混合儲能的獨立光伏系統充電控制研究

摘要：超級電容的功率密度大，循環壽命長，很適合與能量密度大的蓄電池相結合，共同組成獨立式光伏發電系統的儲能部分。在此分析比較了兩種儲能器件的各項參數，針對光伏發電系統的特點，提出了一種應用于蓄電池與超級電容混合儲能系統的充電控制方案。通過監視系統供電狀態，減少蓄電池不必要的接入，達到延長蓄電池循環壽命的目的。實驗結果表明，蓄電池與超級電容混合儲能明顯提高了系統的瞬時功率輸出，降低了蓄電池的電流脈動，并減少其充放電循環次數，有效延長了蓄電池的使用壽命。
關鍵詞：光伏發電；獨立系統；混合儲能

1 引言
隨著化石能源的不斷枯竭，可再生能源逐漸得到重視，其中太陽能是研究重點之一。特別是遠離城市及電網的地區，獨立式光伏發電系統可得到很好的應用。鑒于太陽能發電的不穩定性，有必要設計儲能裝置以提高系統供電的可靠性。鉛酸蓄電池是目前最常用的儲能裝置，具有低成本、高能量密度的特點，但也存在充放電電流有限、循環壽命短的問題。由于光伏電池的輸出隨環境變化較大，惡劣的充電環境使得蓄電池常處于深放電和欠充電的狀態，進一步導致使用壽命縮短。超級電容的功率密度大，循環壽命長，這些特點可彌補蓄電池的不足，因此超級電容很適合與蓄電池共同組成獨立式光伏發電系統的儲能設備。

2 系統結構
圖1示出獨立式光伏發電系統整體結構，光伏電池通過一個DC／DC變換電路，實現最大功率點跟蹤(MPPT)控制。蓄電池和超級電容經雙向DC／DC變換器與系統連接，既可在能量富余時儲存系統多余電能，又可在光照不足時向負載供電。

圖2示出雙向Buck-Boost變換器，通過在IGBT上反并聯二極管，使得變換器具有雙向導通功能。通常，蓄電池和超級電容的額定電壓低于系統主電路上的電壓，充電時需要先進行降壓處理，Buck電路可較好地滿足要求：儲能系統對外提供電能時，需要利用Boost電路將電壓升高到相應值才能接入主電路。蓄電池和超級電容的電路上各自接有一個開關，開關的通斷由系統控制。這樣兩種儲能裝置可隨時接入主電路或斷開連接，使系統對儲能裝置的控制更加靈活方便。

整個獨立式光伏發電系統中，蓄電池成本所占比重較大，充電環境不佳會縮短蓄電池壽命，使蓄電池更換周期變短，進而增加系統的總成本。由于外界環境的變化直接影響電池板的輸出能量大小，在保證負載正常運行的前提下，優化充電控制，充分利用有限的資源，盡量延長蓄電池的壽命是系統設計時需考慮的重要問題。
系統控制部分在設計時的一個重要出發點是使蓄電池長期保持在較高荷電狀態，減少蓄電池充放電循環次數。因此，在工作過程中，系統優先為蓄電池進行充電，并且只有在電容儲存的能量不足時，蓄電池才會向負載供電。