独立光伏系统中超级电容器储能研究

陈宇

（香港华艺设计顾问（深圳）有限公司,深圳518031）

电力储能环节在独立光伏系统中具有很重要的地位。目前,一般以铅酸蓄电池作为独立光伏系统的储能器件,但蓄电池自身并不完善,环境污染、循环寿命短、维护量较大以及不适用于脉动负载等缺点,制约了独立光伏系统的大规模发展[1-3]。

作为新兴电力储能器件,超级电容器随着纳米碳材料和电极制作工艺的进步,其性能不断改善,尤其是能量密度有了较大提高,具有实现大容量电力储能,替代蓄电池的发展潜力[4-6]。近几年，超级电容器的基础研究己经非常成熟，包括电极活性物质的制备、电极成型、电解液的研究等。液体电解质双电层电容器的研究成为主要方向，而在电极材料方面的研究方向主要包括活性炭、活性炭纤维、碳气凝胶、碳纳米管等。

目前,国外以超级电容器单独作为电力储能装置的研究已经出现[7-10],但国内还很少有系统性的研究和运行特性试验。因此,开展以超级电容器为电力储能系统的研究和特性试验具有重要的意义。本文搭建了超级电容器作为储能装置的光伏系统，充分发挥了超级电容器的优点,通过相应的电力电子变换及控制技术对不足之处进行弥补,最后仿真验证了光伏输入不稳定条件下，系统具有较好的性能。

1 光伏矩阵数学模型

单个光伏电池的输出特性如下式所示

式中，U为电池端电压；K为玻耳兹曼常数（1.38×1023J/K）；T为光伏电池的绝对温度；q为电子电荷量（1.6×1019C）。由此可得单个光伏电池的电路模型（其等效电路由光生电流源及内部并联电阻Rsh和串联电阻Rs组成）如图1所示。

图1 单个光伏电池的电路模型

对于光伏阵列，可以看作是若干单个光伏电池的串并联，可以根据实际情况做一些假设后，光伏阵列的输出将满足如下方程组

式中,Ucell为单个光伏电池的输出电压；Icell为单个光伏电池的输出电流；Pcell为单个光伏电池的输出功率；Ns为光伏阵列中串联电池个数；Np为光伏阵列中并联电池个数；Uall为整个光伏阵列的输出电压；Iall为整个光伏阵列的输出电流；Pall为整个光伏阵列的输出功率。

则整个光伏阵列的电路模型将如图2所示（假设有2个光伏电池串联）：

图2 光伏阵列的输出电路模型

为了达到工程要求的精度,光伏阵列输出电流的计算需要增加参数A,Rs,Rsh,从而有

由此得到光伏阵列的直流电路模型如图3所示。

图3 光伏阵列的等效直流电路模型

2 建立光伏阵列仿真模型

根据光伏阵列数学模型公式，在设置好参数后，利用PSIM软件实现光伏模型[11-13]如图4所示。

图4 PSIM下实现的光伏阵列模型电路

其中，端口S、T、P和N是与外围主电路相连接的端口，分别设置光照强度、温度以及光伏阵列的输出电压端口。其中核心部分为光伏阵列中电压与电流非线性关系的描述，在此电路中对电压进行采样，经过乘K和ax的运算，形成对应的参考电流，再通过C/P控制和压控流源产生相应的电流，实现模型中的电压与电流非线性关系。另外，在该电路模型中对温度进行了相应的校正。

为了分析和分析方便，将光伏阵列电路模型作为子电路方式描述，如图5所示。其中，器件的S端子为光伏阵列的光照强度输入端子；T端子为光伏阵列温度参数输入端子；P端子为光伏阵列功率输出正极；N为光伏阵列功率输出负极。

图5 光伏阵列模型封装后为子电路后的模型

3 超级电容器的充电控制器设计

基于超级电容器储能的独立光伏系统，主要由光伏阵列、充电控制器、超级电容器组和负载等组成[14]。

光伏阵列作为系统的电源，具有较软的外特性，容易受到日照强度、环境温度、负载工况等因素的制约。因此，系统设计了充电控制器，对光伏阵列的输出电能进行控制，本系统的充电控制器采用Buck-Boost变换器，如图6所示，该电路是在Buck变-换器后串联一个Boost变换器，Buck-Boost变换器输出电压可以在很宽的范围工作，可以得到高压或低于输入电压的输出电压，即在要求输出电压一定的情况下，允许输入电压有较大的变化范围[15-16]。

图6 充电控制器Buck-Boost结构图

当开关T导通时，电流Is流入电感线圈L，电感电流iL上升并存储能量。当开关T断开时，电感电流iL有减小趋势，电感线圈产生反向电势，为上负下正。二极管D1承受正向偏压而导通，负载上有了输出电压U,电容C充电储能，以备开关管T接通时向负载放电维持U基本不变。

4 建立光伏阵列仿真模型

利用上述构建的光伏阵列模型和超级电容器充电控制器模型，搭建了以超级电容器作为储能装置的光伏发电系统系统图，如图7所示，在一定的时间段内采样脉动负载的工作电流，计算其平均值，作为充电控制器电流输出的参考值，并与实际的输出电流比较，产生误差信号，通过PI调节器，最终产生控制充电控制器中功率开关管的PWM信号。

图7 超级电容器作为储能装置的系统控制模型

图8 所示分别为稳态时，光伏阵列通过充电控制器的输出电流Ipv、超级电容器组的输入电流Ic和负载的电流Ib。可见，当光伏阵列的输出电流波动很大时，超级电容器组及时调整自身的充放电电流，使负载的电流保持在较平滑的水平。

图8 稳态时光伏阵列输入电流为I PV,超级电容器输入电流为I c和负载电流I b

由此可知，在光伏系统中，尽管由于日照强度等环境因素突变等原因，会造成光伏阵列输出电流（功率）的快速大幅度变化，但由于超级电容器良好的滤波效果，减弱了光伏阵列输出功率的变化对负载的影响。

由实验可以看出，采用超级电容器作为储能装置，应用于独立光伏系统中，提高了储能装置的功率输出能力，并使系统能够在比较稳定的条件下工作。由于超级电容器和充电控制器的寿命很长，因而，在独立光伏系统传统结构的基础上，通过增加少量投资，就可以实现系统性能的较大提高，具有较好的经济性和现实意义。

5 结语

本文以超级电容器作为储能装置,利用PSIM搭建了太阳能光伏电池和独立光伏系统模型。对系统进行了运行特性研究。通过仿真发现超级电容器对光伏阵列输入功率的大幅波动具有很强的抑制能力。通过本系统的仿真和特性测试,说明超级电容器具有功率密度大、充放电效率高及循环寿命长等优点,同时超级电容器的充电控制器设计方法灵活，可以根据系统需要进行调节。可以预见,在不远的将来,超级电容器作为电力储能装置,在可再生能源发电系统和电能质量改善系统中,必定能发挥重要的作用。

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