混合储能的独立光伏系统充电控制研究

摘要：超级电容的功率密度大，循环寿命长，很适合与能量密度大的蓄电池相结合，共同组成独立式光伏发电系统的储能部分。在此分析比较了两种储能器件的各项参数，针对光伏发电系统的特点，提出了一种应用于蓄电池与超级电容混合储能系统的充电控制方案。通过监视系统供电状态，减少蓄电池不必要的接入，达到延长蓄电池循环寿命的目的。实验结果表明，蓄电池与超级电容混合储能明显提高了系统的瞬时功率输出，降低了蓄电池的电流脉动，并减少其充放电循环次数，有效延长了蓄电池的使用寿命。
关键词：光伏发电；独立系统；混合储能

1 引言
    随着化石能源的不断枯竭，可再生能源逐渐得到重视，其中太阳能是研究重点之一。特别是远离城市及电网的地区，独立式光伏发电系统可得到很好的应用。鉴于太阳能发电的不稳定性，有必要设计储能装置以提高系统供电的可靠性。铅酸蓄电池是目前最常用的储能装置，具有低成本、高能量密度的特点，但也存在充放电电流有限、循环寿命短的问题。由于光伏电池的输出随环境变化较大，恶劣的充电环境使得蓄电池常处于深放电和欠充电的状态，进一步导致使用寿命缩短。超级电容的功率密度大，循环寿命长，这些特点可弥补蓄电池的不足，因此超级电容很适合与蓄电池共同组成独立式光伏发电系统的储能设备。

2 系统结构
    图1示出独立式光伏发电系统整体结构，光伏电池通过一个DC／DC变换电路，实现最大功率点跟踪(MPPT)控制。蓄电池和超级电容经双向DC／DC变换器与系统连接，既可在能量富余时储存系统多余电能，又可在光照不足时向负载供电。

    图2示出双向Buck-Boost变换器，通过在IGBT上反并联二极管，使得变换器具有双向导通功能。通常，蓄电池和超级电容的额定电压低于系统主电路上的电压，充电时需要先进行降压处理，Buck电路可较好地满足要求：储能系统对外提供电能时，需要利用Boost电路将电压升高到相应值才能接入主电路。蓄电池和超级电容的电路上各自接有一个开关，开关的通断由系统控制。这样两种储能装置可随时接入主电路或断开连接，使系统对储能装置的控制更加灵活方便。

    整个独立式光伏发电系统中，蓄电池成本所占比重较大，充电环境不佳会缩短蓄电池寿命，使蓄电池更换周期变短，进而增加系统的总成本。由于外界环境的变化直接影响电池板的输出能量大小，在保证负载正常运行的前提下，优化充电控制，充分利用有限的资源，尽量延长蓄电池的寿命是系统设计时需考虑的重要问题。
    系统控制部分在设计时的一个重要出发点是使蓄电池长期保持在较高荷电状态，减少蓄电池充放电循环次数。因此，在工作过程中，系统优先为蓄电池进行充电，并且只有在电容储存的能量不足时，蓄电池才会向负载供电。

3 充电控制方案
    如果光伏电池的输出功率大于负载吸收的功率，则在满足负载的同时，总是先利用多余的电能将蓄电池充满，之后再考虑对超级电容进行充电；如果光伏电池的输出功率小于负载吸收的功率，则优先由超级电容辅助供电，只有在超级电容的电量低于某个值后，蓄电池才接入系统开始供电。归纳起来，系统共有以下6种运行模式：
    模式1 光伏电池输出功率大于负载功率，蓄电池和超级电容的电量接近100％。此时断开蓄电池，由光伏电池直接向负载供电；超级电容接入电路，以提高系统峰值功率，减小输出电流脉动。
    模式2 光伏电池的输出功率大于负载功率，蓄电池的电量接近100％，超级电容的电量不满。此时光伏电池向负载供电的同时为超级电容充电，蓄电池保持断开。
    模式3 光伏电池的输出功率大于负载功率，蓄电池和超级电容均未充满。此时，秉着蓄电池先充后放的原则，光伏电池向负载供电的同时为蓄电池充电，断开超级电容以尽快使蓄电池达到满电状态。待蓄电池充满后系统自动进入模式2。
    模式4 光伏电池的输出功率小于负载功率，超级电容的电量高于阈值(此处设置为25％)。此时由光伏电池和超级电容共同向负载供电，蓄电池保持断开。
    模式5 光伏电池输出功率小于负载功率，超级电容的电量低于阈值，蓄电池的电量高于阈值(此处设置为30％)。此时蓄电池接入电路，由光伏电池、超级电容和蓄电池共同为负载供电。
    模式6 光伏电池输出功率小于负载功率，蓄电池的电量低于阈值。此时系统无法为负载提供足够的功率，需断开负载以保护蓄电池和负载，防止系统工作异常。
    理论上系统还存在着其他运行状态，如光伏电池输出功率小于负载功率，超级电容的电量高于25％，而蓄电池电量低于30％的情况。这些状态在系统正常运行时不会出现，在此不再单独列出。但在系统控制设计时需将所有理论上可能出现的状态加以考虑，以保证系统在进入异常状态后能自动回到6种正常的工作模式下运行。

4 充电模式
    由上述分析可知，在同一时刻，系统只会对蓄电池和超级电容中的一个进行充电。因此在充电控制时可充分考虑两种储能器件各自的性能特点，分别使用不同的充电方式且不会相互影响，从而提高系统的充电效率。
4．1 蓄电池
    蓄电池的充电方式直接影响系统效率以及蓄电池本身的使用寿命，目前常用的充电方式主要有恒流充电、恒压充电、阶段充电和脉冲式充电等。他们都有各自的特点和适用范围。此处采用的是应用较广泛的阶段式充电法。
    以12 V，1．5 Ah蓄电池充电过程为例，其充电过程如图3所示。

    充电初期，蓄电池一般处于低荷电状态，若直接使用恒压充电，充电电流高达40 A以上，容易造成蓄电池极板弯曲，以及极板上活性物质脱落，进而缩短电池的寿命。因此应首先采用恒流充电方式，以限制系统的充电电流。在蓄电池储存了一定电量，电动势有所升高后，系统将充电电压稳定在14．1 V，进入恒压充电的第2阶段。恒压充电方式的充电过程更接近蓄电池的最佳充电曲线，既拥有较高的充电速率，又不损害蓄电池的容量和寿命。与此同时，保持电压恒定还可避免蓄电池在充电末期因内阻升高产生高电压，从而减少析气的发生。在蓄电池达到指定电压后，系统会进入第3阶段，对蓄电池施加一个略高于额定值的电压，以很小的电流对蓄电池进行浮充电，用于弥补蓄电池自放电造成的电量损失。
4．2 超级电容
    超级电容的充放电速度快，循环寿命长。要充分发挥这些优势，需在系统运行时尽量提高超级电容的充电速率，使其电量能保持在一个较高的荷电水平，从而更好地发挥其自身作用。

    此处对超级电容采用恒流充电、恒功率充电和恒压充电相结合的方式。以额定电压2．7 V，容量1．5 F，最大直流内阻0．2Ω的超级电容为例，其充电过程如图4所示。充电初期，对超级电容使用0．5 A恒流充电，防止初期充电电流过大；在超级电容电压升高到1．7 V后，系统进入恒功率充电模式。此时充电功率始终维持在0．8 W。恒功率充电既可保证充电的快速性，又充分利用了光伏电池有限的资源，提高了系统充电效率；在超级电容端电压达到2．7 V的额定值后，系统进入恒压充电模式，以补偿超级电容的白放电损失。

5 实验结果分析
    选用15个2．7 V，650 F，直流内阻3 mΩ的超级电容，每5个串联一组，三组相互并联，组成13．5 V，390 F，直流内阻5 mΩ的超级电容组。再与12 V，1．5 Ah的阀控铅酸蓄电池并联，构成了混合储能系统，为脉动负载提供电流。

    由图5a所示，脉冲负载每5 s一个周期，脉冲电流为1 A，持续时间约为1 s。由图5b可见，在脉动的负载下，超级电容输出电流峰值约为0．8 A。由图5c可见，蓄电池输出的峰值电流仅为0．2 A。随着实验时间的延长，超级电容的电流会逐渐下降，蓄电池电流相应提高。这主要是因为随着超级电容的电量不断减少，其供电能力也会相应降低。因此，尽量使超级电容储存的能量保持在较高水平可使其更好地发挥作用。

6 结论
    实验证明，混合储能系统运行时，超级电容承担了大部分功率输出；蓄电池输出电流减小，脉动负载对蓄电池影响也减小。实验表明，混合储能结构可明显提高系统瞬时功率输出的能力，有效减小了系统中出现的纹波，减轻了因放电电流过大造成的蓄电池提前失效的问题。通过设定蓄电池接入系统条件，利用超级电容代替蓄电池进行小规模放电，减少了蓄电池的充放电小循环，从而延长了蓄电池的使用寿命，降低了系统成本。