王金華，申 亮，駱國(guó)豪

東莞東海龍可再生能源研究所，廣東 東莞 523589

0 引言

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一種清潔的供電系統(tǒng)，具有良好的發(fā)展前景。它主要由太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、系統(tǒng)控制器、蓄電池組和逆變器等幾部分組成。但是，在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，因?yàn)槭芡饨缛照铡囟燃帮L(fēng)力的影響，電能的儲(chǔ)存及管理成為一個(gè)極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[1]。目前，鉛酸蓄電池是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中常用的儲(chǔ)能裝置，但它存在如循環(huán)壽命短、功率密度低、維護(hù)量大等缺點(diǎn)[2]。更重要的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)受氣候等自然因素的影響，其發(fā)電輸出功率具有不穩(wěn)定和不可預(yù)測(cè)性，會(huì)導(dǎo)致蓄電池常處于充放電電流小的狀態(tài)，加快了老化進(jìn)程，縮短了循環(huán)使用壽命[3]，這就相應(yīng)增大了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行成本，因此，電能的儲(chǔ)存是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。

超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能器件，充電時(shí)處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。它兼有常規(guī)電容器功率密度大、充電電池能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，可快速充放電且壽命長(zhǎng)，具有卓越的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)[4]。在電力系統(tǒng)中，超級(jí)電容器多用于短時(shí)間、大功率的負(fù)載平滑和電能用量高峰值功率場(chǎng)合，可在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平[5-6]，因此，在風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的電能儲(chǔ)存方面具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可行性。2005年，美國(guó)加利福尼亞州建造了1臺(tái)450kW的超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置，用以減輕950kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)輸送功率的波動(dòng)。張步涵等[7]提出了一種將串、并聯(lián)型超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的新思路，以同時(shí)雙向、大范圍、快速調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率，很好地改善了風(fēng)電的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。

根據(jù)超級(jí)電容器的充電特性,本文提出了一種風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中超級(jí)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(diǎn)是隨外界環(huán)境因素的變化,超級(jí)電容器的3種充電模式也會(huì)隨之自動(dòng)相互切換，以最大限度地利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池發(fā)出的電能。

1 超級(jí)電容器儲(chǔ)能的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1為利用超級(jí)電容器儲(chǔ)能的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。此系統(tǒng)主要由電源、起到MPPT作用的直流斬波-DC/DC換流器[8-9]、超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)載4部分構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池作為此系統(tǒng)的電源，對(duì)風(fēng)力和光能的依賴性能很大，其輸出的電壓不穩(wěn)定，因此，需要經(jīng)過(guò)起到MPPT作用的Boost-Buck DC-DC 換流器的調(diào)節(jié)，使其穩(wěn)定在負(fù)載工作時(shí)所需的某一電壓值。超級(jí)電容器組則并聯(lián)在DC/DC換流器與負(fù)載之間。系統(tǒng)工作時(shí)，風(fēng)力和太陽(yáng)能所發(fā)電能滿足負(fù)載所需時(shí)，超級(jí)電容器充電以儲(chǔ)存多余電能；反之，超級(jí)電容器則放電以作為負(fù)載的能量補(bǔ)充。可見(jiàn)，這就要求超級(jí)電容器能夠快速、穩(wěn)步充電和放電。

圖1 超級(jí)電容器儲(chǔ)能的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖2 超級(jí)電容器充電控制的主電路圖

圖2為超級(jí)電容器充電控制的主電路圖。它實(shí)現(xiàn)了對(duì)超級(jí)電容器充電過(guò)程中三種充電模式（CCCM、CVCM、CPCM）隨外界條件的改變而自動(dòng)切換的功能，這對(duì)超級(jí)電容器快速、穩(wěn)步的充電起了極為重要的作用。其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主要是由Boost - Buck 直流斬波器構(gòu)成。直流斬波器在工作時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)IGBT門(mén)極觸發(fā)信號(hào)的占空比D，來(lái)改變輸出的電流和電壓。超級(jí)電容器組兩端的充電電壓U2滿足以下關(guān)系式：根據(jù)不同的電壓等級(jí)，U2可以比 U1高 ,也可以比 U1低。當(dāng) 0 ＜ D ＜ 0.5 時(shí)為降壓 ，當(dāng) 0.5 ＜ D ＜ 1時(shí)為升壓。超級(jí)電容器輸入電流I2則滿足以下關(guān)系式

2 充電控制方案的流程圖

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

為了保證超級(jí)電容器組的正常使用及使用壽命，此方案中設(shè)置了溫度保護(hù)程序。當(dāng)超級(jí)電容器的溫度小于其最大允許溫度Tmax時(shí)才運(yùn)行，反之超級(jí)電容器將起動(dòng)超溫保護(hù)，通過(guò)斷開(kāi)充電回路以保護(hù)超級(jí)電容器。

圖3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中超級(jí)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(dāng)超級(jí)電容器處于初始充電狀態(tài)時(shí)，電容器兩端電壓很小，而充電電流很大，因此，此時(shí)采用恒流充電控制模式；當(dāng)充電電流I2小于給定值Ir時(shí)，充電模式則自動(dòng)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(kāi)始下降；而當(dāng)超級(jí)電容器兩端電壓等于某一給定值Ufull時(shí)，再自動(dòng)切換為恒電壓充電模式。也就是通過(guò)這3種恒流、恒功及恒壓充電模式有條件的自動(dòng)切換，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容器快速、穩(wěn)步的充電，下面將通過(guò)Matlab/ Simulink仿真來(lái)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(duì)普通的只串入限流電阻的超級(jí)電容器充電電路進(jìn)行仿真，其實(shí)結(jié)果如圖4。從圖4中可以看出電流在充電伊始數(shù)值很大，然后就以較快的速度下降直至充電結(jié)束。而電壓則在初始充電狀態(tài)下很小，隨充電時(shí)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(dāng)充電恒定電流為30A時(shí)，電壓達(dá)到Ufull=300V所需時(shí)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(jí)電容器充電控制方案的仿真結(jié)果

圖6為提出的超級(jí)電容器充電控制方案的仿真結(jié)果。其中Ufull =300V，充電時(shí)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(shí)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(shí)間更多。由此可證明，本文所提出充電控制方案對(duì)超級(jí)電容器快速、穩(wěn)步充電的可行性。

4 結(jié)論

利用超級(jí)電容器作為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能裝置，提出一種超級(jí)電容器應(yīng)用在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)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(gòu)成。Matlab/ Simulink仿真證明：由于恒功率充電模式的加入，對(duì)超級(jí)電容器充電的時(shí)間大大減少，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容器組快速穩(wěn)步的充電，以有效儲(chǔ)存和利用風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)出的電能。

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