超级电容器_蓄电池应用于独立光伏系统的储能设计.doc

本文由mar_vin贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 新能源及工艺 超级电容器 2蓄电池应用于独立光伏系统的储能设计 王 ,施正荣 斌 1 1, 2 ,朱 ,孟昭渊 拓 1 2 ( 1. 江南大学 ,江苏 无锡 214122; 2. 无锡尚德太阳能电力有限公司 ,江苏 无锡 214028 ) 摘 : 建立了混合储能系统的数学模型 ,对模型系统进行了稳定性分析 ,从应用角度出发 ,设计了一套超级电 要 容器 - 蓄电池混合储能装置应用在独立光伏系统 ,使用 PSP ICE 软件仿真分析了系统的运行特性 ,结果表明系 统在光伏输入功率大幅波动以及负载突变时具有很好的稳定性 ,可为超级电容器应用于可再生能源发电和电 能质量改善等领域提供较好的参考 。 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 : T M914. 4 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 3950 ( 2007 ) 05 - 0037 - 04 ( 1. J iangnan University, W uxi 214122, China; 2. W uxi Suntech Power Co. , L td, W uxi 214028, China) 0 引 言 电能能够以两种截然不同的方式储存 : 一种 是间接方式 ,电能作为潜在可能的化学能 ,存储在 电池里 ,这种存储方式需要感应电流氧化并使电 化学活性反应物减少 , 由此产生电荷在两个电压 不同的电极之间产生电势差 ,并做功 ; 另一种是直 接的方式 ,即以静电学形式将正负电荷置于一个 电容器的不同极板之间来存贮电能 , 这是一种没 有感应电流的电能存贮过程 。 电力储能环节在独立光伏系统中具有很重要 的地位 。太阳能光伏发电的输入能量极不稳定 , 间隙性大 ,除了昼夜有周期变化外 ,太阳能光伏发 电还受到云层的影响 , 独立光伏发电系统一般需 要配置储能装置才能工作 。传统独立光伏发电系 统的能量存储普遍采用铅酸蓄电池 、 i2 蓄电 N Cd 池 、 i2 蓄电池和锂蓄电池 , 它们可以弥补太阳 N H 收稿日期 : 2007 - 08 - 23 作者简介 : 王 ( 1975 - ) ,男 ,湖北十堰人 ,硕士 ,工程师 ,主要从事独立 、 斌 并网太阳能发电系统的应用与开发 。 pacitor2bottery hybrid energy storage unit was designed and utilized in a stand 2alone PV system. Operating characteris2 tics of the system were analyzed and sim ulated using PSP I CE softw are. The result showed that the system had better tion of ultracapacitor in the field of regeneration energy system s and quality imp rovement of electricity power . Key words: stand 2alone PV system; battery; ultracapacitor; hybrid energy storage stability when input2 power and load occured fluctuating severe. This design offered a p referably reference for app lica2 1 - 3 Abstract:M athematical model of hybrid energy storage system was set up, and its stability was analyzed. An ultraca2 D esign of con troller w ith ultracapac itor 2ba ttery hybr id energy on a stand 2 lone PV system a WAN G B in , SH I Zheng 2rong 1 1, 2 , ZHU Tuo , et al 1 能光伏发电系统输入能量的不稳定性 。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% 30% , 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 ,这是困扰独立太阳能发电系统发展的一大 难题 。 超级电容器 ( supercapacitor) 是近年来出现的 一种新型能源器件 ,与常规电容器不同 ,其容量可 达法拉级甚至数千法拉 (也有人称为超大容量电 容器 ) 。它兼有常规电容器功率密度大 、 充电电 池比能量高的优点 ,可快速充放电而且寿命长 ,正 在发展成为一种新型 、 高效 、 实用的能量储存装 置 ,因此有人认为它是介于充电电池和电容器之 间的一种新型能源器件 。美国 、 、 日本 俄罗斯等国 都先后投入大量人力 、 物力对超级电容器进行研 | 能源工程 2007 年 ,第 5 期 - 新能源及工艺 究开发 ,有些公司的产品已实现商品化 。 超级电容器作为储能器件可实现在能量密度 和功率密度上的有机结合 , 日益展现出卓越的储 能优势 。 但从现有产品看 , 超级电容器的能量密度偏 低 ,约为铅酸蓄电池的 20% , 实现大容量储能较 为困难 。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 , 将会给储能系统的性 能带来很大提高 。超级电容器与蓄电池并联使 用 ,能够增大储能系统的功率 ,降低蓄电池内部损 耗 ,延长放电时间 , 增加使用寿命 , 还可以缩小储 4 - 5 能装置的体积以改善经济性能 。目前 , 混合 储能在独立光伏系统 、 电动汽车 、 移动通信等领域 的应用或研究已经出现 。 超级电容器与蓄电池的并联方式一般有 3 种 ,分别为直接并联 、 通过电感器并联以及通过功 率变换器并联 。前两种为无源式结构 , 第三种为 有源式结构 。在有源式储能结构中 , 系统配置和 控制过程设计上有较大的灵活性 , 对储能系统的 性能提升也有效 ,但电路结构复杂 ,成本较高 , 能 耗较大 , 对 一 般 中 小 型 独 立 光 伏 系 统 不 适 用 。 超级电容器的端电压在充放电过程中会不断上 升或下降 , 因而一般不直接与光伏阵列和负载 连接 , 而需要在中间配置电感器 。本文针对脉 动负载 ,研制了超级电容器与蓄电池通过电感 器并联构成的有源式混合储能系统 , 建立了系 统的模型 , 提出了一种超级电容器 - 蓄电池混 合充放电控制策略 。 图 1 储能系统电路模型 等效阻抗 。 以电感电流 (连续工作状态 ) IL 和电容 电压 UC 为状态变量 , 负载为输出变量 。 应用状态 平均法 , 可得到状态平均方程 dUC UC R C = I L dt R + RC R + RC L dI L =dt DRb + RRC R + RC I L R UC + DU b R + RC ( 1) 而输出变量方程则可以根据上式直接导出 dU C RC R R U R = U C + RC C = UC + IL dt R + RC R + RC ( 2) 导出电路的状态方程和输出方程 x = Ax +B u y = Cx ( 3) 式中 : A = - 1 ( R + RC ) C R ( R + RC ) L - 1 电路模型分析 在有源式混合储能结构中 , 蓄电池通过功率 变换器与超级电容器及负载连接 。由于功率变换 器的变流作用以及超级电容器储能的优点 , 可以 实现提高储能系统效率和优化蓄电池工作过程的 目的 。为了简化分析过程 , 根据文献 6 , 可以将 蓄电池简化为理想电压源 , 超级电容器简化为理 想电容器与其等效内阻的串联结构 。因为主要研 究系统的动态性能 , 所以对它们的并联等效内阻 可以不予考虑 。超级电容器与蓄电池通过降压型 功率 变 换 器 ( BUCK ) 并 联 。系 统 模 型 如 图 1 所示 。 图 1中 , UC 为理想电容器的电压 , R为负载的 R ( R + RC ) C RRC + D RR b RC ( R + RC ) L ( 4) B = C = 0 D RRC R R + RC R + RC 根据线形时不变系统的稳定性分析 , 系统是 内部稳定的充分必要条件为系统矩阵 A 所有特征 1 值 i ( A ) , i = 1, 2, , n 均具有负实部 。 由矩阵运算 , 计算系统特征多项式 : ( s) = de t ( sI - A ) ( 5) 其中 , 令 - 新能源及工艺 = R + Rc = D RR b + DR b R c + RR c 则, D Rb + R ( s) = s2 + s L + C + LC LC 系统是二阶的 , 其特征值 s =( 7) ( 6) L +C 2LC L - C 2L C 2 - R 2 LC 2 ( 8) 由式 ( 8 ) 可见 , 系统的两个极点始终位于 s坐 标的左边 , 既系统矩阵 A 的两个特征值均具有负 实部 , 系统的开环传递函数是稳定的 , 系统内部 稳定 。 与超级电容器并联时 , 蓄电池支路的最大输 出电流小于脉动负载的电流幅值 , 这部分负载电 流由超级电容器支路分担 。 由于超级电容器的比 功率很高 , 输出电流能力很强 , 因此 , 电源的功率 输出能力提高了 。 将图 1 电路模型在 PSP ICE 电路仿真软件做 定量仿真分析系统在电源输出脉动电流时各支路 的电流波形 (见图 2, 参数设置为 R b = 50 m , R c = 5 m , C = 6 000 F, T = 5 s, D = 10 % , I = 20 A ) 。 能 , 当端电压上升到蓄电池电压时 , 蓄电池开始接 受充电电流 。 该结构能有效地抑制光伏输出电流 波动对蓄电池的冲击 , 并能大大降低蓄电池在脉 动负载时的输出电流峰值 , 提高储能装置的功率 输出能力 , 且简单可靠 、 造价低 。 超级电容器充放电能力强 , 充电时间短 。 系统 采用超级电容器组和蓄电池组复合交替控制 , 本 着超级电容器优先充电优先放电 , 蓄电池后充后 放的原则 。 这样的控制策略可以减少蓄电池的充 放电循环次数 , 优化蓄电池的工作环境 , 以延长蓄 电池的使用寿命 。 由文献 4 , 超级电容的选型设计公式为 Id t ( 9) C = dV - IR ES 式中 : dV 为超级电容器放电期间端电压的变化 量 , 它往往由已知的工作电压 ( VW ) 与系统允许最 小电压 ( Vm in ) 的差决定 ; I 为超级电容器放电电 流 , 上述公式都是假设恒电流放电进行计算的 , 当 电路电流不恒定时 , 应考虑以有效值计算 。 另外 , 由于超级电容器本身有一定的漏电流 , 所以 , 它的 值应该加上超级电容器的漏电流 。 为超级电容 C 器总容量 , 它可以是多个超级电容器串并联的结 果 , 其计算方法与普通电容器串并联相同 。 : 即 C = C sin npar nser ( 10 ) 式中 : npar 为超级电容器并联个数 ; nser 为超级电容 器串联个数 。 系统最大允许电压 Vm ax 决定超级电容器串 联个数 nser 。 nser = Vmax V sin ( 11 ) 图 2 系统在脉动时的响应 式中 : V sin 为单只超级电容器工作电压 。 R ES 为超级电容器总的等效串联内阻 , 它同样 可以是多个超级电容器串并联的结果 , 其计算方 法与普通电阻串并联相同 , 即 : R ES = R ESsin nser npar ( 12 ) 由图 2 可以看出 , 由于并联了超级电容器 , 当 电源输出脉动电流时 , 流入蓄电池支路的电流较 小。 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间产生滤波效 果 , 使蓄电池的充电电流变的平缓 。 2 系统电路结构设计 本设计模型为有源式混合储能结构 , 超级电 容器与蓄电池通过降压型功率变换器 (BUCK) 并 联。 超级电容器首先接受来自光伏电池输出的电 本控制器充电对象为 12 V 的阀控式铅酸蓄 电池组 (单体电池为 2 V , 40 Ah ) 。超级电容期采 用容 量 为 1 000 F, 1. 5 V /只 的 电 容 器 组 8 只 串联 。 系统通过检测电容器和蓄电池的端电压来控 制充放电过程 。由于要检测不同时刻的电压值 , 系统需要 3 路高速 A /D 转换器 。根据以上特点 , 控制芯片采用美国 M icrochip 公司的 P IC16F676 能源工程 2007 年 ,第 5 期 - 新能源及工艺 单片机 。该单片机具有 4 路 10 位的高速 A /D 转 换功能 ,能够将采样到的电池充电数据进行实时 分析处理 ,从而能准确地控制电容器和蓄电池的 充放电状态 。 图 3 为控制器的系统框图 。 P IC 单片机是储 能控制器的核心部件 , 它根据超级电容器和蓄电 池上的采样电压来控制充放电的过程 。 由于电容器组和蓄电池组在充放电时有较大 电流流过 ,而 P IC 单片机采用 + 5 V 的低压低流 工作 , P IC 工作电流为 A 级别 。所以在电压采 样电路中要用线性光耦电路隔离电池侧的大电 流 ,保证单片机正常工作 。 3 软件设计 图 4 所示为程序的主流程 。整个系统还包括 一些故障报警程序 , 这些都可以通过 P IC 单片机 的中断机制来简单地实现 。其中程序的主要部分 就 是 采 样 检 查 各 点 电 压 , A /D 变 换 通 过 P IC16F676 自带的 10 位分辨率的 8 通道的模数 转换模块 ; 采用单片机内部 4 MHz的高精度的振 荡器 ; 对电源掉电检测采用 P IC 内部的 BOD (欠 压检测 )功能 ,当系统供电电压消失时 , 可以锁定 输出 。为防止软件跑飞 , 采用 P IC 单片机内部带 有独立震荡器的看门狗定时器 (WDT) ,以保证程 序正常运行 。 图 3 控制器系统框图 图 4 系统主要程序流程图 4 实验及结果 本设计构建了超级电容器蓄电池混合储能的 独立光伏系统 。采用 1 块额定输出电压为 12 V 的多晶规太阳电池组件串联 ,功率为 175 W ; 采用 UCP14V6000 型超级电容器 , 10 只单体超级电容 - 新能源及工艺 器串联组成超级电容器组 ,等效电容 600 F, 最高 工作电压 14 V; VRLA 蓄电池的容量为 150 Ah,通 过串联组成蓄电池组 , 额定电压为 12 V。采用图 1 的结构接线 。 图 5 是采用模拟的脉动负载加载在储能系统 的输出端 ,采集相关参数 , 并通过 PSP ICE 电路仿 真软件描绘其波形 。由图 5 可见 , 在电路上施加 脉动负载 ,周期为 5 s, 占空比 50% 。超级电容器 分担了大部分的电流 ,蓄电池的输出电流较小 ,电 压跌落也较小 ,负载输出电流较平稳 。 虽然目前超级电容器的能量密度较低 , 价格 较高 ,但随着应用场合的不断扩大 ,其价格必然会 不断降低 。可以预见 ,在不远的将来 ,超级电容器 - 蓄电池互补的混合储能方式 , 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 。 参考文献 : 1 郑大钟 . 线性系统理论分析 M . 北京 : 清华大学出 图 5 脉动负载时混合储能装置的响应 5 结 论 建立了超级电容器蓄电池并联的数学模型 , 针对脉动负载 ,从理论上分析了超级电容器在提 高离网光伏系统的抗扰动负载性能的作用 。并提 出了一种比较实用的混合储能装置的充放电控制 方法 。用 P IC 单片机可以实现全数字化的电池充 电管理 。结构简单 ,成本较低 ,并且具有很高的灵 活性 ,通过改变软件内设置的蓄电池和超级电容 的工作电压参考值就可以改变系统的充放电工作 电压值 ,使得系统在不改变系统硬件设计的情况 下实现给多种不同容量的铅酸蓄电池进行充放电 操作 。超级电容器功率密度高 , 对独立光伏系统 中的铅酸蓄电池有增强和补充作用 。因此 , 超级 电容器可以在提高储能系统高功率特性的同时有 效地节省能源 。 版社 , 2002. 2 唐西胜 ,齐智平 . 超级电容器蓄电池混合电源 J . 电源技术 , 2006 ( 11 ) : 68 - 71. 3 孟昭渊 . 独立光伏发电系统储能新方法 A / /沈跃 栋 . 长三角清洁能源论坛论文专辑 C , 2005: 94 96. 4 , 钟 , 钟海云 , 等 . 超级电容器应用设计 李 莼 辉 J . 电源技术 , 2004 (6) : 60 - 63. 5 张治安 ,杨邦朝 . 电化学电容器的设计 J . 电源设 计 , 2004 (5) : 60 - 65. 6 燕庆明 . 信号与系统教程 M . 北京 : 高等教育出版 社 , 2004. 7 DO Y J, YOUNG H K Development of ultracapacitor . module for 42V automotive electrical system s J . Joumal of Powe Sources, 2003, 114: 36 - 373. 8 BARKER P P U ltracapacitors for us