超級電容器在風光互補發電系統中充電控制的研究

王金華，申 亮，駱國豪

東莞東海龍可再生能源研究所，廣東 東莞 523589

0 引言

風光互補發電系統是一種清潔的供電系統，具有良好的發展前景。它主要由太陽能光伏系統、小型風力發電機組、系統控制器、蓄電池組和逆變器等幾部分組成。但是，在風光互補發電系統中，因為受外界日照、溫度及風力的影響，電能的儲存及管理成為一個極為關鍵的環節[1]。目前，鉛酸蓄電池是風光互補發電系統中常用的儲能裝置，但它存在如循環壽命短、功率密度低、維護量大等缺點[2]。更重要的風光互補發電系統受氣候等自然因素的影響，其發電輸出功率具有不穩定和不可預測性，會導致蓄電池常處于充放電電流小的狀態，加快了老化進程，縮短了循環使用壽命[3]，這就相應增大了風光互補發電系統的運行成本，因此，電能的儲存是風光互補發電系統亟待解決的問題。

超級電容器是一種新型儲能器件，充電時處于理想極化狀態的電極表面，電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構成雙電層電容。它兼有常規電容器功率密度大、充電電池能量密度高的優點，可快速充放電且壽命長，具有卓越的儲能優勢[4]。在電力系統中，超級電容器多用于短時間、大功率的負載平滑和電能用量高峰值功率場合，可在電壓跌落和瞬態干擾期間提高供電水平[5-6]，因此，在風力發電和太陽能發電系統的電能儲存方面具有很強的實用性和可行性。2005年，美國加利福尼亞州建造了1臺450kW的超級電容器儲能裝置，用以減輕950kW風力發電機組向電網輸送功率的波動。張步涵等[7]提出了一種將串、并聯型超級電容器儲能系統應用于異步發電機的風力發電系統的新思路，以同時雙向、大范圍、快速調節有功功率和無功功率，很好地改善了風電的電能質量和穩定性。

根據超級電容器的充電特性,本文提出了一種風光互補發電系統中超級電容器的充電方案。此方案包括恒流充電、恒功率充電及恒壓充電3種模式，其工作特點是隨外界環境因素的變化,超級電容器的3種充電模式也會隨之自動相互切換，以最大限度地利用風力發電機和光伏電池發出的電能。

1 超級電容器儲能的風光互補發電系統的結構

圖1為利用超級電容器儲能的風光互補發電系統的結構圖。此系統主要由電源、起到MPPT作用的直流斬波-DC/DC換流器[8-9]、超級電容器儲能系統、負載4部分構成。風力發電機和太陽能電池作為此系統的電源，對風力和光能的依賴性能很大，其輸出的電壓不穩定，因此，需要經過起到MPPT作用的Boost-Buck DC-DC 換流器的調節，使其穩定在負載工作時所需的某一電壓值。超級電容器組則并聯在DC/DC換流器與負載之間。系統工作時，風力和太陽能所發電能滿足負載所需時，超級電容器充電以儲存多余電能；反之，超級電容器則放電以作為負載的能量補充。可見，這就要求超級電容器能夠快速、穩步充電和放電。

圖1 超級電容器儲能的風光互補發電系統的結構圖

圖2 超級電容器充電控制的主電路圖

圖2為超級電容器充電控制的主電路圖。它實現了對超級電容器充電過程中三種充電模式（CCCM、CVCM、CPCM）隨外界條件的改變而自動切換的功能，這對超級電容器快速、穩步的充電起了極為重要的作用。其關鍵結構主要是由Boost - Buck 直流斬波器構成。直流斬波器在工作時，通過調節IGBT門極觸發信號的占空比D，來改變輸出的電流和電壓。超級電容器組兩端的充電電壓U2滿足以下關系式：根據不同的電壓等級，U2可以比 U1高 ,也可以比 U1低。當 0 ＜ D ＜ 0.5 時為降壓 ，當 0.5 ＜ D ＜ 1時為升壓。超級電容器輸入電流I2則滿足以下關系式

2 充電控制方案的流程圖

圖3為提出的超級電容器充電控制方案的流程圖，其中Tmax為超級電容器自保護溫度，Ufull為超級電容器充滿電時的電壓，Ir為設定電流值，Ur為設定電壓值。此流程主要包括溫度保護和充電控制模式兩大部分。

為了保證超級電容器組的正常使用及使用壽命，此方案中設置了溫度保護程序。當超級電容器的溫度小于其最大允許溫度Tmax時才運行，反之超級電容器將起動超溫保護，通過斷開充電回路以保護超級電容器。

圖3 風光互補發電系統中超級電容器充電控制方案的流程圖

圖4 只串入限流電阻的充電方法的電壓變化曲線

在充電模式控制中，當超級電容器處于初始充電狀態時，電容器兩端電壓很小，而充電電流很大，因此，此時采用恒流充電控制模式；當充電電流I2小于給定值Ir時，充電模式則自動切換到恒功率充電模式，在此模式下隨著電容器兩端電壓的增大，充電電流開始下降；而當超級電容器兩端電壓等于某一給定值Ufull時，再自動切換為恒電壓充電模式。也就是通過這3種恒流、恒功及恒壓充電模式有條件的自動切換，來實現對超級電容器快速、穩步的充電，下面將通過Matlab/ Simulink仿真來證明這種方案的可行性。

3 充電控制方案的Matlab/ Simulink 仿真

我們對普通的只串入限流電阻的超級電容器充電電路進行仿真，其實結果如圖4。從圖4中可以看出電流在充電伊始數值很大，然后就以較快的速度下降直至充電結束。而電壓則在初始充電狀態下很小，隨充電時間的增大，電壓升高直到Ufull=300V。

圖5為先恒流后恒壓的充電方案仿真。從圖5可以看出，當充電恒定電流為30A時，電壓達到Ufull=300V所需時間比只串入限流電阻的普通充電方法有所縮短。

圖5 先恒流后恒壓的充電方案仿真

圖6 提出的超級電容器充電控制方案的仿真結果

圖6為提出的超級電容器充電控制方案的仿真結果。其中Ufull =300V，充電時恒定Ir為30A，Ur=220V。從圖6中明顯可以看出，由于加入了恒功率充電模式，充電時間比先恒流后恒壓的充電方案縮短了近一半，比只串入限流電阻的充電方案縮短時間更多。由此可證明，本文所提出充電控制方案對超級電容器快速、穩步充電的可行性。

4 結論

利用超級電容器作為風光互補發系統中的儲能裝置，提出一種超級電容器應用在風光互補發電系統中的充電控制方案。其充電控制方案由恒壓充電、恒流充電和恒功充電三種控制模式構成。Matlab/ Simulink仿真證明：由于恒功率充電模式的加入，對超級電容器充電的時間大大減少，可以實現對超級電容器組快速穩步的充電，以有效儲存和利用風力和太陽能發出的電能。

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