一種基于超級電容器儲能的光伏控制器的實現

1 引 言

能源是人類社會存在和發展的重要物質基礎，隨著社會的發展，能源日漸減少，并伴隨著環境問題日益突出，使得越來越多的國家把目光投向可再生能源。太陽能作為重要能源之一，以其永不枯竭，無污染等優點，正得到迅速的發展。但是太陽能電池在其工作過程中，由于受環境(主要包括日照強度，溫度)的影響，其輸出具有明顯的非線性特性，造成電池與負載之間的不匹配，從而不能使太陽能最大效率地轉化為電能輸出。為了實現光伏發電系統的功率輸出最大化，就需要對光伏電池的最大功率點進行跟蹤控制，即MPPT(MaximumPower Point Tracking)控制。

在光伏控制技術上，MPPT控制方法有很多種，目前市場上常用的是使用CVT(恒定電壓跟蹤)控制技術的控制器，因為CVT法較為簡單，制造相對也容易，但是此種控制技術帶來了較為嚴重的功率損失，相對于光伏電池價格的高昂以及電力電子技術的日益發展，顯得很不經濟實用。

因此各種具有MPPT功能的光伏控制器逐漸發展起來，本文所設計控制器即是一種基于“電壓擾動法”采用高性能單片機實現的小型光伏控制器，控制超級電容器充放電。

2 光伏電池的基本原理及其光伏特性

光伏電池是一種利用光生伏打效應把光能轉換為電能的器件，當太陽光照射到半導體P-N結時，會在P-N結兩邊產生光生電壓，接上負載，就會產生電流。該電流與光照強度成正比，當接受的光強一定時，就可以將光伏電池看成是恒流源。光伏電池由于受外界環境(主要包括溫度，光照強度)的影響，使它的輸出具有明顯的非線性。

由圖1(a)和圖1(b)中光伏電池在標準溫度及標準光強下的P-V特性可以看出，光伏電池的輸出特性受環境變化影響很大，其中光照強度主要影響光伏電池電流，而光伏電池電壓主要受溫度影響，因此簡單的CVT控制技術是不能滿足光伏電池最大功率輸出要求的，從而使得MPPT控制技術更加適用。

3 超級電容器儲能原理及等效電路模型

3.1 超級電容器儲能原理

超級電容器(Super-capacitor)是近年來出現的一種新型儲能器件，與常規電容器相比，其容量可達法拉級甚至數千法拉。它兼有常規電容器功率密度大，普通電池能量密度高的優點，并且具有充放電時間短，循環性能好，使用壽命長，使用溫度范圍寬，對環境無污染等特點。因此，從某種意義上講，超級電容器有著傳統電容器和電池的雙重功能，彌補了兩個傳統技術間的空白，因此具有很大的發展潛力。

超級電容器的能量儲存在雙電層和電極內部。當用直流電源為超級電容器單體充電時，電解質中的正、負離子取向聚集到固體電極表面，形成“電極／溶液”雙電層，用以貯存電荷。

超級電容器作為大功率物理二次電源，在國民經濟各領域用途十分廣泛。超級電容器與蓄電池并聯使用可以作為混合型電動車的加速或啟動電源；可以用作光電功能電子手表和計算機存儲器等小型裝置的電源；在高壓變電站及開關站中，超級電容器的使用保證了分閘能量供應的絕對可靠，同時保留了傳統電容儲能式硅整流分合閘裝置的優點；除此之外，超級電容器在光伏發電中的應用也日益廣泛。本文利用超級電容器在光伏系統中的應用，設計了一種控制超級電容器充放電的最大功率控制器。

由于超級電容器單體電壓較低，本設計選用了5個參數為2 400 F，2.7 F的超級電容器，將它們串聯起來作為儲能器件使用，電容量為480 F，工作電壓范圍為3.5～13.5 V，此時，超級電容器組件可儲能為：

最大可釋放的能量為：

由上面的計算可知，超級電容器的能量是依靠其電容值與其端電壓而得到的，與電容值成正比關系，與其端電壓的平方成正比關系。在超級電容器使用中，端電壓是隨著充放電而變化的。

3.2 超級電容器等效電路模型

等效電路模型對超級電容器儲能系統的分析和設計都很重要，工程用等效電路模型應該能夠盡可能多的反映其_內部物理結構特點，而且模型中的參數應容易測量。

最簡單的超級電容器等效模型，是只有一個阻容單元構成的RC模型，如圖2(a)所示，包括理想電容器C、等效串聯內阻Rs、等效并聯內阻Rp。等效串聯內阻Rs表示超級電容器的總串聯內阻，在充放電過程中會產生能量損耗，一般以熱的形式表現，還會因阻抗壓降而使端電壓出現波動，產生電壓紋波。等效并聯內阻Rp反映7超級電容器總的漏電情況，一般只影響長期儲能過程，也稱為漏電電阻。文獻[9]對超級電容器的自放電回路的時間常數進行了測試，長達數十小時至上百小時，遠遠高于充放電時間常數。而且，在實際應用中，超級電容器一般通過功率變換器與電源連接，并處于較快的和頻繁的充放電循環過程中，因此，Rp的影響可以忽略。因此，可以進一步將超級電容器模型簡化為理想電容器和等效串聯內阻的串聯結構，如圖2(b)所示。