独立光伏系统中超级电容器蓄电池混合储能方案研究

杨浚 姜星安

摘 要 在光伏发电系统中合理应用储能系统能有效解决一直存在于其中的电能质量和供电用电不平衡的问题，更好地满足正常负荷运转的工作需求。现阶段有的一些储能设备的采购成本较高，所以在独立光伏系统设计中要致力于在容量上将太阳能电池方针、运行负荷以及储能系统最为协调的组合在一起，进而在适用性经济条件下解决光伏系统电能质量问题。

关键词 光伏系统;超级电容器;蓄电池;混合式储能

蓄电池具有循环寿命短、能量密度大和功率密度低的特点，相比之下超级电容器具有超超长的循环寿命、超大的功率密度和极高的充放电速度。所以将两者进行联合使用，通过优势互必然能大大提升混合储能系统的经济性和各项指标。

1系统结构

客观层面上的自然气候和环境因素很容易影响到光伏发电，所以发电功率始终存在稳定性差的特征。以提高发电利用率为目的让光伏时常用最大功率跟踪（MPPT）方式，但这种方式反而让发电功率的不稳定性缺点更加凸显，波动现象最为明显地表现在输出电流方面。如果充电电流值较标准值偏高，蓄电池发生极化现象的概率就大大增加，一方面会导致很多极化活性物质丢失，另一方面还会出现持续升温的问题。大电流放电的情况不仅会影响蓄电池的功能，还包括外形，即极板弯曲，严重时则会导致蓄电池直接关断[1]。除此以外，光伏发电功率本身存在不足或者间断性的问题，所以蓄电池也时常会处于小电流放电、充放电小循环的运作状态中，极大地加快了老化的速度，减少了循环使用的寿命。

一般情况下，以容量性为主要优势的超级电容器的配置位置都是固定的，在蓄电池和光伏中间，超级电容器的控制操作由并联控制器来完成，保证电池流动方向是朝向蓄电池的。这样一来不仅能将超级电容器的超大功率密度优势发挥出来，弥补蓄电池充放电流的不足，还能通过超级电容器强大的储能功能最大化的避免出现蓄电池充放电不循环的问题。

负责光伏阵列输出能力控制的是充电控制器，围绕系统运行的实际状态选用适宜的方式向后级供电，比如限流、恒压或者MPPT等。在完整系统中增设一个超大容量的电容器有以下几个原因，一是增加了能量储备装置，二是完成了光伏输出能量滤波的同时优化了蓄电池工作环境，系统中的核心就是能力储备装置，也是负责与负载对接的装置部分。超级电容器向蓄电池进行能量传递的关键性控制点就在并联控制器，实行控制管理是为了让蓄电池始终处于良好的运行状态，并减少充放电次数。

并联控制器的类型有很多，每一种应用与实际系统中的运行方案设计都会有一定差异性。众多的并联控制器在实际应用中都被大致的分为两种，即有源式和无源式，前者的储能结构中，超级电容器通过合理的运用DC/DC变换器功能，来完成蓄电池和负载之间所有能量传输，后者的储能结构中，电容器通過二极管保证蓄电池和负载的供电，结构相对更简单，但缺乏可控性。本文的分析是基于有源式储能结构展开的。

2控制环节设计

超级电容器的位置安排通常都是固定的，即充电和并联两个控制器之间，所以系统中控制器具有相互独立性，可分别从两个控制器入手对整个系统进行全盘新的控制。充电控制器的控制力在很大程度上取决于超级电容器的端电压，某些时候也会被蓄电池组地电压电流的限制。要达到最大化的光伏发电利用率就就要让充电控制器以MPPT方式运作，超级电容器在初始充电阶段的端电压并不是很高，这时注意充电控制器中的输出电流要将其控制在标准范围内，提升电路和器件的安全性，在超级电容器充电工作电压最高限制的时候，必须改变对充电控制器的控制模式，以恒压输出为主。

蓄电池很容易受到并联控制器影响，需要综合性的考虑系统容量配置、蓄电池型别和气候条件等多方面因素。在控制方案的设计中，基于独立光伏系统的特点提高对因日照亮变化而出现的光伏发电功率波动的重视，一定要将这一个影响因素考虑进去，尤其是负载功率脉动。在实时性监测蓄电池双边电压的环节中，如果超出了高压保护的系统运行标准值，并联控制器就会自动转换电流输出方式，一种是涓流输出，另一种是恒压输出，如果出现了低于设定额定值，同时还出现了蓄电池电压偏低的情况时，需要立即断开负载，减少超级电容器的充电途径，只保留蓄电池这一个充电功能[2];倘若蓄电池的电压超出了系统标准值，就要同时加强并联控制器和超级电容器之中的输出电流控制;如果蓄电池的端压超出了设定保护纸，同时还出现了超级电容器端压也偏高的情况，充电控制器要在退出MPPT模式后转为限流输出。充电控制器的工作方式较为固定，常规模式下都是MPPT，并联控制器为恒流输出。对负载电流值进行实时监测并相加于优化后的蓄电池充电电流，将总值用以并联控制器的输出电流设计中，由此得出更加标准和适宜系统运行的并联控制器驱动信号。

这种控制策略能最大化地发挥超级电容器具有的高功率密度和强大储能能力的优势，充电电流的吸收往往会在光伏发电功率超出系统标准值的时候朝向超级电容器;在负载功率脉动时又能在超级电容器的作用下联合并联控制器，共同完成脉动电流的输出运行。蓄电池普通情况下都不会受外界因素影响，尤其是负载公路脉动频率和光伏发电量的量值，处于一个稳定的充电状态中。

并联控制器的两端电压设置也非常重要，具有合理性的设置能大大降低蓄电池出现充放电循环次数。将停止电压（Ustop）的值设置为小于电压（Ustart），这样就能保证光伏发电在中断后或者处于很低状态时，超级电容器就会放电直到端压到达Ustop为止，从侧面入手让并联控制器的运行时长得到很大幅度的延伸，将光伏因素对蓄电池储能效率的影响降到最低。

3结束语

总而言之，结合蓄电池和超级电容器的混合式储能方式可以在很大程度上提升储能系统的性能，在具有可再生性能源发电的光伏系统中具有良好的应用价值。本文围绕独立光伏系统，就简要的从系统结合和控制环节探讨了超级电容器蓄电池混合储能系统的设计，并就关键节点提出了对应的控制策略。

参考文献

[1] 聂齐齐，张建成，王宁.独立光伏供电系统中多储能单元协调控制策略的研究[J].可再生能源，2018（3）：340-345.

[2] 冯玉斌.超级电容——蓄电池混合储能系统及其在微电网中的应用研究[D].南宁：广西大学，2018.