陳宇

（香港華藝設(shè)計(jì)顧問(wèn)（深圳）有限公司,深圳518031）

電力儲(chǔ)能環(huán)節(jié)在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中具有很重要的地位。目前,一般以鉛酸蓄電池作為獨(dú)立光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能器件,但蓄電池自身并不完善,環(huán)境污染、循環(huán)壽命短、維護(hù)量較大以及不適用于脈動(dòng)負(fù)載等缺點(diǎn),制約了獨(dú)立光伏系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展[1-3]。

作為新興電力儲(chǔ)能器件,超級(jí)電容器隨著納米碳材料和電極制作工藝的進(jìn)步,其性能不斷改善,尤其是能量密度有了較大提高,具有實(shí)現(xiàn)大容量電力儲(chǔ)能,替代蓄電池的發(fā)展?jié)摿4-6]。近幾年，超級(jí)電容器的基礎(chǔ)研究己經(jīng)非常成熟，包括電極活性物質(zhì)的制備、電極成型、電解液的研究等。液體電解質(zhì)雙電層電容器的研究成為主要方向，而在電極材料方面的研究方向主要包括活性炭、活性炭纖維、碳?xì)饽z、碳納米管等。

目前,國(guó)外以超級(jí)電容器單獨(dú)作為電力儲(chǔ)能裝置的研究已經(jīng)出現(xiàn)[7-10],但國(guó)內(nèi)還很少有系統(tǒng)性的研究和運(yùn)行特性試驗(yàn)。因此,開展以超級(jí)電容器為電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究和特性試驗(yàn)具有重要的意義。本文搭建了超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能裝置的光伏系統(tǒng)，充分發(fā)揮了超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)相應(yīng)的電力電子變換及控制技術(shù)對(duì)不足之處進(jìn)行彌補(bǔ),最后仿真驗(yàn)證了光伏輸入不穩(wěn)定條件下，系統(tǒng)具有較好的性能。

1 光伏矩陣數(shù)學(xué)模型

單個(gè)光伏電池的輸出特性如下式所示

式中，U為電池端電壓；K為玻耳茲曼常數(shù)（1.38×1023J/K）；T為光伏電池的絕對(duì)溫度；q為電子電荷量（1.6×1019C）。由此可得單個(gè)光伏電池的電路模型（其等效電路由光生電流源及內(nèi)部并聯(lián)電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs組成）如圖1所示。

圖1 單個(gè)光伏電池的電路模型

對(duì)于光伏陣列，可以看作是若干單個(gè)光伏電池的串并聯(lián)，可以根據(jù)實(shí)際情況做一些假設(shè)后，光伏陣列的輸出將滿足如下方程組

式中,Ucell為單個(gè)光伏電池的輸出電壓；Icell為單個(gè)光伏電池的輸出電流；Pcell為單個(gè)光伏電池的輸出功率；Ns為光伏陣列中串聯(lián)電池個(gè)數(shù)；Np為光伏陣列中并聯(lián)電池個(gè)數(shù)；Uall為整個(gè)光伏陣列的輸出電壓；Iall為整個(gè)光伏陣列的輸出電流；Pall為整個(gè)光伏陣列的輸出功率。

則整個(gè)光伏陣列的電路模型將如圖2所示（假設(shè)有2個(gè)光伏電池串聯(lián)）：

圖2 光伏陣列的輸出電路模型

為了達(dá)到工程要求的精度,光伏陣列輸出電流的計(jì)算需要增加參數(shù)A,Rs,Rsh,從而有

由此得到光伏陣列的直流電路模型如圖3所示。

圖3 光伏陣列的等效直流電路模型

2 建立光伏陣列仿真模型

根據(jù)光伏陣列數(shù)學(xué)模型公式，在設(shè)置好參數(shù)后，利用PSIM軟件實(shí)現(xiàn)光伏模型[11-13]如圖4所示。

圖4 PSIM下實(shí)現(xiàn)的光伏陣列模型電路

其中，端口S、T、P和N是與外圍主電路相連接的端口，分別設(shè)置光照強(qiáng)度、溫度以及光伏陣列的輸出電壓端口。其中核心部分為光伏陣列中電壓與電流非線性關(guān)系的描述，在此電路中對(duì)電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)乘K和ax的運(yùn)算，形成對(duì)應(yīng)的參考電流，再通過(guò)C/P控制和壓控流源產(chǎn)生相應(yīng)的電流，實(shí)現(xiàn)模型中的電壓與電流非線性關(guān)系。另外，在該電路模型中對(duì)溫度進(jìn)行了相應(yīng)的校正。

為了分析和分析方便，將光伏陣列電路模型作為子電路方式描述，如圖5所示。其中，器件的S端子為光伏陣列的光照強(qiáng)度輸入端子；T端子為光伏陣列溫度參數(shù)輸入端子；P端子為光伏陣列功率輸出正極；N為光伏陣列功率輸出負(fù)極。

圖5 光伏陣列模型封裝后為子電路后的模型

3 超級(jí)電容器的充電控制器設(shè)計(jì)

基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，主要由光伏陣列、充電控制器、超級(jí)電容器組和負(fù)載等組成[14]。

光伏陣列作為系統(tǒng)的電源，具有較軟的外特性，容易受到日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、負(fù)載工況等因素的制約。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了充電控制器，對(duì)光伏陣列的輸出電能進(jìn)行控制，本系統(tǒng)的充電控制器采用Buck-Boost變換器，如圖6所示，該電路是在Buck變-換器后串聯(lián)一個(gè)Boost變換器，Buck-Boost變換器輸出電壓可以在很寬的范圍工作，可以得到高壓或低于輸入電壓的輸出電壓，即在要求輸出電壓一定的情況下，允許輸入電壓有較大的變化范圍[15-16]。

圖6 充電控制器Buck-Boost結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)開關(guān)T導(dǎo)通時(shí)，電流Is流入電感線圈L，電感電流iL上升并存儲(chǔ)能量。當(dāng)開關(guān)T斷開時(shí)，電感電流iL有減小趨勢(shì)，電感線圈產(chǎn)生反向電勢(shì)，為上負(fù)下正。二極管D1承受正向偏壓而導(dǎo)通，負(fù)載上有了輸出電壓U,電容C充電儲(chǔ)能，以備開關(guān)管T接通時(shí)向負(fù)載放電維持U基本不變。

4 建立光伏陣列仿真模型

利用上述構(gòu)建的光伏陣列模型和超級(jí)電容器充電控制器模型，搭建了以超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能裝置的光伏發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)圖，如圖7所示，在一定的時(shí)間段內(nèi)采樣脈動(dòng)負(fù)載的工作電流，計(jì)算其平均值，作為充電控制器電流輸出的參考值，并與實(shí)際的輸出電流比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器，最終產(chǎn)生控制充電控制器中功率開關(guān)管的PWM信號(hào)。

圖7 超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能裝置的系統(tǒng)控制模型

圖8 所示分別為穩(wěn)態(tài)時(shí)，光伏陣列通過(guò)充電控制器的輸出電流Ipv、超級(jí)電容器組的輸入電流Ic和負(fù)載的電流Ib?？梢?jiàn)，當(dāng)光伏陣列的輸出電流波動(dòng)很大時(shí)，超級(jí)電容器組及時(shí)調(diào)整自身的充放電電流，使負(fù)載的電流保持在較平滑的水平。

圖8 穩(wěn)態(tài)時(shí)光伏陣列輸入電流為I PV,超級(jí)電容器輸入電流為I c和負(fù)載電流I b

由此可知，在光伏系統(tǒng)中，盡管由于日照強(qiáng)度等環(huán)境因素突變等原因，會(huì)造成光伏陣列輸出電流（功率）的快速大幅度變化，但由于超級(jí)電容器良好的濾波效果，減弱了光伏陣列輸出功率的變化對(duì)負(fù)載的影響。

由實(shí)驗(yàn)可以看出，采用超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能裝置，應(yīng)用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，提高了儲(chǔ)能裝置的功率輸出能力，并使系統(tǒng)能夠在比較穩(wěn)定的條件下工作。由于超級(jí)電容器和充電控制器的壽命很長(zhǎng)，因而，在獨(dú)立光伏系統(tǒng)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加少量投資，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的較大提高，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能裝置,利用PSIM搭建了太陽(yáng)能光伏電池和獨(dú)立光伏系統(tǒng)模型。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行特性研究。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)超級(jí)電容器對(duì)光伏陣列輸入功率的大幅波動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力。通過(guò)本系統(tǒng)的仿真和特性測(cè)試,說(shuō)明超級(jí)電容器具有功率密度大、充放電效率高及循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)超級(jí)電容器的充電控制器設(shè)計(jì)方法靈活，可以根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)?？梢灶A(yù)見(jiàn),在不遠(yuǎn)的將來(lái),超級(jí)電容器作為電力儲(chǔ)能裝置,在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和電能質(zhì)量改善系統(tǒng)中,必定能發(fā)揮重要的作用。

[1]唐西勝，齊智平.基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏系統(tǒng)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2006，11(27):1097-1102.

[2] 石波.提高風(fēng)力和光伏發(fā)電質(zhì)量的探索[J].西北水電，2010(6)：39-39.

[3] 楊愛(ài)菊，肖松權(quán)，李紅星，等.太陽(yáng)能電源點(diǎn)的開發(fā)[J].西北水電，2009(5)：95-99.

[4] 王天.未來(lái)5年太陽(yáng)能將成我國(guó)新能源支柱[J].節(jié)能，2011(1)：20-20.

[5] 陳剛，鄭桂斌，彭紅衛(wèi).一種改進(jìn)型的太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤控制與仿真[J].節(jié)能，2009(7):27-30.

[6] 王斌，施正榮，朱拓，等.超級(jí)電容器-蓄電池應(yīng)用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)計(jì)[J].能源工程，2007（5）：37-41.

[7]PHATIPHATThounthonga.Viboon Chunkag Energymanage ment of Fuel Cell/Solar Cell/Supercapacitor Hybrid Power Source[J].Power Sources，2011,196(1):313-324.

[8] 石新春，張玉平.陳雷一種基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能的光伏控制器的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（21）：133-137.

[9] 黃小賢，王亞軍，謝晶，等.離網(wǎng)型超級(jí)電容儲(chǔ)能的太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].能源工程，2009(4)：31-36.

[10]王斌，施正榮，朱拓，等.超級(jí)電容器-蓄電池應(yīng)用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)計(jì)[J].能源工程，2007(5)：37-41.

[11]程時(shí)杰，李剛，孫海順，等.儲(chǔ)能技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域中的應(yīng)用與展望[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009，25(02):1-8.

[12]張靠社，李瓊.超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)提高風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011，27(1):72-75.

[13]王章權(quán),陳友榮.基于PSIM和Simulink的光伏發(fā)電系統(tǒng)協(xié)同仿真[J].機(jī)電工程，2009,26(10):58-61.

[14]LU Rong,ZHANG Jiancheng.Application of Supercapacitor Energy Storage System to Distributed Generation System[J].Power Science and Engineering,2006(3):63-67.

[15]王培波,張建成,鐘云.用于提高可再生能源發(fā)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的雙向DC/AC/DC變換器研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2009,36(5):22-26.

[16]K H M T A Novel Microcontroller for Grid-Connected Photovoltaic Systems Industrial Electronics[J].IEEE，2006,53(6):1889-1897.