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

    

    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：

    “肚等掣ｅ一赤＋

    Ｃ

    图１超级电容器蓄电池并联模型

    、Ｆｉｇ．１

    Ｐａ瑚Ｉｌｌｅｌ Ｉｎｏｄｅｌ ｏｆ ｕｌｔ瑚Ｉｃａｐａｃｉｔｏｒ／ｂａ＿№ｒｙ

    ｈｙ陆ｄ

    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，

    Ｉ嚣篡川丁，］

    一（·一忐ｅ一端ｍ蛳＋啪）ｊ

    （９）

    超级电容器的支路电流：

    ［ｅ一赫ｊ５（￡一七ｒ）一ｅ一端拳（ｔ一（屉＋Ｄ）ｒ）】

    图２所示为混合储能系统在电源输出脉动电流

    以儿％掣ｅ一赤＋擞鏊×

    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间 产生滤波效果，使蓄电池的充电电流变得平滑。

    １０

    ｉ（￡）＝，∑［ｊ５（ｔ一矗ｒ）一声（￡一（五十Ｄ）丁）］

    （３）

    —。ｉ０）

    ８

    一 ／ｉ。０）

    式中，声（ｆ）——标准阶跃函数，其频域表达式：

    ，（ｓ）＝，∑ｆ坐一竺１

    ＾＝ｏ

    ≤６

    （４）

    警４

    鹾２ 脚Ｏ

    一２ Ｏ １０ ２０

    乇Ｏ）

    ｂ—

    Ｌ

    ５

    Ｓ

    Ｊ

    脉动电流在ｚ（｜ｓ）上产生的脉动压降：

    吣，＝揣摹×

    『ｓ＋去

    ３０

    时间／ｓ

    脉动电流源的输出电压％（Ｊｓ）为：

    ｌｉ磊。一

    ｅ～“…咖

    ％（Ｓ）＝Ｉ，（Ｓ）＋圪（Ｓ）

    Ⅳ一Ｉ ＾＝Ｏ

    图２混合储能系统在电源脉动时的响应 （５）

    Ｆｉｇ．２

    Ｒｅｓｐｏｎｓｅ

    ｏｆ

    ｈｙ晡ｄ ｕｎｄｅｒ叫ｓｅ

    ｐｏｗｅｒ

    ｃｏ础ｔｉｏｎ

    ２系统结构设计

    （６）

    采用超级电容器蓄电池混合储能的独立光伏系 统，主要由光伏阵列、充电控制器、并联控制器、超级 电容器、蓄电池和负载等组成，如图３所示。

    其时域表达式：

    “ｔ）＝Ｋ＋≤‰（‰一吮）ｅ一町讧＋

    Ｒ。，∑

    （１＿志ｅ一转ｍ一圳 一（·一志ｅ一黜ｍ川＋啪）

    （７）

    懒Ｈ荔Ｈ蒹盯

    超级电ｆ

    容器组ｌ

    ｆ蓄电池

    组

    图３混合储能独立光伏系统结构示意图

    Ｆｉｇ．３

    Ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｓｔａｎｄ－ａｌｏｎｅ ＰＶ ｓｙ吼ｅｍ ｗ油ｈｙ陆ｄ ｓｔｏｍｇｅ

    万方数据

    太

    阳

    能

    学

    报

    ２８卷

    其中，充电控制器对光伏阵列的输出能量进行 控制，根据系统的实际状态，以一定的方式输出电能

    分容量配置、当地气候条件、蓄电池型别等。 在该系统中，超级电容器组的端电压总是低于 蓄电池组的端电压，而且其充放电电流允许范围很 宽。因此，系统的控制过程主要由蓄电池的参数决 定，包括蓄电池的端电压和充放电电流。对系统的 控制主要通过充电控制器实现，使其处于不同的工 作状态，影响光伏输出能量以及必要的系统保护功 能。 图５所示为系统的控制过程状态机。系统启动

    （包括ＭＰ盯模式、限流模式和恒压模式）。系统中

    配置一定容量的超级电容器，具有一定的能量储存 能力，可以减少蓄电池的充放电小循环次数，还可以 对光伏系统的输出电能进行滤波，优化蓄电池的充 放电电流。蓄电池作为系统的主要能量储备装置， 直接接负载，与超级电容器一起向负载提供所需的 能量和功率。并联控制器是超级电容器向蓄电池传 递能量的控制环节，对其控制的目的是尽量优化蓄 电池的工作环境，延长使用寿命。 根据并联控制器的不同，系统具有不同的实现 方案。一般来说，并联控制器可以分为无源式结构 和有源式结构。在有源式储能结构中，超级电容器 通过ＤＣ／ＤＣ变换器与蓄电池连接，通过控制Ｄｃ／ＤＣ 变换器实现超级电容器对蓄电池或负载的能量传 输。这种结构具有较大的控制灵活性，但电路结构 复杂，能耗较大。 图４所示为无源式混合储能结构，超级电容器 　 通过一个功率二极管向蓄电池或负载供电。超级电 容器首先接受来自光伏电池通过充电控制器输出的 电能，当端电压上升到蓄电池电压时（包括二极管的 导通压降），蓄电池开始接受充电电流。该结构能够 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，简单可靠、造价低。 本文主要对无源式混合储能结构进行研究。

    后首先进入ＭＰ町状态，检测蓄电池组的端电压和

    充电电流，系统工作状态的转移条件都采用滞环控

    制。当蓄电池组端电压大于设定值吧，时，充电控

    制器转到恒压充电状态；当其小于设定值‰时

    （ｙ。臣＜％。），从恒压充电状态中退出，转到ＭＰＰｒ充

    电状态或限流充电状态。当蓄电池充电电流大于设 定值，。，时，充电控制器从ＭＰＰｒ状态转到限流充电 状态，以对蓄电池进行大电流充电保护；当蓄电池充 电电流小于设定值，。以时（，翘＜，酬），充电控制器切

    换到ＭＰ盯工作状态。当蓄电池的端电压低于设定

    值‰。或充电电流大于设定值，蛐时，切断负载，避

    免蓄电池过放电和放电电流过大；当蓄电池端电压

    达到设定值ｙ。以时（‰。＜ｙＭ），重新启动负载。根

    据系统配置不同，可以修改参数的设定值，使系统大

    部分时间都处于Ｍｐ胛状态，并使蓄电池保持在合

    理的电压和充放电电流范围内。

    ⑨

    图５系统控制过程状态机

    Ｆｉｇ．５

    Ｓｔａｔｅ ｍａｃ｝ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｍｌ ｐｒｏｃｅｓｓ

    图４无源式并联储能结构 Ｆｉｇ．４鼬ｕｃｔｕｒｅ ｏｆ

    ｐａ鼹ｉｖｅ

    ｈｙｂ削

    ４仿真分析

    如前所述，光伏系统的工作输出电流具有脉动 性。蓄电池在大电流充电时会产生极化现象，其严 重阻碍了电解化学反应的进行，最终导致蓄电池的 不可逆反应；大电流充电会造成极板活性物质脱落 损坏，还会使蓄电池温升和出气加重，导致蓄电池容 量损失或过早失效。越来越多的数字设备投入运

    ３控制环节设计

    系统的控制目标就是在最大限度利用光伏发电 量和满足负载需求的前提下，使蓄电池工作在优化 的充放电状态中，并使其充放电循环次数尽可能少。 在具体方案设计时，要综合考虑多方面因素，如各部

    万方数据

    ２期

    唐西胜等：超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究

    １８１

    行，使得负载功率在一定程度上也具有脉动性。过 大的放电电流会使蓄电池极板弯曲变形，也会产生 过大的电压跌落而导致蓄电池的不正常关断。本文 针对独立光伏系统工作中的这两种情况进行仿真分

    析。

    串５并组成超级电容器组，等效电容１０００Ｆ，最高工 作电压３０Ｖ；ＶＲＩＡ蓄电池的容量为１２Ａｈ，通过串联 组成蓄电池组，额定电压为２４Ｖ。超级电容器组与 蓄电池组之间串联一个肖特基二极管ＭＢＲ２０１００ＣＴ， 接法如图４所示。采用了ＮＩ公司的数据采集系统 ＤＡＱ６０２３Ｅ和ＬＡＢｖⅢｗ软件，采集相关参数，并用 ＭＡ耵ＡＢ描绘其波形。 图８所示为系统工作过程的描述。开始时，由 于超级电容器组的端电压小于蓄电池组的端电压 （包括二极管的导通压降），光伏输出电能只给超级 电容器组充电；随着充电过程的继续，超级电容器组 的端电压不断上升，大约在４００ｓ时，二极管导通，开 始给蓄电池充电，蓄电池的充电电流平滑上升。当 光伏系统停止发电时（１４３５ｓ），由于蓄电池的等效串 联内阻大于超级电容器，其端电压跌落大于超级电 容器组，于是，超级电容器组继续给蓄电池组充电， 其充电电流平滑下降，至二极管截止。

    设定由于日照量变化，光伏系统的输出电流呈 周期性三角波变化，周期为１ｓ，电流波动幅度为２Ａ， 图６所示为系统稳态时，光伏的输出电流、蓄电池的 支路电流和超级电容器的支路电流。可见，尽管电 流源输出电流波动很大，超级电容器通过自身的充 放电，使蓄电池的充电电流保持在较平滑的水平，受 光伏系统输出功率变化的影响很小。

    ４．００ ３．００ 。２．ｏｏ １．００ Ｏ．００ ３．００ ２．００ 。１．００ Ｏ．００ —１．００ ２０００．００ ２００５．００ ２０１０．００

    ２叭５．ｏｏ

    ２０２０．００ 》■

    时间／ｓ

    图６储能系统在输入电流波动时的响应

    ｎｇ．６

    Ｈｙｂｄｄ

    ｒｅｓｐｏｎｓｅ

    ｗｉ血ｎｕｃｔ咖ｔ

    ｉｎｐｕｔ

    ｃｕｎ蜘庀

    ｏｒＩｏ回

    对混合储能系统施加脉动负载，周期为１ｓ，占空 比为２０％，脉动负载的电流幅值为４Ａ。图７所示为系 统的响应。当负载功率波动发生脉动时，超级电容器 及时调整输出电流，以适应负载功率的变化，而蓄电 池输出电流的脉动很小。随着放电过程的继续，蓄电 池的输出电流逐渐增大，但波动性仍然很小。

    ６ ４

    时

    ｖ１口净

    Ｈ．ｊ

    ∞∞加Ｏ如加ｍ如加ｍ

    时间／８

    图８混合储能系统的工作过程

    Ｆｉｇ．８

    Ｏｐｅｒ砒ｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｈｙｂＩｉｄ ｐｃｌｗｅｒ

    ｓｙｓｔ啪

    图９所示为日照量变化时，超级电容器组和蓄

    ■

    ２ Ｏ ∞∞∞∞

    ｊ｜工｝＿１

    电池组的响应。光伏系统的输出功率随着日照量的 变化发生较大幅度的波动（主要表现为输出电流的 脉动），由于超级电容器的高功率密度，对脉动电流

    ２ ≯山／１趔ｆｌ Ｏ ４

    冬ｌ ０肚一托皿：二『ｌ』ｒ｛

    Ｆｉｇ．７

    ０．００：Ｌ＿———亡ｋ—＝—￡ｆ：———￡蔓＝＝！＝＝￡∑三三三￡三＝＝＝ｊ

    图７混合储能系统在负载功率脉动时的响应

    Ｈ审ｂｒｉｄ Ｉ℃ｓｐｏｎｓｅ ｗｉｔｈ ｎｕｃｔｕａｎｔ １０ａｄ ｐｏｗｅｒ

    ２０

    ２

    ５实验及结果

    本文构建了超级电容器蓄电弛混合储能的独立

    光伏系统。采用３块单晶硅太阳电池串联，功率为 ２２５Ｗｐ；采用ＳＵ２４００Ｐ＿００２７Ｖ．１ＲＡ型超级电容器，１２

    ｏｒＩ口目／Ｉ甸ｆｌ—ｒ１蟹≯／１格；

    Ｏ

    时间／ｓ

    图９

    Ｆｉｇ．９

    日照量变化时混合储能系统的响应 Ｓ）ｒｓｔ锄ｒｅ８ｐｏｎｓｅ ｗｉｔ｝ｌ ｖａｒｙｉｌｌｇ ｉ珊ｄｉ撕ｏｎ

    万方数据

    １８２

    太

    阳

    能

    学

    报

    ２８卷

    产生了很好的滤波效果，使得蓄电池组的充电电流 比较平滑，受气候变化的影响很小。 图１０所示为混合储能系统在脉动负载时的响 应。其中，负载的脉动周期为５ｓ，占空比为２０％，电 流幅值为４Ａ。可见，在负载脉动期间，超级电容器 分担了大部分电流，蓄电池的输出电流较小，电压跌 落也较小。图１１所示为蓄电池单独储能的独立光 伏系统，在相同脉动负载时蓄电池的响应。由于要 承担全部脉动电流，蓄电池端电压跌落幅度很大。 比较可见，由于并联了超级电容器，储能系统的峰值 功率能力大大提高了。

    致的不必要的充放电小循环，延长了使用寿命。无 源式混合储能系统简单可靠、经济有效，对解决目前 光伏等可再生能源系统中的储能问题，具有现实可 行性。 ［参考文献】

    ［１］

    Ｂａｒｋｅｒ Ｐ Ｐ．Ｕｍｌｃ印ａｃｉｔｏｒｓ ｆｏｒ ｕ鸵ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｑｌｌａｌｉｔｙ锄ｄ ｄｉ８－ 伍ｂＩｌｔｅｄ ｍ∞ｕＩ℃ｅ ａｐｐｌｉｃ撕ｏｆｌｓ［Ａ］．Ｐ叫陀ｒ

    Ｅｎ百涮ｒ唱ｓｏｃｉｅｔｙ

    ＢｏｌｏｊＦｍ Ｐｏｗｅｒ

    Ｓｌ埘ｎ盯ＭｅｅｔｉＴｌｇ，２００２ ＩＥＥＥ［Ｃ］，２００２，１：３１６—３２０．

    ［２］Ｐａｙ Ｓ，Ｂａ曲砌ｌｚ Ｙ．瑚ｋｔｉｖｅｎｅ黯ｏｆ ｂａｎｅ驴ｓｕｐｅｒｃ印ａｃｉｔｏｒ

    ｃⅨｄ）ｉｎａ：Ｉｉｏｎ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ａ］．

    ＩＥＥＥ

    ‰ｈ Ｃｏ血ｇｒｅｎｃｅ［ｃ］，２００３．

    ［３］ｓｃｈｕ妞ｈ Ｒ Ｍ，Ｂａｌｄａ Ｊ ｃ，ｚｏｌｏｔ

    ｏｌｏ舒ｏｆ

    ａ

    Ｍ，ｅｔ

    ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ—

    ｅｎｅｒｇ）ｒ ｓｔｏｒａｇｅ ｕ血ｔ

    ｃ伽妇ｎｅｄ ｂａｔｔｅｒｙ－ｕｈｍｃ印ａｃｉｔｏｒ

    ｆ撕ｖｅｌｌｉｃｌｅ ｐｏｗｅｒ咖ｍａｇｅｍｅｍ［Ａ］．Ｐ嘶盯ＥｌｅｃｔｍｒＩｉｃｓ Ｓｐｅ— ｃｉａｌｉｓｔ Ｃ伽如ｒｅｎｃｅ［Ｃ］，２００３，１：８８—母３．

    ［４］

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    ｐ峥蚰ｄ ＥＤＩＪｃ［Ａ］．ＥｎｅＩｇ）ｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｍＥＥ

    时间／ｓ

    ２００４，１９（３）：５９０一５９８．

    ［５］

    Ｃ船ａｄｅｉ Ｄ，Ｇ础ｎｄｉ Ｇ，Ｒｏ鹪ｉ Ｃ．Ａ ８ｕｐｅＩ℃印ａｃｉｂＤｒ－ｂａｓｅｄ ｐｏｗ－

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    图１０负载脉动时混合储能系统的响应

    Ｆｉｇ．１０

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    ｐｏｗｅｒ

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    Ｓ朋ｉ岫［Ｃ］，２００２，４：１２４７—１２５２．

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    ｓｕｐｐｌｙ［Ａ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ铲ｏｆ ｔｈｅ ２００２

    ［６］Ａｋｉｙａ眦Ｋ，Ｎ０ｚａｌ【ｉ

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    ａｎｄ

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    ｅｎｃｅ

    ２０００（Ｃ］，２０００，３８７—３９３．

    时间／ｓ

    ［７］Ｐａｌｒｍ Ｌ，ＥｒⅡ鲥Ｐ，Ｈｏｗ冼Ｊｗ．Ａｎ印肿ｌａｃｈｔｏｉＨｌｐＤｏｖｅ ｂａｔ－ ｔｅｒｙ ｍｎ．ｔｉｍｅ ｉｎ咖ｂｉｌｅ ａｐｐｈｃ撕ｏｎｓ ｗｉｔｌＩ ｓｕｐｅｒｃ叩ｎｃｉｔｏＩＢ［Ａ］．

    ｍＥＥ ＣｏｒＩｆ２００３［ＣＪ，２００３，９１８—９２３．

    图１１脉动负载时蓄电池储能系统的响应

    ｎｇ．１１

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    ６结

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    ｃｏ缸２００２［ｃ］，

    Ｅ．Ｐｏｗｅｒ ｍｌｄ ｌｉｆｅ

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    ２００２．１２４—１２８．

    等效数学模型分析表明，超级电容器能够提升 储能系统的峰值功率，优化蓄电池的充放电电流，使 其工作在良好的环境中。本文提出了一种无源式混 合储能结构，并应用于独立光伏系统中，建立了相应 的控制系统。仿真和实验结果表明，由于超级电容 器的滤波作用，在光伏系统的输出功率和负载功率 大幅波动时，蓄电池的充放电电流能够保持在较平 滑的水平，避免了因充放电电流过大而引起的容量 损失和过早失效。此外，由于超级电容器具有一定 容量的储能能力，减少了蓄电池由于气候原因所导

    ［９］Ｄ删Ｒ

    １８０．

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    Ｃ０畔ｎｔｓ ８ｎｄＰａｃｋａｇｉｎｇ‰ｈｎｏｌ晒船，２００２，２５（１）：１７５－

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    １ｈ鹏ｏｎ Ｐ０ｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒ叽ｉｃｓ，２００５，２０（１）：２３６＿—２４３．

    ［１１］

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    Ｓ啷ｅｒ鹏，ＩＥＥＥ １ｈ璐，２００１，３７（１）：２８８—２９２． ［１２］

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    万方数据

    ２期

    唐西胜等：超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究

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    １８３

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    ［１３］

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    ｃｏｒｌ６ｅｒｅｎｃｅ［ｃ］，２００１，１５３—１５６．

    ｅｌｅｃｔｒｏｃｈ砌ｃａｌ ｅａｐａｃｉｔｏｒｓ［Ａ］．Ｂａｎｅｒ），ｃｏⅢ．ｅｒｅｒｌｃｅ Ａｐｐｈｃ面ｏＩｌｓ ａｎｄ』执蚰ｃ船［ｃ］，１９９９，１ｃｒ７—１０９．

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    万方数据

    超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究

    作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 唐西胜， 武鑫， 齐智平， Tang Xisheng， Wu Xin， Qi Zhiping 唐西胜,Tang Xisheng(中国科学院电工所,北京,100080;中国科学院研究生院,北京,100039) ， 武鑫,齐智平,Wu Xin,Qi Zhiping(中国科学院电工所,北京,100080) 太阳能学报 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA 2007，28(2) 1次

    参考文献(13条) 1.Barker P P Ultracapacitors for use in power quality and distributed resource applications 2002 2.Pay S.Baghzouz Y Effectiveness of battery-supercapacitor combination in electric vehicles 2003 3.Schupbach R M.Balda J C.Zolot M Design methodology of a combined battery-ultracapacitor energy storage unit for vehicle power management 2003 4.Monai T.Takano I.Nishikawa H A collaborative operation method between new energy-type dispersed power supply and EDLC 2004 5.Casadei D.Grandi G.Rossi C A supercapacitor-based power conditioning system for power quality improvement and uninterruptible power supply 2002 6.Akiyama K.Nozaki Y.Kudo M Ni-MH batteries and EDLCs hybrid stand-alone photovoltaic power system for digital access equipment 2000 7.Palma L.Enjeti P.Howze J W An approach to improve battery run-time in mobile applications with supercapacitors 2003 8.Smith T A.Mars J P.Tumer G A Using supercapacitors to improve battery performance 2002 9.Dougal R A.Liu Shengyi.White Ralph E Power and life extension of battery-ultracapacitor hybrids 2002(01) 10.Gao L.Dougal R A.Liu S Power enhancement of an actively controlled battery/ultracapacitor hybrid 2005(01) 11.Zheng J P.Jow T R.Ding M S Hybrid power sources for pulsed current applications 2001(01) 12.Brandhorst H W.Zheng Chen Achieving a high pulse power system through engineering the batterycapacitor combination 2001 13.Miller J R Development of equivalent circuit models for batteries and electrochemical capacitors 1999

    相似文献(10条) 1.会议论文 李杰慧.刘祖明 独立光伏系统中光伏功率与蓄电池容量的匹配设计 2003

    独立光伏系统的设计是应在保证满足负载供电要求的前提下,综合环境条件、系统各部件性能的优化结果.其中光伏子系统功率及储能子系统容量设 计是决定系统供电保障率、蓄电池寿命及造价的重要因素,应考虑光伏子系统功率与储能子系统容量的优化匹配.本文提出了光伏子系统功率范围及储能 子系统容量设计范围,给出了一种设计计算蓄电池寿命的新方法,得到了独立光伏系统优化设计结果,并以实际的太阳辐射计算了两个系统的配置及蓄电池 的寿命.

    2.学位论文 欧阳名三 独立光伏系统中蓄电池管理的研究 2004

    在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天,光伏利用成为世界各国争相发展的热点.因而光伏并网发电与独立光伏系统得到迅速地发展,特别是能为 偏远用户提供电力的独立光伏系统成为国家投资的重点.该论文以使用最为普遍及优选的阀控铅酸蓄电池(VRLA)的独立光伏系统为研究对象,为提高系统 的性价比,从蓄电池的充电、放电、容量预测及维护等方面进行深入探讨和研究.主要研究如下:1.综述国内外独立光伏系统发展现状.2.分析了蓄电池充 、放电过程中电化学反应机理,研制了一套蓄电池充、放电容量测试系统.3.对各种铅酸蓄电池充电方式进行了分析,对其在光伏系统的应用的可行性加以 阐述,同时对光伏系统中的充电控制技术(包括阵列的最大功率点跟踪技术)进行了研讨.4.详细分析了蓄电池容量影响的因素,对各种蓄电池容量预测方法 (模型)进行探讨.5.提出在独立光伏系统中采用"马斯定律"可接受充电电流和太阳能光伏阵列最大功率跟踪相结合的方法,对系统中VRLA蓄电池进行高效

    充电管理,并采用模糊递阶控制技术来实现去极化控制,实现系统能量最大利用.采用此技术有效地降低了多模糊输入变量规则过多的问题,并且控制效果 不降低.6.提出了阵列MPPT控制简单的测试方法,并对此方法进行了验证.7.提出了在独立光伏系统中采用开路电压预测和基于蓄电池"健康状态"的模糊预 测相结合的容量预测方法,使容量预测速度和精度比传统的预测方法都得到提高,为充电管理提供可靠的充电依据.8.结合独立光伏系统中蓄电池工作特点 ,提出了对蓄电池组的充、放电管理的有效方法:①采用分小组方法实现蓄电池小组进行均充、均放和快速充电;②在光伏发电充足时对落后蓄电池进行容 量恢复维护:③给出在当前环境与负载条件下,蓄电池组所能持续工作的时间;④同时适当时候采用维护充电,以延长电池寿命.9.设计出用于阵列MPPT的 DC/DC电路和具有蓄电池分组充、放电电路.10.设计出基于一片MSP430F147单片机为核心集阵列MPPT控制、蓄电池容量预测及充、放电控制器于一体的独 立光伏系统能量管理系统.11.给出了对阵列MPPT控制、蓄电池容量预测及充、放电控制等功能及控制策略的实现程序设计.最后给出了实验结果及分析 ,证明系统的控制方法与策略具有一定的先进性.

    3.期刊论文 唐西胜.齐智平.TANG Xi-sheng.QI Zhi-ping 独立光伏系统中超级电容器蓄电池有源混合储能方案的 研究 -电工电能新技术2006,25(3)

    超级电容器与蓄电池混合使用,可以充分发挥蓄电池能量密度大和超级电容器功率密度大、循环寿命长的优点,大大提升储能系统的性能.针对独立光 伏系统的特点,设计了一种有源式混合储能方案,建立了系统的模型和控制环节.实验结果表明,在光伏发电功率和负载功率脉动时,蓄电池能够工作在优化 的充放电状态,并能够有效地减少充放电小循环次数.对解决光伏等可再生能源系统中的储能问题,具有现实可行性.

    4.学位论文 唐西胜 超级电容器储能应用于分布式发电系统的能量管理及稳定性研究 2006

    双电层超级电容器兼具蓄电池能量密度大和电解电容器功率密度大的优点，循环寿命长、储能效率高、充放电速度快、高低温性能好、环境友好 ，具有卓越的储能潜力。本文以光伏系统为例，研究了超级电容器储能以及超级电容器蓄电池混合储能在分布式发电系统中的应用；并探讨了超级电容 器对分布式电力系统小信号稳定性的改善作用。 介绍了太阳能电池及光伏系统的特性，给出了一种基于dD dP 的最大功率点跟踪控制策略及其理论依据。介绍了超级电容器工程用等效电路模型 ，构建了超级电容器储能独立光伏系统，并进行控制环节和能量管理过程设计。仿真及实验表明，超级电容器的充放电效率高达92.5％，所用的MPPT 方 法具有较好的跟踪速度和精度，系统在光伏发电功率波动和负载功率脉动时，呈现出良好的稳定性。 建立了超级电容器蓄电池直接并联储能的等效模型，针对脉动负载，分析了储能系统的性能改善及其影响因素。对三种混合储能结构进行了理论分 析、仿真和实验。 在有源式混合储能结构中，采用了一种蓄电池近似恒流放电控制策略，蓄电池只以脉动负载的平均功率输出，放电过程具有明显的优化效果。 提出了将超级电容器蓄电池混合储能应用于光伏等分布式发电系统，以优化蓄电池的充放电过程。将光伏阵列及充电控制器等效为脉动电流源，分 析了混合储能的响应。提出了一种无源式混合储能方案，可以较好地优化蓄电池的充放电过程。给出了一种有源式混合储能方案，并提出了一种蓄电池 优化充电控制策略。对两种储能结构进行了仿真分析和实验验证。 分析了混合储能的技术经济性。驱动脉动负载时，蓄电池的输出电流峰值远小于负载的脉动电流峰值，可以减少蓄电池组的配置容量，降低安装成 本。利用超级电容器的储能能力和并联控制器的变流控制作用，可以减少蓄电池的充放电小循环次数，减小放电深度，延长蓄电池的使用寿命，降低运 行成本。 探讨了直流分布式电力系统的小信号稳定性问题。分析了恒功率负载的负阻性以及各种功率模块之间较强的相互作用对系统稳定性的影响。介绍了 稳定性的阻抗分析法，包括稳定禁止区域、阻抗规范，以及稳定裕度的测试等。超级电容器的等效源阻抗很小，本文提出，将超级电容器与系统中的直 流母线并联，以降低源输出阻抗，使系统环路增益的奈氏曲线远离禁止区域，从而提高稳定性能或带载能力。并以光伏系统的实例分析证实了可行性。

    5.期刊论文 王斌.施正荣.朱拓.孟昭渊 超级电容器-蓄电池应用于独立光伏系统的储能设计 -能源工程2007,""(5)

    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,设计了一套超级电容器-蓄电池混合储能装置应用在独立光伏系统 ,使用PSPICE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.

    6.期刊论文 任柱.陈渊睿.张淼.REN Zhu.CHEN Yuan-rui.ZHANG Miao 独立光伏系统中蓄电池充电控制策略 -控制 理论与应用2008,25(2)

    在光伏系统中,储能蓄电池达不到其使用寿命是制约光伏产业发展的一个重要因素.文章对目前光伏系统中蓄电池使用的特点以及影响蓄电池使用寿 命的因素进行了简要分析,对蓄电池常用允电控制方法和策略进行了讨论.提出了一种新的充电控制策略,设计出了基于AVR单片机的独立光伏系统蓄电池 充电管理系统.实验表明该控制策略能在充分利用太阳能的同时提高蓄电池的荷电状态,从而达到延长光伏系统中蓄电池使用寿命的目的.

    7.学位论文 周辉杰 小型独立光伏系统优化设计 2006

    近几年随着石油，媒等化石能源的紧缺，以及人们环保意识的增强，太阳能的利用正逐步被人们所接受和推崇。独立光伏系统和并网光伏发电系统 作为光伏发电系统的两个主要组成部分，都得到了大力的推广和应用。其中小型独立光伏系统因为其无污染，无噪声，运行维护方便，应用简单和资源 易得的优点，在实际中更是有着广泛的应用前景。 本课题对小型独立光伏系统的设计进行了较为深入的研究。并结合实际电路和实验，给出了一套小型独立光伏系统的设计方法。在论文中主要做了 如下部分的工作： (1)分析了太阳能电池以及蓄电池的结构和基本工作原理，并对蓄电池充、放电过程的运行特性、影响蓄电池使用寿命的各种因素以及如何提高蓄电 池的使用性能作了详细的研究和分析。 (2)结合气象数据，实际负载的需要以及太阳能电池的参数，并结合相关的仿真软件，对小型独立光伏系统蓄电池和太阳能电池的容量匹配给出了一 套具体的设计方法。 (3)比较分析了几种常用的MPPT算法，并结合实验电路，给出了一种实用简便的MPPT算法，并结合实验电路做了比较和测试，得到较为满意的实验结 果。 (4)分析了几种常用的充电方法，并结合光伏发电的特点，给出了一种实用简单的充电方法，通过实验电路对充电方法进行了比较和分析。 (5)结合实验电路设计了一套独立光伏在线监控系统。在设计中以LabVIEW作为监控界面，实现了对独立光伏系统的在线监控，该系统能较为准确的 反映独立光伏系统的运行状态，实现了对独立光伏系统的野外监控，为设计取得了珍贵的第一手资料。 通过理论的分析，最后设计了实验电路并进行了调试和测试，系统的运行状况良好，达到了预期的效果。本课题给出了小型独立光伏系统的设计方 法，结合了实际的特点进行了优化，对小型独立光伏系统的应用和研究具备了一定的理论意义和现实意义。

    8.学位论文 李晔 高性能独立光伏系统逆变器的研究 2007

    在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，光伏利用已经成为世界各国争相发展的热点，光伏发电作为太阳能光伏利用的发展趋势，必将得到快 速的发展。 独立光伏系统的研究将在很大程度上对能源紧缺的状况进行改善，本文以独立光伏系统为研究对象，对系统的太阳能电池板，蓄电池充放电，逆变 器的主电路拓扑，控制方法等问题做了较为详细的研究。介绍了太阳能电池板的特性，蓄电池的特性，在此基础上阐明了蓄电池的充放电的控制方法。 分析了独立光伏系统的不同主电路结构和工作特性，原理，在此基础上提出了一种新型高性能的全桥谐振式 Buck-Boost逆变器拓扑，有占用体积小 ，能量转换效率高等优点。针对主电路的特点对参数进行了选择，研究了逆变电路的滤波器的设计思想和设计方法，并建立了数学模型，计算出了主电 路的关键参数。 对逆变器控制方法进行了介绍，提出采用电压有效值和电感电流瞬时值双闭环与零电流跟踪误差相结合的控制策略，提高系统的动静态特性。根据 控制方案设计了由单片机MPS430控制的独立光伏系统逆变器的软硬件装置，完成了数字化设计，采用了模拟与数字相结合的方法，减少了部分软件系统 的执行过程，加快了系统的执行速度。文中用MATLAB 软件建立了系统的仿真模型，进行了仿真和实验研究。对系统进行了可靠性设计，提出了对系统的 保护方法并为系统设计可靠的辅助电源。

    9.期刊论文 张玉峰.朱建良.ZHANG Yu-feng.ZHU Jian-liang 独立光伏系统中蓄电池剩余容量的模糊估计 -测控技 术2009,28(8)

    利用模糊技术,以蓄电池端电压和放电电流为变量进行模糊化处理,根据专家知识和经验完成模糊规则生成并进行模糊推理,经反模糊化处理得到蓄电 池的剩余容量估计.仿真估计结果与实验结果进行比较,两者的SOC值基本一致,所设计的蓄电池SOC模糊估计法基本上可以满足蓄电池在线状态下的SOC测 量.

    10.学位论文 曹旭阳 独立光伏路灯系统MPPT控制器设计 2007

    在能源日渐枯竭与环境污染日益严重的今天，光伏利用成为世界各国竞相发展的领域。因而光伏并网发电与独立光伏系统得到迅速地发展，特别是 能为偏远用户提供电力的独立光伏系统成为国家投资的重点。 本论文以独立光伏路灯系统为研究对象，为降低系统成本，提高系统的性价比，从光伏阵列的特性和应用最为广泛的阀控铅酸蓄电池(VRLA)的物理 、化学特性，以及光伏最大跟踪原理等方面进行深入探讨和研究。主要研究如下： 1．综述了国内外独立光伏系统发展现状。 2．分析了光伏阵列工作原理，影响光伏阵列的外界因素；以及蓄电池充、放电过程中电化学反应机理，制定了合理的蓄电池充电策略。 3．设计出用于光伏阵列MPPT的DC-DC电路，对光伏系统中的充电控制技术(包括阵列的最大功率点跟踪技术)进行了研讨。 4．分析了传统的扰动观察法和增量电导法的优缺点，在此基础上提出了一种改进的变步长寻优算法，实验结果表明这种算法能够快速准确地跟踪最 大功率点。 5．设计出基于一片LPC2194为核心集光伏阵列MPPT控制、蓄电池容量预测及充、放电控制于一体的独立光伏路灯系统控制器。 6．给出了基于嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ的程序设计。 实验证明：本文提出的独立光伏路灯系统MPPT控制器的研究思路、硬件分析设计以及软件设计是切实可行的。