超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究.doc

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第２８卷第２期
２０Ｃｒ７年２月
太阳能学报
ＡＣ】认ＥＮＥＲＧＩＡＥＳＯＩ．ＡＲＩｓＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．２８．Ｎｏ．２
Ｆｅｂ．．２００７
超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究
唐西胜１’２，武鑫１，齐智平１
（１．中国科学院电工所，北京１０００８０；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９）
摘要：建立了混合储能系统的数学模型，对系统性能的提升进行了定量分析。提出了一种无源式并联储能方案，并应用于独立光伏系统中，仿真和实验结果表明，在光伏系统的发电功率和负载功率脉动的情况下，蓄电池的充放电电流比较平滑。合理配置超级电容器组的容量，可以减少由于日照量变化所导致的蓄电池充放电小循环次数。对解决光伏等可再生能源系统中蓄电池储能的问题，具有现实意义。关键词：独立光伏系统；蓄电池；超级电容器；混合储能
中图分类号：幡１
０
文献标识码：Ａ
引
言
降低等。
在光伏等可再生能源系统中，储能装置的不但要面临负载功率脉动的问题，还会经常处于发电功率不稳定或脉动的状态。超级电容器蓄电池混合储能在该领域具有较大的应用价值和发展潜力，但目前相关的研究或应用还很少。本文建立了混合储能的数学模型，定量地分析了超级电容器对储能装置峰值功率的提升作用；提出了一种无源式并联储能方案，并应用于独立光伏系统；通过仿真和实验，分析了超级电容器提高储能装置峰值功率、优化蓄电池充放电电流、减少充放电小循环次数等方面的作用和可行性。
光伏发电受气候和环境的影响很大，输出功率具有不稳定性和不可预测性。独立光伏系统需要配置一定容量的储能装置，以确保负载用电的持续性和可靠性。目前，独立光伏系统，尤其是中小功率系统，一般以铅酸蓄电池作为储能装置。但蓄电池存在一些难以克服的缺点，如循环寿命短、严格的充放电电流限制、环境问题等，制约了独立光伏系统的大规模发展。蓄电池成本占系统造价的２０％～２５％。由于光伏系统工作环境和工作过程的特殊性，导致蓄电池过早失效或容量损失，进一步加大了光伏系统的成本。超级电容器因具有诸如功率密度高、循环寿命长、充放电效率高和无需维护等优点，正受到越来越多的关注。文献［１—７］介绍了超级电容器在电动汽车、分布式能源系统、ｕＰｓ电源、电能质量控制以及移动电子设备等领域的应用或研究。超级电容器的缺点是能量密度相对于蓄电池较低，目前还很难实现大容量的电力储能。如果将超级电容器与蓄电池混合使用，使蓄电池能量密度大和超级电容器功率密度大、循环寿命长的特点相结合，无疑会大大提升储能系统的性能。文献［８～１２］针对脉动负载，就超级电容器对混合储能系统性能的改善进行了分析和研究，包括峰值功率增强、运行时间延长、内部损耗
收稿日期：２００５一１０．２７
１模型分析
为了简化分析过程，根据文献［１３］，蓄电池模型可简化为一个理想电压源与其等效内阻的串联结构，超级电容器简化为一个理想电容器与其等效内阻的串联结构。因为主要研究系统的动态过程，对超级电容器和蓄电池的并联内阻可以不予考虑。受气候或环境等因素的影响，光伏系统的输出功率是断续的和不稳定的。为了提高光伏系统的发
电利用率，系统常常工作于最大功率跟踪（ＭＰ阿）状
态，光伏系统输出功率的这种不稳定性就更加明显，主要表现为输出电流的波动。因此，作为光伏发电的极限情况，可以将其等效为脉冲电流源。混合储能模型如图ｌ所示。
基金项目：国家高科技研究发展计划（８６３计划）（２００２』认５１６０２０）
万方数据
２期
唐西胜等：超级电容器蓄电池｝昆合储能独立光伏系统研究
１７９
蓄电池的支路电流：
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图１超级电容器蓄电池并联模型
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图中，Ｒ。和尺。分别为超级电容器和蓄电池的等效串联内阻。ｉ。为超级电容器的支路电流，ｉ。为蓄电池的支路电流。对电路模型进行拉氏变换，并用ｎｅｖｅｎｉｎ定理简化，图１中，
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（９）
超级电容器的支路电流：
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图２所示为混合储能系统在电源输出脉动电流
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设定脉动电流源ｉ（￡）周期为ｒ，占空比为Ｄ，电流幅值为，，可表示为：
邪，＝器·蔫
吣）＝訾＋熹‘蒜蔫㈩
（２）
时各支路的电流波形（参数设置：Ｒ。＝５０－ｍ，Ｒ。＝
５ｍＱ，Ｇ＝１０００Ｆ，丁＝１０ｓ，Ｄ＝１０％，，＝１０Ａ）。可以
看出，由于并联了超级电容器，当电源输出脉动电流时，流人蓄电池的支路电流较小，而且在整个脉动周期内相对比较平滑。这说明了超级电容器等效串联内阻低、功率密度高，能够在脉动电源和蓄电池之