压进一步超过最
大功率点电压 U m 后,输出电流迅速减小到 0。 了解光伏电池 P-U 特性曲线有助于更充分的研究光伏电池特性,而光伏电池的
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P-U 曲线可以根据光伏电池伏安特性曲线得出。 光伏电池 P-U 特性曲线如图 3.3 所示。
P Pm

M

Um

Uoc U

图 3.3 光伏电池 P-U 曲线

从图中可以看出,随着光伏电池输出电压的增加,输出功率也开始增加,一直到 输出电压达到一个定值时,光伏电池输出功率达到最大值,之后输出功率开始随着输 出电压的增加迅速较小到 0。为了尽量维持光伏电池工作在最大功率电附近,确定光 伏电池最大功率点的电压、电流是非常有意义的,

3.2 光伏发电系统的最大功率点跟踪技术
3.2.1 最大功率点跟踪原理 光伏电池在工作时,端电压会随着日照强度、环境温度的改变而发生变化,输出 功率不稳定。图 3.4 为光伏电池在不同日照强度下 P-U 曲线,从图中可以看出,排除 日照强度等外界因素影响,相同光伏电池在不同电压下输出功率不同。最大功率点跟 踪的原理就是通过给光伏电池系统加入调控装置,在一定的算法控制下,使光伏电池 在不同日照、温度条件下输出尽可能多的电能,从而获取最大可能的发电功率,提高 系统的效率[17]。
10 功率(W) Pmax

10

20 电压(V)

图 3.4 不同光强下光伏电池的 P-U 曲线 25

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第三章

光伏发电系统最大功率点跟踪技术

由于负载大部分要求恒定电压供电,因此在连接负载时通常需要在光伏阵列和负 载之间并联一个功率变换器。如图 3.5 所示。DC-DC 变换器可以调节输出电压和输入 电压之比,改变负载的等效输入阻抗,从而使光伏阵列工作在最大功率点。

太阳能 电池板

DC-DC变 换器

负载

图 3.5 带 DC-DC 变换器的光伏系统

实现 MPPT 的过程是一个系统自主寻找最优点的过程,由图 3.4 可知,在不同光 强、温度下光伏电池的最大功率点是存在并且相对稳定的。首先测量系统各个参数, 经过算法计算,然后通过 DC-DC 变换器来调整光伏阵列,从而实现最大功率点跟踪。 3.2.2 常用的最大功率点跟踪控制算法 在最大功率点跟踪控制中,算法是非常重要的一环,目前光伏发电系统常用的最 大功率点跟踪控制算法已经有很多种,其中常用有[19,20]: (1)常量控制法 常量控制法可分为恒压法和恒流法 , 该方法的基本原理是首先确定一个系统最大 功率点,确定在该点时的电压、电流值。再测量光伏阵列的电压或者电流,与事先确 定的电压或者电流值比较,通过比较后的结果确定控制策略来驱动功率变换器。这么 做的依据是在只有日照强度变化时,光伏阵列在最大功率点的输出电压基本不变。这 种方法误差比较大,但比较容易实现。 电流恒定法的理论依据是,相同温度、不同光照强度下,光伏阵列在最大功率点 的输出电流与短路电流成比例。该方法基本步骤为,每隔一段时间测量光伏阵列的短 路电流,乘以事先确定的比例系数, 将得到的结果作为最大功率点输出电流来控制功率 变换器。由于比例系数不够稳定,该方法不够精确。 (2)查表法 由于光伏阵列在不同的光强和温度下的最大功率点不一样,对应的电压和电流值 也不同,因此将光伏阵列在不同光强和温度下最大功率点的电压和电流记录下来,制 作成表格,在实际应用中,根据实际光强和温度,查表得到光伏阵列最大功率点的电 压和电流值。根据此表格来调控系统电压和电流从而实现光伏阵列最大功率点跟踪。 查表法需要利用光传感器和温度传感器来测量实时环境光强及温度。该方法反应速度
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快,可直接查表后控制系统做出反应即可;缺点是实时性差,在出现意外情况时不能 及时做出准确反应。 (3)干扰观测法 干扰观测法(也叫爬山法)的基本原理是首先检测光伏阵列当前输出功率,然后 给输出电压加一个扰动电压,再对光伏阵列输出功率进行检测,判断功率是增大还是 减小,从而得到下一步控制信号。这种控制方法较容易实现,但在达到稳定状态下需 要进行多次反复扰动判断,因此系统响应速度慢,在光强变化很小的场合比较适合。 在光强变换迅速的场合,该方法可能会得出错误的变化方向,导致跟踪失败。另外, 在光伏阵列达到最大功率点的稳定状态时,该算法会导致光伏阵列在最大功率点附近 不断震荡,实际上并未达到最大功率输出。因此扰动量参数的确定非常重要,既要大 到可迅速找到新的最大功率点又要小到在稳定状态震荡时耗费功率较小。一般情况, 扰动量的参数需要人工调整以适合系统需求。 经典的干扰观测法步骤为:系统控制器控制光伏阵列在每个控制周期采用固定步 长改变输出电压或者电流, 方向可以是增大也可以是减小, 也就是施加 “干扰” ; 然后, 检测干扰周期前后光伏阵列的输出功率并对比,光伏阵列输出功率增加时,重复上一 周期的扰动, 保持步长方向与上一周期中的步长方向一致, 光伏阵列输出功率减小时, 将步长的方向改变为反方向。重复这两个步骤,直至光伏阵列工作在最大功率点附近 一个较小范围。在步长较大时,跟踪速度快但精度差;步长较小时,跟踪速度慢但精 度较高。 (4)模糊逻辑控制 由于光伏阵列的输出具有非线性特征,因而可适用模糊逻辑控制来实现 MPPT 控 制,在光伏发电系统中一般使用 DSP 来实现模糊逻辑控制。该方法动态特性好、精度 高。 (5)其他 MPPT 算法 除了上述几种常见的 MPPT 算法,还有神经元网络控制法、滞环比较法、最优梯 度法等算法可以实现光伏阵列最大功率点跟踪。这些算法的基本原理一致,区别在于 实现方式各自不同。下面介绍另一种常用的 MPPT 算法——电导增量法,本文就是采 用电导增量法来实现 MPPT 控制的。

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第三章

光伏发电系统最大功率点跟踪技术

3.23 基于电导增量法的 MPPT 技术 电导增量法增加了判断工作点电压和最大功率点电压关系的步骤,可以有先见的 对光伏阵列输出电压进行控制,防止了干扰观察法的无用系统扰动。其原理是光伏阵 列达到最大功率点时 P-U 曲线斜率为零[23]。 光伏电池输出功率为:

P ?U ?I
两边对 U 求导可得:

(3.10)

dP d (IU) dI ? ? I ?U dU dU dU
假设光伏电池在最大功率点输出电压为 U MPP ,由图 3.4 可知,当

(3.11)

dP ? 0 时, dU

U ? U MPP ;当

dP dP ? 0 时, U ? U MPP ;当 ? 0 时, U ? U MPP 。 dU dU

将这三种情况分别代入式(3.11)可得: 当 U ? U MPP 时, 当 U ? U MPP 时, 当 U ? U MPP 时,

dI I ?? dU U dI I ?? dU U dI I ?? dU U

由于 dU 是分母所以其值不能为 0,根据 dU 的值是否为 0 可分为两种情况: (1) dU ? 0 ,那么判断 dI 的值,当 dI ? 0 时,此时系统已经处于最大功率点; 当 dI ? 0 时,判断 dI 的正负,根据其值调整电压。 (2)如果 dU ? 0 ,那么根据上述 与最大功率点电压的关系。 电导增量法控制流程如图 3.6 所示

dI I 与 ? 的三种情况来确定此时系统工作电压 dU U

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开始

检测光伏阵列输出 电压UPV、IPV

dU=0 否 dI/dU=-I/U 否 是 是 Ub=Ub+ΔU dI/dU>-I/U 否 Ub=Ub-ΔU



dI=0 否 dI>0 否 Ub=Ub-ΔU Ub=Ub+ΔU 是 是

Ub=UPV Ib=IPV

结束

图 3.6 电导增量法控制流程图

电导增量法通过修改控制算法,使得系统能够紧跟气候变化,光伏阵列输出端电 压会随着光照变化稳定的变化从而实现最大功率点跟踪。该方法在实际应用中,需要 高精度传感器来测量 U 和 I 的变化值,通过逻辑判断式确定输出电压变化的方向,其 电压晃动较扰动观察法要小,避免了扰动观测法输出功率反复振荡的缺点。

3.3 超级电容器储能 MPPT 控制电路设计
3.3.1MPPT 控制主电路设计
太阳能电池板 MPPT控制电路

+ + UN

+ -

UPV -

图 3.7 MPPT 控制电路的基本电路图 29

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第三章

光伏发电系统最大功率点跟踪技术

本文提出了一种利用超级电容器实现最大功率点跟踪的串联补偿电压法, 如图 3.7 所示,在 MPPT 控制电路中加入超级电容储能器件,测量光伏电池实时输出电压和电 流变化并由电导增量法得出此时输出电压 U dc 与最大功率点电压 U MPP 之间关系,利用 超级电容器充放电特性调节光伏阵列的输出电压 U PV 保持在最大功率点的电压水平

U MPP 。由图 3.7,根据基尔霍夫电压定律可以得到:

U MPP ? U N ? U dc

(3.12)

由电导增量法可以得到直流母线电压 U N 可能大于或小于目前最大功率点电压

U MPP ,可分为两种情况:
(1)当 U N 大于 U MPP 时,控制超级电容器向外放电,此时 MPPT 控制电路输出电 压 U dc 与 U N 方向相同; (2)当 U N 小于 U MPP 时,光伏阵列通过母线给超级电容器充电,此时 MPPT 控制 电路输出电压 U dc 与 U N 方向相反。 MPPT 控制电路根据 U MPP 与 U N 之间关系, 控制超级电容在充放电状态之间切换, 补偿 U dc 与 U MPP 之间的差值。 当 U MPP 小于 U N 时,为了实现电压补偿。根据式(3.12),可以得到

U dc ? U N ? U MPP
当 U MPP 大于 U N 时,有

(3.13)

U cd ? U MPP ? U N

(3.14)

30

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L d

Q1

Q3

-

超级电容器组

Usc +

Udc

Q2

Q4 c

图 3.8 超级电容器储能 MPPT 控制电路

为了实现超级电容补偿电路,本文设计的利用超级电容器储能特性的 MPPT 控制 电路如图 3.8 所示。由于串联补偿电压法的要求,光伏电池输出电流方向需保持不变, 因此在电路中加入一个 DC-DC 变换器,包含四个绝缘栅双极型晶体管(IGBT) ,每个 IGBT 串联一个二极管防止反向电流。通过改变四个 IGBT 通断顺序来确保电流方向, 同时通过控制 IGBT 占空比来控制输出电压的大小。另外,为了延长导通时间并且减 少电流波动,在直流侧串联一个电抗 L。 超级电容器储能 MPPT 电路控制流程如下: (1)当计算得到最大功率点电压 U MPP 小于直流母线电压 U N 时,此时可以把超级 电容器看作串联在光伏阵列跟负载之间的电压源。控制 DC-DC 变换器中的 Q2、Q3 导通,MPPT 控制电路输出电流从 c 点经 Q2、Q3,最后从 d 点流出,MPPT 控制电路 输出电压 U dc 与直流母线电压 U N 方向相同。超级电容器放电时电流电压方向如图 3.9 所示。

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第三章

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L d

Q1

Q3

+

Udc

超级电容器组 + Q2 Q4 -

c

图 3.9 超级电容器放电时电流电压方向

(2)当计算得到最大功率点电压 U MPP 大于直流母线电压 U N 时,此时可以把超级 电容器看作串联在光伏阵列跟母线之间的一个负载。光伏阵列向超级电容器充电, MPPT 控制电路输出电流从 c 点经 Q4、 Q1, MPPT 控制电路输出电压 U dc 从 d 点流出, 方向为负。超级电容器充电时电流电压方向如图 3.10 所示。
L d

Q1

Q3

-

Udc

超级电容器组 + Q2 Q4

+

c

图 3.10 超级电容器充电时电流方向 32

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由于超级电容器具有充放电速度快,可反复充电无损耗的特点,可以在特定环境 下,在输出能量与吸收存储能量状态之间切换。该控制电路将超级电容器作为能量补 偿器件,搭配合适的 DC-DC 切换电路,从而在控制电路输出电流方向不变的情况下 改变补偿电压的方向以及大小。 与传统的 MPPT 控制电路不同, 由于该 MPPT 控制电路是串联在光伏阵列与直流 负载之间的,光伏阵列的电流 I PV 不会影响到 MPPT 控制,并且超级电容器的电压补 偿不会受母线电压的影响。在该 MPPT 控制电路调整下,光伏阵列的输出电压 U PV 达 到最大功率点电压时其输出电流将遵循光伏电池 I-V 特性曲线变化为最大功率点电 流。可以看出,本文提出的 MPPT 控制电路比传统 DC-DC 变换电路更好的实现了最 大功率点跟踪。 3.3.2MPPT 控制电路的控制环节 目前常用的 DC-DC 控制技术 PWM(Pulse Width Modulation)技术,也就是脉冲宽 度调制技术,即通过改变开关的动作频率来改变直流电流接通和断开的时间比例,从 而改变加到负载上的电压、电流平均值[21]。 在图 3.10 中,由于需要调整电压 U dc 的大小以补偿光伏阵列电压,DC-DC 变换器 通过调整导通的两个 IGBT 占空比来实现电压补偿。在 MPPT 控制电路中,同一时刻 有两个 IGBT 的状态是一致的。它们的占空比 D 相同。IGBT 的占空比 D 与 U dc 的关系 如下式,其中超级电容器两端电压为 U SC 。

U dc ? DU SC

(3.15)

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第三章

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IPV

UPV

A/D

D/A

PWM D

调节USC

通过算法得到最大功率点电 压及占空比

A/D UN USC

图 3.11 最大功率跟踪控制框图

图 3.11 为 MPPT 控制框图,需要测量的参数有超级电容器两端电压 U SC 、光伏电 池的输出电流 I PV 、输出电压 U PV 以及直流母线电压 U N 。由电导增量法得到直流母线 电压 U N 及最大功率点电压值 U MPP 之间关系,从而得到控制策略,也就是补偿电压 U dc 的大小和方向,最后得到 Q1、Q2、Q3、Q4 这四个 IGBT 导通和关断的状态以及导通 的 IGBT 的占空比。 通过 U N 和 U SC 来确定占空比 D, 然后使用 PMW 技术来改变 DC-DC 变换器中 IGBT 的占空比。最后为了实现更好的控制,对占空比 D 进行 PI 控制,进一 步调节系统稳定性。

3.4 仿真结果与分析
3.4.1 光伏电池仿真模型 在 3.1 中光伏电池的电流-电压方程为:

I ? I ph ? I o (e
其中

q (U ? IRs ) nkT

? 1) ?

U ? IRs Rsh

(3.16)

I d ——光伏电池无光照时饱和电流,A;
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I o ——P-N 结反向饱和电流,A;

U J ——P-N 结电压,V;
q——电子电荷, 1.6 ?10?19 C ; K—波尔兹曼常数, 1.38 ?10 T—热力学温度,K; n—P-N 结的曲线常数(正偏电压大时为 1,正偏电压小时为 2) 。 在 Matlab/Simulink 仿真平台中,利用电源系统工具库对光伏电池进行仿真,仿真 模型如图 3.12 所示[16]。
Rs 示波器1 + I 电流表1 电压表1 + V S-函数 f(u) 电压表2 + V 负载 或电 网侧
?23

J

K

可控 直流 电流 源 Iph

Rsh

信号 发生 器

示波器2

图 3.12 光伏电池 MATLAB/Simulink 仿真模型

采用一组随即信号对模型进行仿真,得到光生电流波形图如图 3.13 所示。
0.14 Iph(A) 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

T(s)

图 3.13 光生电流波形图

3.4.2 超级电容器储能 MPPT 控制系统仿真 基于上述光伏电池模型,加入理想恒压源以及 MPPT 控制电路,就得到了完整的 光伏发电 MPPT 控制的仿真模型[26]。 假定参数如下: 超级电容器的电容值为 0.56 法拉,

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第三章

光伏发电系统最大功率点跟踪技术

直流负载母线电压 U N 为 300V, 最大功率点的电压 U MPP 以及串联补偿电压都由电导增 量法得出。仿真得到 U MPP 与时间的关系曲线如下图 3.14(a)所示,串联补偿电压与 时间的关系曲线图如图 3.14(b)所示。从图中可以看出,最大功率点电压的值正好等 于串联补偿电压 U dc 与直流负载母线电压 U N 之差。可以认为,通过超级电容实现的串 联补偿电压法可以迅速、准确的实现最大功率点控制。
U MPP 400
(V) 350 300 250 200 150 100 50 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 T(s) 3 3.5 4 4.5 5

(a) U MPP 与时间关系曲线
U dc 300
(V) 250 200 150 100 50 0 -50 -100 0 0.5 1 1.5 2 2.5 T(s) 3 3.5 4 4.5 5

(b) U dc 与时间关系曲线 图 3.14 超级电容器储能 MPPT 控制系统仿真波形图

将随即光生电流作为输入信号引入光伏电池模型, 可得到如图 3.15 所示的光伏电 池输出功率波形(不加 MPPT 控制时) 。

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25 P(W) 20 15 10 5 0

0

0.5

1

1.5

2

2.5 T(s)

3

3.5

4

4.5

5

图 3.15 不加 MPPT 控制时输出功率
25 P(W) 20

15

10

5

0

0

0.5

1

1.5

2

2.5 T(s)

3

3.5

4

4.5

5

图 3.16 加 MPPT 控制时输出功率

加入 MPPT 控制系统后光伏电池输出功率波形如图 3.16 所示,通过对比,可以看 出加入超级电容器 MPPT 控制后光伏电池输出功率明显变大。 在实际应用中,光伏电池的温度和接受光照强度是随环境不断变化的,因此需要 了解光伏发电系统在外界条件变化时最大功率点跟踪系统是否还能安全、 高效的工作。 本文仿真了电压变化时的超级电容 MPPT 系统。此时假定温度和光照强度的变化对系 统的影响表现为光伏阵列的输出电压发生突变,在仿真中给光伏阵列输出电压加一个 阶跃信号。经过仿真运行后得到两组参数波形图,分别为电导增量法得到的 U MPP 以及 控制电路输出的 U MPP 。如图 3.17、3.18 所示。

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第三章

光伏发电系统最大功率点跟踪技术

U MPP
(V) 301 300.5 300

U MPP 325
(V) 320 315 310
299.5 299 298.5 0.9 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20

305 300 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25

T(s)

T(s)

图 3.17 INC 得到的 U MPP 波形

图 2.18 提出的控制电路输出的 U MPP 波形

从超调量σ及调节时间 t 可以看出一个控制系统的性能[24]。在仿真中, 超调量σ≈7.67% 调节时间 ts ? 0.03s 从仿真结果可知,控制电路输出信号能够随着输入信号的变化而变化,即使输入 加上一个突变信号时,能够在很短的调节时间内以很小的超调量达到稳定。说明该 MPPT 控制电路能够适应温度和光照条件变化的外界环境,在实际应用中也能够时间 短、波动小的实现光伏发电系统 MPPT 控制。

3.5 本章小结
本章研究了光伏电池的特性, 建立了光伏电池等效电路。 介绍了几种常用的 MPPT 控制方法,重点分析了电导增量法实现光伏发电系统 MPPT 控制的原理和工作流程。 此外,在最大功率点跟踪器的硬件方面,利用超级电容器与功率变换器件组成的功率 变换电路实现光伏阵列最大功率点跟踪。该电路可以在不影响负载的条件下调整光伏 阵列工作在最大功率点电压。最后对超级电容储能 MPPT 控制系统的仿真结果证明了 该控制电路能迅速、准确的实现光伏发电系统的 MPPT 控制。

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第四章

基于超级电容器储能的光伏发电系统

由于超级电容器具有功率密度高、可大电流充放电、反复循环无损耗等特点,目 前对于超级电容器在储能应用方面的研究越来越多,在光伏发电领域已经出现了一些 使用超级电容器代替蓄电池的实验,而使用超级电容器蓄电池结合的储能装置已经进 入实际应用中[41]。本章分析了以超级电容器作为储能系统的独立光伏发电系统,重点 研究了系统中的双向直流变换器。

4.1 系统结构
基于超级电容器储能的光伏系统的系统结构如图 4.1 所示,主要包含光伏阵列、 充放电控制器、超级电容器组以及系统控制器四部分。在 3.2 节中,已经阐述了光伏 电池容易受到温度、光照强度等外界环境因素的影响导致输出功率不稳定,因此设计 了基于超级电容器的 MPPT 系统,光伏阵列输出功率经过调整后以最大功率为超级电 容提供能量。
光伏阵列 MPPT 电路 双向DC-DC 变换器 负载

超级电容 器组

系统控制器

图 4.1 基于超级电容器储能的光伏发电系统

由于超级电容器的端电压不稳定,在接负载时必须连接放电控制器,将超级电容 器输出电压调整到负载的额定电压。独立光伏发电系统中,其输出为直流电,可以直 接接直流负载或者经逆变器逆变后接交流负载。 系统控制器是 DSP 数字信号处理模组为中心,外接 A/D 采样模块、输出信号隔 离驱动模块,以及输入及输出设备。系统控制器负责检测实时参数并显示,分析处理 数据并控制系统运转。概括起来分为三部分,包括系统状态监测、实现光伏阵列最大 功率点跟踪;控制超级电容稳定充放电。
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第四章

基于超级电容器储能的光伏发电系统

图 4.1 中的超级电容器组是有若干个型号一致的超级电容器单体进行串、并联组 合之后形成的储能模块,单个超级电容器肯定不能满足系统的储能要求,超级电容器 组是由超级电容器单体、串联均压电路组成的。超级电容串联均压电路可以保护单体 超级电容器,提高超级电容器利用率,防止过充。 在将超级电容器串、并联组成储能模组时,一方面要注意模组串联均压问题,另 一方面需要考虑超级电容器储能容量、直流母线电压以及双向直流变换器输入电压范 围等,其中最重要的是储能容量的影响。因此,在设计超级电容器模组时,对超级电 容储能容量的设计是极为重要的。模块中单体超级电容器过少时,可能会导致储能容 量太小,单体电容太多时,又会造成系统利用率过低。 在超级电容器组模组优化设计中,主要工作是根据储能容量计算出串联单体电容 个数、并联电容组个数。假定超级电容器组中串联单体个数为 m ,并联电容组个数为
n ,单体超级电容器的最低工作电压为 U m ,最高工作电压为 U M ,放电过程定义为从最高

电压放电至最低电压。那么超级电容器的放电深度为 d ? 由负载需求功率等于超级电容器组存储功率,可得
m? n ? 2W ?CU (1 ? d 2 )
2 M

Um

UM

?100% 。

(4.1)

其中,超级电容器组的放电效率为 ? ,负载的需求功率为 W ,单体超级电容的电容 量为 C 。 另外超级电容器模组的工作电压范围需要在双向直流变换器的输入电压范围之 内,才能保证储能模组正常工作。由于超级电容器串联增压,那么可以得到关于串联 电容个数的限制条件如下:

U a ? mU m ? mU M ? Ub

(4.2)

若放电控制器输入电压范围为(Ua,Ub) ,根据实际要求的负载电压,带入可得 串联电容个数 m,联合式(4.l)便可得到并联电容个数 n。将单体超级电容器按确定 m、 n 的值进行组合就得到了符合系统要求的超级电容器模组,可以看出,通过优化设计 出的模组利用率较高。

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4.2 系统能流策略
4.2.1 超级电容器储能作用 超级电容器与传统储能装置蓄电池相比具有很多优势,本文提出的基于超级电容 器的光伏发电系统中使用超级电容器作为储能设备, 系统各方面性能都有很大的提高, 在系统中超级电容器的作用如下: (1)超级电容器可以改善系统的电能质量[31] 超级电容器可以进行大电流充放电,也就是说可以提供瞬时大功率,这在对储能 设备有要求的场合非常重要。在系统中,当直流母线电流受到干扰发生波动时,超级 电容器可以吸收母线波纹峰值功率从而补偿电压以防止电压变化太大、改善系统提供 电能质量。 (2)超级电容器可以提高系统的可靠性和持续性 超级电容器可工作的温度范围比蓄电池大得多,能够更好的适应不同国家、地区 的气候条件,降低了系统在极端条件下无法工作的可能。另外,超级电容器与蓄电池 相比,具有更高的功率密度以及能量密度。也就是说在相同体积情况下,超级电容器 可以为系统存储更多的能量,在光伏电池无法提供能量时为负载持续长时间供电。即 使碰到连续阴雨天气、超级电容器也能够为负载稳定供电。 (3)超级电容器可以提高系统的能量利用率 在 MPPT 控制电路中使用超级电容器经 DC-DC 功率转换电路与光伏阵列串联, 充分利用了超级电容器大电容、可反复充放电的特性,从而实现了最大功率点跟踪, 提高了光伏电池的利用率。 (4)超级电容器可以降低系统投资成本 随着超级电容器电极材料技术的进步,超级电容器的能量密度、电容量正在不断 打破新的记录,目前市场上提供的超级电容器成本进一步降低。另外,超级电容器工 作寿命比蓄电池更长,可减少使用超级电容器的系统后续维护成本。 作为一种新型储能装置, 各个国家对超级电容器投入巨大, 超级电容器发展迅速, 基于超级电容器储能的电动汽车技术已经比较成熟,未来超级电容器可能会成为储能 系统的主要选择。 4.2.2 系统的能流分析 在光伏发电系统中,光伏阵列将光能转化为电能为系统提供瞬时功率,超级电容
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第四章

基于超级电容器储能的光伏发电系统

器组和负载消耗功率,在系统中超级电容器既能够在光照强时将多余电能存储起来也 可以在光照弱或无光照时向负载提供电能。实际工作时,由于外界环境对光伏阵列的 影响,超级电容器的储能容量,光伏阵列的输出功率以及负载的不同状态导致系统会 工作在不同的模式下[28]。在不同模式中系统的能量流动方向及大小也不相同,其具体 过程如下: (1)光伏阵列单独为超级电容器充能模式 如图 4.2 所示,当光伏发电系统连接负载还没有启动时,系统工作在光伏阵列单 独为超级电容器充能模式。如果负载一直不需要提供功率,而光伏阵列又能够持续供 能,那么系统将为超级电容组充电到饱和程度为止,在这个过程中一直处于超级电容 器单独充能模式,系统控制器会不断检测超级电容器组的端电压,在超级电容器组将 要饱和时控制充电控制器的输出电压,防止过充。

光伏 阵列

MPPT 电路

双向DC-DC 变换器

负载

超级电容 器组

图 4.2 光伏阵列单独为超级电容器充电

(2)光伏阵列同时为负载及超级电容器供电模式 当光照强度较大,光伏阵列输出功率超出负载消耗功率时,系统将处于超级电容 器存储来自光伏阵列能量和负载消耗光伏阵列能量同时进行的过程。在很多需要白天 用电的场合,光伏发电系统主要运行在这个模式。当日照强度超出一定值时,系统控 制器会判断超级电容器端电压的大小确定超级电容器是否充满,如果超级电容端电压 低于饱和电压,系统控制器控制光伏阵列及 MPPT 控制电路为超级电容器充能。该模 式下的能量流动方向如图 4.3 所示。

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光伏 阵列

MPPT 电路

双向DC-DC 变换器

负载

超级电容 器组

图 4.3 光伏阵列同时为负载及超级电容器供电

(3)超级电容器和光伏阵列同时向负载供电模式 如图 4.4 所示,在出现光照不足的气候条件时,光伏阵列提供功率不足以满足负 载要求,超级电容器开始向负载输出电能。此时系统控制器控制超级电容器输出电流 弥补光伏阵列输出功率不足部分,系统将持续处于这个模式一直到超级电容器全部放 电为止。

光伏 阵列

MPPT 电路

双向DC-DC 变换器

负载

超级电容 器组

图 4.4 超级电容器和光伏阵列同时向负载供电

(4)超级电容器独立为负载供电模式 在夜间或者阴雨天等无光照条件下,光伏发电系统将使用存储在超级电容器中的 电能向负载供电。 该模式也是目前大多数独立光伏发电系统的主要工作模式。 如图 4.5 所示,此时,系统控制器检测超级电容器端电压,利用双向 DC-DC 变换器转换为适 合负载的直流母线电压,同时需要防止过放电。

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第四章

基于超级电容器储能的光伏发电系统

光伏 阵列

MPPT 电路

双向DC-DC 变换器

负载

超级电容 器组

图 4.5 超级电容器独立为负载供电

4.3 双向直流变换器
由于超级电容器端电压会随着其存储能量状态发生变化,而负载一般要求稳定电 压或者电流输出功率。目前都会给超级电容加上电压转换电路(DC-DC 电路) ,如果 是交流负载,需要给超级电容及负载之间加逆变器[30]。本文讨论直流负载情况下,超 级电容器通过直流转换器为负载供电。 超级电容器作为光伏发电系统的能量缓冲,可通过吸收和释放功率来改善母线电 能质量[42]。为实现系统中能量的双向流动,采用双向直流变换器作为转换电路。 4.3.1 双向直流变换器电路设计 双向直流变换器可以实现能量的双向流动,在光伏发电系统中,系统要求在光伏 阵列向超级电容充电以及超级电容器对负载放电时都能有效控制超级电容端电压在合 适范围。也就是说双向直流变换器既是超级电容器的充电控制器也是放电控制器,如 图 4.6 所示。

44

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正向传输

光伏 阵列

双向直流 变换器

超级电容 器组

反向传输

负载

双向直流 变换器

超级电容 器组

图 4.6 双向直流变换器能量流动示意图

双向直流变换器在维持端口电压极性不变的情况下,只改变电流的方向来实现改 变能量流动方向。一般可分为两种类型:隔离型与非隔离型。一般光伏发电系统在超 级电容器与直流母线之间不需要隔离,本文主要讨论非隔离型双向直流变换器。其主 要特点为:成本少;无变压器;电路简单;控制简单。非隔离型双向直流变换器发展 出很多种拓扑结构,具有不同的特点,应用较多的四种为 Buck/Boost、半桥、Cuk 以 及 Sepic 变换器,各电路拓扑结构如图 4.7 所示[26]。
D1 D2

S1 U2 C1 L

S2 C2 U1

(a)双向 Buck/Boost 变换器

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第四章

基于超级电容器储能的光伏发电系统

S2 L

D2

C2 U2 C1 S1 D1

U1

(b)双向半桥变换器
L1 C3 U2 C1 S1 D1 S2 D2C2 U1 L2

(c)双向 Cuk 变换器
S2 L1 C3 U2 C1 S1 D1 D2 L2 C2 U1

(d)双向 Sepic 变换器 图 4.7 双向 DC-DC 变换器拓扑结构

对上四种典型变换器的元件所承受的电压应力进行比较分析,结果如表 4.1 所示:
表 4.1 四种变换器拓扑结构中元件承受电压应力 电容 C 电压(V) 双向 Buck-Boost 双向半桥 双向 Cuk 双向 Sepic — — U1+U2 U2 功率管电压(V) U1+U2 U1 U1+U2 U1+U2 二极管电压(V) U1+U2 U2 U1+U2 U1+U2

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在选择适合系统直流变换器的时候,应该分析不同拓扑结构下功率器件的电压应 力、最大电流等级以及最大电压等级。由表 4.1 可知,双向半桥变换器的功率器件在 同等条件下电压应力较小,同时开通损耗也较小,光伏发电系统效率较高。总结起来, 双向半桥变换器的优点有: (1)使用电感传递能量,节省了传递电容; (2)开通损耗小,转换效率高; (3)功率器件的电流、电压应力小。 4.3.2 双向半桥变换器的工作模式 双向半桥变换器可以在电压极性不变的情况下改变电流方向,适合超级电容器组 Buck 模式和 在充电与放电模式之间的转换[24]。 其工作模式可根据电流流向分为两种: Boost 模式。下面分析双向半桥直流变换器在超级电容器不同状态下工作模式及原理。 (1)超级电容器组充电 在光伏阵列对超级电容器组充电时,变换器切换为 Buck 模式,此模式下的等效电 路图如图 4.8 所示,光伏阵列对超级电容器输出电压为 U1,功率管 S1 导通,功率管 S2 不工作,超级电容器组处于充电状态,其端电压开始增大。
能量流动方向 L S1 Res C U1 C1 D2 U2

超级电容器组

图 4.8 超级电容器组储能等效电路

在 Buck 模式下,一个周期可分为两个阶段,如下图所示为两个阶段的等效电路图。

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第四章

基于超级电容器储能的光伏发电系统

i1 L Res U1 C1 U2 C

超级电容器组

(a) t0 ? t1 时刻,功率管 S1 导通
i1 L Res U1 C1 D2 U2 C

超级电容器组

(b) t1 ? t2 时刻,功率管 S1 断开,二极管 D2 续流 图 4.9 双向半桥变换器 Buck 分阶段工作模式

在 Buck 模式下,双向变流器工作流程分为两个阶段。 t0 ? t1 时间内,由于功率管 S1 导通,功率管 S2 不工作,如图 4.9(a)所示,此时光伏阵列通过电感 L 向超级电容器组充电, 超级电容器开始储能;t1 ? t2 时间内,功率管 S1、S2 都断开,电感 L 通过与功率开关管 S2 反并联的二极管向超级电容器组继续充电,如图 4.9(b)所示;再下一个系统周期 重复 t0 ? t1 时间段工作流程,维持 BUCK 模式直至超级电容器组充电到额定电压。 (2)超级电容器组放电 当超级电容器组对负载放电时,双向半桥变换器工作在 Boost 模式下,其等效电路 图如图 4.10 所示。此时功率开关管 S2 导通,S1 不工作,电流经过 S2 以及跟开关管 S1 反并联的 D1 工作。
48

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能量流动方向 D1 L

i2

Res U1 U2 S2

C1

C

超级电容器组

图 4.10 超级电容器组释能等效电路

在 Boost 模式下工作流程也可以分为两个阶段。如图 4.11 所示,
i2 L Res U1 C1 U2 C

超级电容器组

(a) t0 ? t1 时刻,功率管 S2 导通
i2 L Res U1 C1 U2 C

超级电容器组

(b) t1 ? t2 时刻,功率管 S2 断开,D1 续流
图 4.11 双向半桥变换器 Boost 分阶段工作模式

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第四章

基于超级电容器储能的光伏发电系统

如图 4.11(a)所示, t0 ? t1 时,由于功率管 S2 导通,S1 不工作,与功率开关管 S1 反并 联的二极管反向截止,超级电容器与电感 L 组成回路并由超级电容器向电感 L 充电;

t1 ? t2 时,功率管 S1、S2 都断开,功率管 S1 反并联的二极管正向导通,电感 L 向母线
释放能量,如图 4.11(b)所示;再下一个系统周期重复 t0 ? t1 阶段。双向变换器工作在 Boost 模式下,超级电容器组向负载供电,维持直流母线电压。 (3)超级电容器组满电 当光伏阵列提供能量可以满足负载要求,超级电容器组达到额定容量时,此时停 止对超级电容器充电,光伏阵列直接对负载供电。双向变流器不工作,功率管 S1、S2 不工作。

4.4 本章小结
本章提出了基于超级电容器储能的光伏发电系统,设计了系统结构,分析了超级 电容器在系统中的储能作用以及系统能量流动策略。介绍了四种典型双向直流变换器 的拓扑结构, 根据电压应力及系统转换效率选择双向半桥直流变换器作为系统主电路。 对双向半桥直流变换器在超级电容器不同状态下的工作模式进行了研究。

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第五章
5.1 超级电容器储能系统结构

超级电容器储能系统

在光伏发电系统中,超级电容器储能系统是整个系统的核心部分,为了更好的研 究超级电容器储能系统的各方面性能及作用,搭建了超级电容器储能系统以及配套的 充放电电路[30]。图 5.1 为超级电容器储能系统结构图,系统主要包括串联均压电路、 采样电路、驱动电路以及超级电容器组。
超级电容器组 S2 r L D2

C1 RL 均压电 路 C C2 S1 D1

电压采样 电流采样

驱动电路 电流采样

电压采样

系统控制器

图 5.1 超级电容器储能系统结构

5.2 电路器件参数计算
5.2.1 储能电感参数计算 电感在超级电容器充放电过程中作为能量缓冲装置,在 Buck 充电模式先吸收光 伏阵列能量传递给超级电容器组;在 Boost 放电模式下从超级电容器组吸收能量传递 到负载。在计算电感参数时,必须考虑到电感在两种模式下充电和放电能力都要满足 系统要求。这里先分别计算出在不同模式下满足要求的电感参数,然后取其中较大者
[48]


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第五章

超级电容器储能系统

(1)Buck 模式下计算电感参数 由于电感电流一直连续,那么有公式
Lbuck ? Von ? Dbuck ?I L ? f

(5.1)

(2)Boost 模式下计算电感参数 同理,由电感电流连续可得

Lboost ?

Voff ? (1 ? Dboost ) ?I L ? f

(5.2)

将数值带入后可得两模式下电感值,取其中较大值为 Lboost ? 0.875mH 。 5.2.2 滤波电容参数的设计 双向直流变换器工作在 Boost 模式下,当电感电流连续时,电流通过与 S2 反并联 的二极管流入滤波电容,从而减小母线电压波纹。在计算滤波电容参数时,由滤波电 容的工作原理,可得纹波电压 ?U 计算公式为:

?U ?
滤波电容 C:

IDboostT Vo DboostT ? C C

(5.3)

C?

Vo DboostT ?U

(5.4)

这里波纹系数取 0.005,得到滤波电容值为:470uF。

5.3 系统辅助电路设计
5.3.1 均压电路设计 根据不同均压电路工作原理及适用条件,采用简化的 DC-DC 变换器法来实现超 级电容器组串联均压[32]。其电路图如图 5.3 所示。

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P1 R1 39.1K AGND U1 LM324 C11 0.01uF AGND R3 39.1K AGND U2 LM324 C22 0.01uF AGND R6 100 R8 100 Q2 NPN C2 R5 100 VDD R7 100 C1

R2 4.7K

Q1 NPN

P2

R4 4.7K

VDD

P3

图 5.2 超级电容器均压电路

该均压电路的工作原理为:将相邻超级电容器 C1、C2 的电压值分别输送入电压 比较器 U1 两端进行比较,如果 C1 电压值大于 C2 的电压值, 比较器 U1 输出高电平 使 Q1 导通,电流由经过 Q1 流向 C2,从而使两单体电容器 C1、C2 电压趋于稳定。 5.3.2 采样电路 通过双电源供电的霍尔元件隔离主电路与控制电路并采集系统中的电压、电流信 号。采用霍尔元件获取的信号精度高,采样范围大[34]。 采样电路如图 5.3 所示,采用 LF356N 运算放大器将经过电阻分压的信号与+3.3V 参考电压相比较,将结果进行 A/D 转换送入系统控制器。
+3.3V R2 UIN R3 R1 C1 + UOUT R4 +3.3V

图 5.3 超级电容器端电压采样电路

5.3.3 驱动电路 在双向半桥直流变换器工作时,两种模式下两个功率管状态一直保持不同,一个
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第五章

超级电容器储能系统

导通另一个截止。基于双向半桥直流变换器的工作原理,实验系统中采用可输出两互 补信号的半桥驱动芯片 IR2013,驱动电路如图 5.4 所示。
VCC(12) D1 1N4005 C3 0.1uF C3 0.1uF PWM1 PWM2 VCC HIN LIN COM IR2103 Vb Ho V5 LO R51 Q4G Q4S R52 Q5G

GND

图 5.4 驱动电路

5.4 软件设计
系统控制器主控芯片采用 TMS320F2808, 该数字信号处理器是美国德州仪器 (TI) 公司设计制造的高性能 32 位数字信号处理器 TMS320C28x 系列中的一种。该芯片可 实现数字化控制,并且处理速度快,可适应各类型电机控制要求,主要特点为: 32 位定点高速数字处理器, (1) 最高工作频率 100MIPS (Instructions per second) ; 可很好地满足各种控制算法、信号处理算法等实时运算的需求; (2)片上集成 128K 字节的 FLASH、32 字节的 SRAM、8K 字节的 BOOT ROM 和片上代码保护模块,有足够的存储空间; (3)自带有增强型 PWM 产生单元、以及多种通讯模块; (4)采用高性能静态 CMOS 技术有效降低芯片功耗,提高芯片运行效率。

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开始

检测Uc、Uo N N

Uo﹥Uset1

Uo﹤Uset2

Uc﹤Uset3

N

Uc﹥Uset4

N

S2工作、电路 工作于Buck模 式 N Uset2﹤Uo﹤Uset1

S1工作、电路 工作于Boost模 式 N

Uset2﹤Uo﹤Uset1

断开S2

断开S1

断开S1、S2

返回

图 5.5 系统软件控制流程图

根据超级电容器储能系统的特点以及双向直流变换器的两种工作模式,制定系统 控制流程图如图 5.5 所示。整个系统分为三种工作状态: (1)充电模式。对比直流母线电压采样信号与设定参考值,当直流母线电压高于 参考值同时超级电容器组端电压低于额定电压的时候,超级电容储能系统进入充电模 式,开始为超级电容器组充电。 (2)放电模式。对比直流母线电压采样信号与设定参考值,当直流母线电压低于 参考值并且超级电容器组端电压高于电容器最低电压的时候,超级电容储能系统进入 放电模式。 (3)待机模式,除了前面两种特定情况之外的情况下,封锁功率管脉冲信号,系 统进入待机模式。

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第五章

超级电容器储能系统

5.5 系统仿真
在 Matlab/Simulink 中对系统设计方案进行了仿真实验, 将负载功率变化时对系统 的影响模拟为直流母线电压降低过程[43]。模拟系统中,光伏发电系统直流母线电压稳 定运行在 300V,超级电容器参数为 6.72F/300V。u20 为补偿前的直流母线电压,u2 为 补偿后的直流母线电压。 (1)当负载功率变化不大时,光伏发电系统直流母线电压下降幅度较小,此时超 级电容器向直流母线供能。 超级电容器端电压波形如图 5.6 所示, 端电压从 300V 降至 150V。直流母线上的电压降波形如图 5.7 所示,该图为超级电容器未向直流母线补偿 的电压 u20 波形。补偿后的直流母线电压 u2 波形如图 5.8 所示。
300 295

uc(v)

290 285 280 275

0

0.02

0.04

0.06

0.08 t (s)

0.1

0.12

0.14

0.16

图 5.6 超级电容器端电压 uc 波形
300 298 296

u20(v)

294 292 290 288 286 284 0 0.02 0.04 0.06 0.08 t (s) 0.1 0.12 0.14 0.16

图 5.7 超级电容器补偿前直流母线电压 u20 波形

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355 345 335 325 315 305 295 285 275 265 255

u2(v)

0

0.02

0.04

0.06

0.08 t (s)

0.1

0.12

0.14

0.16

图 5.8 超级电容器补偿后直流母线电压 u2 波形

(2)当负载功率变化较大时,光伏发电系统直流母线电压下降幅度较大,此时超 级电容器短时大功率的向直流母线供能。超级电容器端电压波形如图 5.9 所示,端电 压从 150V 降至 0V。 直流母线上的电压降波形如图 5.10 所示, 该图为超级电容器未向 直流母线补偿的电压 u20 波形。补偿后的直流母线电压 u2 波形如图 5.11 所示。
150

100
uc(v)

50

0

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25 t(s)

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

图 5.9 超级电容器端电压 uc 波形
300 295

u20(v)

290 285 280 275 270 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t(s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

图 5.10 超级电容器补偿前直流母线电压 u20 波形

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第五章

超级电容器储能系统

340 330 320
u2(v)

310 300 290 280 270 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t(s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

图 5.11 超级电容器补偿后直流母线电压 u2 波形

由直流母线电压仿真波形图可看出,在负载功率变化较小以及较大的情况下,超 级电容器储能系统都能够快速吸收母线电压降,平缓波形,使直流母线电压稳定在 300V。仿真结果证明了(1)超级电容器储能系统设计方案的正确性及有效性; ( 2) 超级电容器储能系统提高了光伏发电系统的稳定性。

5.6 本章小结
本章提出了一种超级电容器储能系统的设计方案,对系统结构以及储能电感和滤 波电容参数的计算方法进行了分析,设计了系统的辅助电路以及软件工作流程。对基 于超级电容器储能的光伏发电系统进行了负载功率突变仿真,仿真结果证明了超级电 容器储能系统能有效改善光伏发电系统电能质量。

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结论
目前的光伏发电系统主要存在两方面的问题,一方面是光伏电池能源利用率低, 另一方面是传统电化学储能设备安全性低、需要经常维护、无法适应瞬时大功率场合 应用。而超级电容器作为一种可靠地储能器件,具有循环寿命长、不需维护、可进行 大电流充放电等优点,针对光伏发电系统目前的问题,利用超级电容器大容量、可迅 速大功率充放电的特性,本文设计了基于超级电容器改进的最大功率点跟踪系统。在 此基础上设计了使用超级电容器替代传统器件储能的光伏发电系统,分析了超级电容 器在光伏发电系统中的重要作用。论文主要工作: (1)分析超级电容器的工作原理, 建立了等效电路模型, 分析和研究了超级电容 器充放电特性,最后研究和探讨了超级电容器组中串联均压问题。 (2)设计了采用超级电容器储能特性实现的光伏发电系统 MPPT 电路,该电路 由超级电容器与功率开关器件构成能量变换器,在 MATLAB 仿真平台中建立了光伏 电池的仿真模型,并对基于超级电容器储能的 MPPT 电路进行仿真研究,结果表明, 该电路比传统 MPPT 电路适用性更强,具有跟踪速度快、稳定性高的优势,能够更快、 更准确地实现光伏发电系统的最大功率点跟踪。 (3)设计了基于超级电容器储能的光伏发电系统, 分析了光伏发电系统的总体结 构以及能量流动策略。选用双向半桥变换器作为光伏发电系统主电路,分析了两种不 同模式下变换器的工作原理。 (4)构建了超级电容器储能系统, 分析了系统硬件和软件结构, 设计了系统参数 及辅助电路。对超级电容器储能系统进行负载功率突变仿真,结果表明该超级电容器 储能系统能够有效的改善光伏发电系统直流母线电能质量。 由于本人知识水平有限,本文还存在许多不足之处,还有以下工作需要进一步研 究: (1)没有深入分析超级电容器充电方式对光伏发电系统的影响。 (2)基于超级电容储能的 MPPT 控制电路可以有多种拓扑结构,控制电路可以 更加优化。 (3)本文讨论了光伏发电系统为直流负载供电的情况, 后续可对系统为交流负载 供电的情况进行研究。

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参考文献

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攻读学位期间取得的研究成果

攻读学位期间取得的研究成果
发表论文 [1] 刘金栋,高荣. 基于光电传感器的循迹车设计与实现.数字技术与应用, 2014(1)

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长安大学硕士学位论文

致谢
本文是在我的导师邱彦章教授的悉心指导下完成的。在本文完成过程中,邱老师 以他严谨的治学态度、渊博的学识和敏锐严密的思维言传身教,提出了许多宝贵的意 见和建议,在论文完成过程中,老师从选题指导、论文框架到细节修改,都给予了细 致的指导,提出了很多宝贵的意见与建议。老师以其高度的敬业精神、兢兢业业、孜 孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。 感谢实验室同学对我在学术和生活上的支持与帮助,感谢所有曾经帮助和关心过 我的人。 最后,感谢百忙之中审阅论文的老师、专家!

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超级电容器在光伏发电系统中的研究与应用
作者: 学位授予单位: 刘金栋 长安大学

引用本文格式:刘金栋 超级电容器在光伏发电系统中的研究与应用[学位论文]硕士 2014


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