独立光伏系统的超级电容和蓄电池混合储能系统研究

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（1.嘉兴电力局，浙江嘉兴314033；2.南京四方亿能电力自动化有限公司，南京211111）

独立光伏系统的超级电容和蓄电池混合储能系统研究

温镇1，张勇1，潘晓纯1，盛银波1，刘千杰2

（1.嘉兴电力局，浙江嘉兴314033；2.南京四方亿能电力自动化有限公司，南京211111）

对于独立光伏发电系统，通常需要储能系统来保证供电的稳定性和持续性。为了吸收光伏电池发出的脉动功率，从而抑制直流母线的电压波动，并满足向负载提供短时大功率的需求，提出了采用超级电容器和蓄电池混合储能方案，并进行了充放电仿真分析，验证了超级电容的蓄电池充放电特点，提出了充放电控制策略。

独立光伏系统；超级电容；蓄电池；混合储能

独立光伏系统中，由于光伏电池输出的随机波动，即光伏电池并不是时刻运行在最大输出功率状态，且输出最大功率会随着光照和环境温度的变化而变化，所以在独立光伏系统中增加储能系统是必不可少的[1-4]。

由于各种储能电池都有优缺点，如果使用单一的储能电池，则不能最大化利用光伏系统产生的富裕能量，而同时使用多种储能电池，则可充分发挥各种储能电池的优点，从而使光伏系统产生的富裕能量得到高效利用。因此，光伏系统中的混合储能已逐渐受到重视。近几年，国内外一些高校和科研院所对该技术做了初步的研究[5-8]。

以下对使用超级电容器和蓄电池相结合的混合储能系统进行研究，内容主要包括系统架构，储能模型的建立、分析及仿真。

1 混合储能基本结构

1.1 混合储能系统

独立光伏系统中混合储能基本结构如图1所示，由光伏电池经充电电路至超级电容，同时，经并联控制器向蓄电池或负载供电。

在独立光伏系统混合储能中，并联控制器在超级电容和蓄电池之间起关键协调作用，根据并联控制器的不同，控制器可分为无源式和有源式[9]。在无源式储能结构中，超级电容器通过二极管向蓄电池或负载供电，结构简单，但不具有可控性。在有源式储能结构中，超级电容器通过DC/DC（直流）变换器实现对蓄电池的能量传输。

1.2 独立光伏系统

如图2中的图（a）所示，并网光伏发电系统将发出的电能汇入大电网中。图（b）则是独立光伏发电系统的结构图，太阳能电池输出的直流电通过蓄电池供给直流负载，或者增加逆变器后向交流负载供电，但不与交流大电网连接，独立光伏发电系统的应用对于光照富裕且边远偏僻的地区有着重要的意义。

1.3 蓄电池

对蓄电池的建模分析是对整个混合储能系统分析的基础。考虑所需的蓄电池用于独立光伏储能系统，需能较好地分析储能系统在充电和放电之间切换的过渡过程，且达到一定的精度，因此，选取Shepherd等效电池模型为蓄电池的模型。

迄今为止，用于描述光伏系统或风力发电系统中蓄电池行为的模型最普遍的是1965年由C. M.谢菲尔德（Shepherd）提出的模型，等效电路模型如图3所示，其中电池组SOC（荷电状态）可由下式计算得到：

式中：Q0为电池组初始容量；Qmax为电池组最大容量；I为电池组电流，正值为放电，负值为充电。

蓄电池端电压方程为：

式中：Ae-B（1-SOC）为用于校正一开始放电时电压的快速跌落；Es为蓄电池开始放电时的电压；C（1-SOC）为考虑空载电压随放电程度变化（电解液浓度变化）所引进的修正项；Ki（SOC）I为由于电极板通道引起的压降；RiI为有功电压损失。

1.4 超级电容

超级电容器是基于双电层原理的大容量电容器，当外加电压作用于两个极板时，存储的电荷是正电极与正电荷对应、负电极与负电荷对应。而超级电容器除了此之外，若受到电场作用则会在电解液、电极之间产生相反的电荷，此时正电荷、负电荷分别处于不同的接触面，这种条件下的负荷分布则属于双电层，原理如图4所示。

使用改进RC电路模型对超级电容器的性能进行分析，电路模型如图5所示，由理想电容C、串联等效电阻Rs和并联等效电阻Rp组成。并联等效电阻表征超级电容器的漏电流效应，是影响超级电容器长期储能的参数，这个模型能够反映出超级电容器的基本物理特性。相对RC电路模型，该模型能精确描述电容器长期的工作状态。

2 混合储能系统结构

独立光伏系统中的混合储能系统主要包括蓄电池、超级电容器和DC/DC变换控制器，同时为了充分发挥超级电容器功率密度大和蓄电池能量密度大的特点，以及增加混合储能的控制灵活性，采用超级电容器和蓄电池分别接双向Buck/ Boost变换器，然后再与直流母线相连的结构，其系统结构框图如图6所示。

图6中，由于超级电容器功率密度大，循环寿命长，而蓄电池循环寿命较短，不宜经常进行充放电，所以二者不便采用并联结构，宜分别通过充放电控制器（双向Buck/Boost变换器Ⅰ和Ⅱ）与48 V直流母线相连。

由于混合储能系统需在直流母线电能过剩时存储电能，在负载所需电能不足时释放电能，因此，在通常情况下需要频繁进行充放电的切换。而蓄电池由于循环寿命小，不宜频繁进行充放电切换。由于超级电容器功率密度大，补充电能功率的缺失也较快，所以频繁切换使用超级电容器。而需混合储能系统长时间放电时，则由蓄电池进行放电。

另外，考虑光伏电源（包括光伏电池及其变换控制器）可能在突然出现遮光等情况时，导致输出的电压出现跌落或上升，此时光伏电源需脱离48 V直流母线，为了防止在其脱离直流母线时向光伏电源馈送电能，采用功率二极管与直流母线相连，这样可以在光伏电源输出电压小于48 V时不用通过开关器件的关断来实现脱离母线的功能。此时，混合储能系统可以通过检测光伏电源输出电压的跌落，由超级电容器或蓄电池向直流母线放电。而在光伏电源输出电压大于48 V时，光伏电源会对直流母线产生冲击，此时，混合储能系统也可通过检测光伏电源输出电压的上升，对超级电容器或蓄电池充电。

3 混合储能系统的充电研究与仿真分析

在对混合储能系统充电过程中，可能出现超级电容器或蓄电池单独充电，以及二者联合充电3种情况。由于二者的充放电是相互独立，所以，只研究超级电容器或蓄电池单独充电控制策略，并对充电性能进行仿真分析。

3.1 超级电容器充电控制策略与仿真分析

超级电容器模型为改进串联RC模型，在恒功率充电模式下充电效率最高，恒流充电模式效率较高，而恒压充电效率较低。因此，对超级电容器单独充电时，较宜采用恒功率充电。但是当超级电容器起始电压为零时，若采用恒功率充电，则起始电流非常大，此时若采用恒压启动，效率又较低，所以在超级电容器起始电压为零时采用恒流启动较为合适。同时，由于在电压为零对其恒流充电时，变换器并不能在电压很小时保持电流连续，在零时刻起始充电时刚开始的电流并不连续，并且此时的电流类似于脉冲电流，会对超级电容器产生一定的冲击，为限制电压电流在零时刻对超级电容器的冲击，宜串联一个较小的电阻。对于串联电阻的阻值选择，可以根据超级电容器所能承受的最大电流和系统所需的充电效率与时间要求来确定。

当采用恒功率充电方式对超级电容器充电到接近额定电压（在本系统中额定电压为24 V）时，超级电容器基本达到充满状态。倘若继续采用恒功率充电，则宜造成电压电流的波动，转换到恒压充电方式较佳。在超级电容器达到额定电压时，采用恒压充电方式可以较好地补充超级电容其等效并联电阻消耗的电能。

针对以上超级电容器充电策略进行仿真，并分析其可行性。另外，由于超级电容器在充电过程中也面临着充电策略与充电效率的匹配性，即在提高充电效率的同时，需满足超级电容器本身性能（如最大充电电流、尖峰电压等）的限制，因此在充电过程的仿真中也需对此进行对比分析。

利用构建的超级电容器充电仿真模型，Ⅰ型充电控制策略为起始串联电阻恒流启动充电，然后切除电阻继续恒流充电，再转换为恒功率充电，最后采用恒压充电的控制策略，对超级电容器的充电过程进行仿真。在仿真之前，需设定超级电容器参数。为了减小仿真的时间，取超级电容器改进RC模型中的等效电容值为1F，串联电阻Rs=25 mΩ，并联电阻Rp=20 kΩ。同时，设定启动串联电阻Rstart=1 Ω。首先5 A恒流充电，然后在超级电容器电压为5 V时切除启动电阻后继续恒流充电，当电压为10 V时转为100 W恒功率充电，最后当超级电容器电压达到24 V时转为恒压充电。根据设定的参数进行仿真，得到图7所示的仿真波形。

根据图7的仿真波形可以看出，变换器在第1 s内对加有串联电阻的超级电容器恒流充电，在第1 s时超级电容器电压达到切除串联电阻设定的5 V，因此切除串联电阻并继续进行恒流充电，此时变换器输出的电压等于超级电容器的电压。由变换器输出电流波形可以看出，在电阻切除时输出的电流出现了较大的冲击。在第2 s时检测到超级电容器的电压达到了10 V，因此该时刻切换为恒功率充电，此时变换器输出的电流并没有出现较大的冲击，过渡过程较为平稳。在恒功率控制期间，由于变换器输出的电压不断上升，输出电流出现了一定的波动。在恒功率转换为恒压控制时，变换器的输出电流也出现了一定程度的冲击。

Ⅱ型超级电容器充电策略为串电阻恒流启动充电；在电压达到一定值时，切除串联电阻转为恒功率充电；最后，在超级电容器电压接近额定值时转换为恒压充电方式。对于Ⅱ型充电策略设定在超级电容器电压为6 V时，切除串联电阻直接转换为100 W恒功率充电方式，其他充电过程阈值参数与Ⅰ型充电策略相同，从而得到如图8所示的Ⅱ型充电策略仿真波形。

根据图8的仿真波形可以看出，其充电过程的波形与Ⅰ型超级电容器充电波形相似。但由于在切除电阻后直接转换为恒功率充电，其电流冲击较大。同时，根据Ⅰ型和Ⅱ型充电时间的对比，可以Ⅰ型充电时间需要4.5 s才达到额定电压24 V，而Ⅱ型充电时间则需要4 s，因此，Ⅱ型超级电容器充电速度较快。

3.2 蓄电池充电控制策略与仿真分析

目前对于蓄电池的充电控制策略已经非常成熟，主要采用分阶段充电方式，并且在充电初期，多采用恒流方式向蓄电池充电，待蓄电池电压基本达到额定电压时，改用恒压充电方式向蓄电池充电，在充电末期，蓄电池容量达到系统额定容量后，采用微小电流对蓄电池进行涓流充电，以补充蓄电池的自放电。

蓄电池SOC和电压可分别根据式（1）和（2）计算得出，在对蓄电池充电控制策略进行仿真时，为了减小仿真时间，并能够观测到由恒流至恒压充电模式的切换，设定蓄电池的容量为0.01 Ah，额定电压为24 V，仿真时设定Shepherd等效电池模型的Es为16 V，A为0.04，B为0.03，C为0.4，Ki为0.43，Ri为0.5，起始SOC为10%，设定蓄电池在小于20 V时采用5 A恒流充电方式，当超过20 V时采用24 V恒压充电方式。经仿真得到蓄电池充电时恒流至恒压充电方式的变换曲线见图9。

如图9所示，在恒流充电阶段，蓄电池的电压基本不变，但当蓄电池的电量达到一定程度时，蓄电池的电压会类似于指数曲线增长。由图9（a）电压变换曲线可以看出蓄电池的电压在由16 V上升至20 V只用了约1 s时间，而之前蓄电池电压基本没有发生变化。图（b）的电流变换曲线可以看出在由恒流充电至恒压充电切换时，电流突然出现了跃升，但随后又呈指数曲线下降，直至电流最后接近于0。但在实际充电过程中，蓄电池有恒流至恒压变换时电流不宜出现跃升，这样容易对蓄电池造成冲击，在切换时电流应不大于恒流充电时的电流值。

4 混合储能系统的放电研究与仿真分析

在混合储能系统向直流母线补偿电能时，可能出现超级电容器或蓄电池单独放电，以及二者联合放电3种情况。同时由于二者放电是相互独立的，所以，本课题主要研究这3种情况下的放电性能，并进行仿真分析。

4.1 超级电容器放电控制与仿真分析

混合储能系统的超级电容器向48 V直流母线补偿电能时，超级电容功率密度比较大的特点将得到充分发挥，可以向直流母线释放较大的电流。但由于超级电容器能量密度比较小，所以在放电过程中超级电容器电压变化比较快，由此对放电控制器的性能要求较高。适当调整参数后对超级电容器单独放电进行仿真，并使负载由9 Ω跃变至10 Ω，得到如图10所示的负载扰动情况下的电压仿真波形。

由图10可以看出，超级电容器在单独放电、负载产生扰动的情况下，系统输出恢复得较慢，且在恒压放电响应时，出现了一定的超调量，这在一定程度上是由于其放电过程中电压变化较快造成的，因此应在混合储能系统直流母线侧增加滤波电容，使其超调量减小。

4.2 蓄电池放电控制与仿真分析

当直流母线须长时间补充电能时，混合储能系统的蓄电池应向48 V直流母线补偿电能。此时，蓄电池能量密度大的特点将得到充分发挥。由于是向48 V直流母线放电，所以变换器只需要实现48 V恒压输出即可。使负载由9 Ω跃变至10 Ω，经仿真得到如图11所示的蓄电池放电波形。

由图11可以看出，在蓄电池放电时，启动响应的过程中基本没有超调量。但与超级电容器放电曲线相比，在负载变换相同的条件下，电压跌落较大，由此也可以看出超级电容器能够较好的抑制电压跌落，具有较大的功率密度。

5 结论

对光伏系统混合储能技术进行了研究，提出了一种混合储能的方案，并对其充放电控制策略做了分析，再运用Matlab中的Simulink模块分别对超级电容先恒流、再恒压，最后恒功率充电的三段式充电，蓄电池先恒流、后恒压的二段式充电及各自单独对负载放电的过程进行了仿真，得出了相应的规律，在后续的工作中，将做出样机来验证所得仿真结果的正确性。

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（本文编辑：杨勇）

Study on Hybrid Storage System Based on Supercapacitor and Battery in Stand-alone PV System

WEN Zhen1，ZHANG Yong1，PAN Xiao chun1，SHENG Yin bo1，LIU Qian jie2
（1.Jiaxing Electric Power Bureau,Jiaxing Zhejiang 314033,China; 2.Nanjing Sifang Epower Automation Co.,Ltd.,Nanjing 211111,China)

Energy storage system is usually essential for stand-alone PV system to ensure power supply stability and sustainability.For the sake of pulse power absorption from photovoltaic cells so as to inhibit the voltage fluctuations of DC bus and to meet the needs of supplying short-term high-power to the load,the paper presents a hybrid energy storage scheme combining the supercapacitor with battery and conducts a simulated analysis on charging and discharging,which proves charging and discharging characteristic of supercapacitor and battery;it also proposes a charging and discharging control strategy.

stand-alone PV system;supercapacitor;battery;hybrid energy storage

TM531:TM912

：B

：1007-1881（2013）11-0057-06

2013-08-13

温镇（1985-），男，江苏常熟人，硕士，助理工程师，主要从事输电线路运行检修及光伏系统应用研究。