獨立光伏系統中超級電容器蓄電池混合儲能方案研究

楊浚 姜星安

摘 要 在光伏發電系統中合理應用儲能系統能有效解決一直存在于其中的電能質量和供電用電不平衡的問題，更好地滿足正常負荷運轉的工作需求。現階段有的一些儲能設備的采購成本較高，所以在獨立光伏系統設計中要致力于在容量上將太陽能電池方針、運行負荷以及儲能系統最為協調的組合在一起，進而在適用性經濟條件下解決光伏系統電能質量問題。

關鍵詞 光伏系統;超級電容器;蓄電池;混合式儲能

蓄電池具有循環壽命短、能量密度大和功率密度低的特點，相比之下超級電容器具有超超長的循環壽命、超大的功率密度和極高的充放電速度。所以將兩者進行聯合使用，通過優勢互必然能大大提升混合儲能系統的經濟性和各項指標。

1系統結構

客觀層面上的自然氣候和環境因素很容易影響到光伏發電，所以發電功率始終存在穩定性差的特征。以提高發電利用率為目的讓光伏時常用最大功率跟蹤（MPPT）方式，但這種方式反而讓發電功率的不穩定性缺點更加凸顯，波動現象最為明顯地表現在輸出電流方面。如果充電電流值較標準值偏高，蓄電池發生極化現象的概率就大大增加，一方面會導致很多極化活性物質丟失，另一方面還會出現持續升溫的問題。大電流放電的情況不僅會影響蓄電池的功能，還包括外形，即極板彎曲，嚴重時則會導致蓄電池直接關斷[1]。除此以外，光伏發電功率本身存在不足或者間斷性的問題，所以蓄電池也時常會處于小電流放電、充放電小循環的運作狀態中，極大地加快了老化的速度，減少了循環使用的壽命。

一般情況下，以容量性為主要優勢的超級電容器的配置位置都是固定的，在蓄電池和光伏中間，超級電容器的控制操作由并聯控制器來完成，保證電池流動方向是朝向蓄電池的。這樣一來不僅能將超級電容器的超大功率密度優勢發揮出來，彌補蓄電池充放電流的不足，還能通過超級電容器強大的儲能功能最大化的避免出現蓄電池充放電不循環的問題。

負責光伏陣列輸出能力控制的是充電控制器，圍繞系統運行的實際狀態選用適宜的方式向后級供電，比如限流、恒壓或者MPPT等。在完整系統中增設一個超大容量的電容器有以下幾個原因，一是增加了能量儲備裝置，二是完成了光伏輸出能量濾波的同時優化了蓄電池工作環境，系統中的核心就是能力儲備裝置，也是負責與負載對接的裝置部分。超級電容器向蓄電池進行能量傳遞的關鍵性控制點就在并聯控制器，實行控制管理是為了讓蓄電池始終處于良好的運行狀態，并減少充放電次數。

并聯控制器的類型有很多，每一種應用與實際系統中的運行方案設計都會有一定差異性。眾多的并聯控制器在實際應用中都被大致的分為兩種，即有源式和無源式，前者的儲能結構中，超級電容器通過合理的運用DC/DC變換器功能，來完成蓄電池和負載之間所有能量傳輸，后者的儲能結構中，電容器通過二極管保證蓄電池和負載的供電，結構相對更簡單，但缺乏可控性。本文的分析是基于有源式儲能結構展開的。

2控制環節設計

超級電容器的位置安排通常都是固定的，即充電和并聯兩個控制器之間，所以系統中控制器具有相互獨立性，可分別從兩個控制器入手對整個系統進行全盤新的控制。充電控制器的控制力在很大程度上取決于超級電容器的端電壓，某些時候也會被蓄電池組地電壓電流的限制。要達到最大化的光伏發電利用率就就要讓充電控制器以MPPT方式運作，超級電容器在初始充電階段的端電壓并不是很高，這時注意充電控制器中的輸出電流要將其控制在標準范圍內，提升電路和器件的安全性，在超級電容器充電工作電壓最高限制的時候，必須改變對充電控制器的控制模式，以恒壓輸出為主。

蓄電池很容易受到并聯控制器影響，需要綜合性的考慮系統容量配置、蓄電池型別和氣候條件等多方面因素。在控制方案的設計中，基于獨立光伏系統的特點提高對因日照亮變化而出現的光伏發電功率波動的重視，一定要將這一個影響因素考慮進去，尤其是負載功率脈動。在實時性監測蓄電池雙邊電壓的環節中，如果超出了高壓保護的系統運行標準值，并聯控制器就會自動轉換電流輸出方式，一種是涓流輸出，另一種是恒壓輸出，如果出現了低于設定額定值，同時還出現了蓄電池電壓偏低的情況時，需要立即斷開負載，減少超級電容器的充電途徑，只保留蓄電池這一個充電功能[2];倘若蓄電池的電壓超出了系統標準值，就要同時加強并聯控制器和超級電容器之中的輸出電流控制;如果蓄電池的端壓超出了設定保護紙，同時還出現了超級電容器端壓也偏高的情況，充電控制器要在退出MPPT模式后轉為限流輸出。充電控制器的工作方式較為固定，常規模式下都是MPPT，并聯控制器為恒流輸出。對負載電流值進行實時監測并相加于優化后的蓄電池充電電流，將總值用以并聯控制器的輸出電流設計中，由此得出更加標準和適宜系統運行的并聯控制器驅動信號。

這種控制策略能最大化地發揮超級電容器具有的高功率密度和強大儲能能力的優勢，充電電流的吸收往往會在光伏發電功率超出系統標準值的時候朝向超級電容器;在負載功率脈動時又能在超級電容器的作用下聯合并聯控制器，共同完成脈動電流的輸出運行。蓄電池普通情況下都不會受外界因素影響，尤其是負載公路脈動頻率和光伏發電量的量值，處于一個穩定的充電狀態中。

并聯控制器的兩端電壓設置也非常重要，具有合理性的設置能大大降低蓄電池出現充放電循環次數。將停止電壓（Ustop）的值設置為小于電壓（Ustart），這樣就能保證光伏發電在中斷后或者處于很低狀態時，超級電容器就會放電直到端壓到達Ustop為止，從側面入手讓并聯控制器的運行時長得到很大幅度的延伸，將光伏因素對蓄電池儲能效率的影響降到最低。

3結束語

總而言之，結合蓄電池和超級電容器的混合式儲能方式可以在很大程度上提升儲能系統的性能，在具有可再生性能源發電的光伏系統中具有良好的應用價值。本文圍繞獨立光伏系統，就簡要的從系統結合和控制環節探討了超級電容器蓄電池混合儲能系統的設計，并就關鍵節點提出了對應的控制策略。

參考文獻

[1] 聶齊齊，張建成，王寧.獨立光伏供電系統中多儲能單元協調控制策略的研究[J].可再生能源，2018（3）：340-345.

[2] 馮玉斌.超級電容——蓄電池混合儲能系統及其在微電網中的應用研究[D].南寧：廣西大學，2018.