摘要：超級電容的功率密度大，循環壽命長，很適合與能量密度大的蓄電池相結合，共同組成獨立式光伏發電系統的儲能部分。在此分析比較了兩種儲能器件的各項參數，針對光伏發電系統的特點，提出了一種應用于蓄電池與超級電容混合儲能系統的充電控制方法。通過監視系統供電狀態，減少蓄電池不必要的接入，達到延長蓄電池循環壽命的目的。實驗結果表明，蓄電池與超級電容混合儲能明顯提高了系統的瞬時功率輸出，降低了蓄電池的電流脈動，并減少其充放電循環次數，有效延長了蓄電池的使用壽命。

關鍵詞：光伏發電；獨立系統；混合儲能

1引言

隨著化石能源的不斷枯竭，可再生能源逐漸得到重視，其中太陽能是研究重點之一。特別是遠離城市及電網的地區，獨立式光伏發電系統可得到很好的應用。鑒于太陽能發電的不穩定性，有必要設計儲能裝置以提高系統供電的可靠性。鉛酸蓄電池是目前最常用的儲能裝置，具有低成本、高能量密度的特點，但也存在充放電電流有限、循環壽命短的問題。由于光伏電池的輸出隨環境變化較大，惡劣的充電環境使得蓄電池常處于深放電和欠充電的狀態，進一步導致使用壽命縮短。超級電容的功率密度大，循環壽命長，這些特點可彌補蓄電池的不足，因此超級電容很適合與蓄電池共同組成獨立式光伏發電系統的儲能設備。

2系統結構

圖1示出獨立式光伏發電系統整體結構，光伏電池通過一個DC／DC變換電路，實現最大功率點跟蹤(MppT)控制。蓄電池和超級電容經雙向DC／DC變換器與系統連接，既可在能量富余時儲存系統多余電能，又可在光照不足時向負載供電。

圖2示出雙向Buck-Boost變換器，通過在IGBT上反并聯二極管，使得變換器具有雙向導通功能。通常，蓄電池和超級電容的額定電壓低于系統主電路上的電壓，充電時要先進行降壓處理，Buck電路可較好地滿足要求：儲能系統對外供應電能時，要利用Boost電路將電壓升高到相應值才能接入主電路。蓄電池和超級電容的電路上各自接有一個開關，開關的通斷由系統控制。這樣兩種儲能裝置可隨時接入主電路或斷開連接，使系統對儲能裝置的控制更加靈活方便。

整個獨立式光伏發電系統中，蓄電池成本所占比重較大，充電環境不佳會縮短蓄電池壽命，使蓄電池更換周期變短，進而新增系統的總成本。由于外界環境的變化直接影響電池板的輸出能量大小，在保證負載正常運行的前提下，優化充電控制，充分利用有限的資源，盡量延長蓄電池的壽命是系統設計時需考慮的重要問題。

系統控制部分在設計時的一個重要出發點是使蓄電池長期保持在較高荷電狀態，減少蓄電池充放電循環次數。因此，在工作過程中，系統優先為蓄電池進行充電，并且只有在電容儲存的能量不足時，蓄電池才會向負載供電。

3充電控制方法

假如光伏電池的輸出功率大于負載吸收的功率，則在滿足負載的同時，總是先利用多余的電能將蓄電池充滿，之后再考慮對超級電容進行充電；假如光伏電池的輸出功率小于負載吸收的功率，則優先由超級電容輔助供電，只有在超級電容的電量低于某個值后，蓄電池才接入系統開始供電。歸納起來，系統共有以下6種運行模式：

模式1光伏電池輸出功率大于負載功率，蓄電池和超級電容的電量接近100％。此時斷開蓄電池，由光伏電池直接向負載供電；超級電容接入電路，以提高系統峰值功率，減小輸出電流脈動。

模式2光伏電池的輸出功率大于負載功率，蓄電池的電量接近100％，超級電容的電量不滿。此時光伏電池向負載供電的同時為超級電容充電，蓄電池保持斷開。

模式3光伏電池的輸出功率大于負載功率，蓄電池和超級電容均未充滿。此時，秉著蓄電池先充后放的原則，光伏電池向負載供電的同時為蓄電池充電，斷開超級電容以盡快使蓄電池達到滿電狀態。待蓄電池充滿后系統自動進入模式2。

模式4光伏電池的輸出功率小于負載功率，超級電容的電量高于閾值(此處設置為25％)。此時由光伏電池和超級電容共同向負載供電，蓄電池保持斷開。

模式5光伏電池輸出功率小于負載功率，超級電容的電量低于閾值，蓄電池的電量高于閾值(此處設置為30％)。此時蓄電池接入電路，由光伏電池、超級電容和蓄電池共同為負載供電。

模式6光伏電池輸出功率小于負載功率，蓄電池的電量低于閾值。此時系統無法為負載供應足夠的功率，需斷開負載以保護蓄電池和負載，防止系統工作異常。

理論上系統還存在著其他運行狀態，如光伏電池輸出功率小于負載功率，超級電容的電量高于25％，而蓄電池電量低于30％的情況。這些狀態在系統正常運行時不會出現，在此不再單獨列出。但在系統控制設計時需將所有理論上可能出現的狀態加以考慮，以保證系統在進入異常狀態后能自動回到6種正常的工作模式下運行。

4充電模式

由上述分析可知，在同一時刻，系統只會對蓄電池和超級電容中的一個進行充電。因此在充電控制時可充分考慮兩種儲能器件各自的性能特點，分別使用不同的充電方式且不會相互影響，從而提高系統的充電效率。

4．1蓄電池

蓄電池的充電方式直接影響系統效率以及蓄電池本身的使用壽命，目前常用的充電方式重要有恒流充電、恒壓充電、階段充電和脈沖式充電等。他們都有各自的特點和適用范圍。此處采用的是應用較廣泛的階段式充電法。

以12V，1．5Ah蓄電池充電過程為例，其充電過程如圖3所示。

充電初期，蓄電池一般處于低荷電狀態，若直接使用恒壓充電，充電電流高達40A以上，容易造成蓄電池極板彎曲，以及極板上活性物質脫落，進而縮短電池的壽命。因此應首先采用恒流充電方式，以限制系統的充電電流。在蓄電池儲存了一定電量，電動勢有所升高后，系統將充電電壓穩定在14．1V，進入恒壓充電的第2階段。恒壓充電方式的充電過程更接近蓄電池的最佳充電曲線，既擁有較高的充電速率，又不損害蓄電池的容量和壽命。與此同時，保持電壓恒定還可防止蓄電池在充電末期因內阻升高出現高電壓，從而減少析氣的發生。在蓄電池達到指定電壓后，系統會進入第3階段，對蓄電池施加一個略高于額定值的電壓，以很小的電流對蓄電池進行浮充電，用于彌補蓄電池自放電造成的電量損失。

4．2超級電容

超級電容的充放電速度快，循環壽命長。要充分發揮這些優勢，需在系統運行時盡量提高超級電容的充電速率，使其電量能保持在一個較高的荷電水平，從而更好地發揮其自身用途。

此處對超級電容采用恒流充電、恒功率充電和恒壓充電相結合的方式。以額定電壓2．7V，容量1．5F，最大直流內阻0．2Ω的超級電容為例，其充電過程如圖4所示。充電初期，對超級電容使用0．5A恒流充電，防止初期充電電流過大；在超級電容電壓升高到1．7V后，系統進入恒功率充電模式。此時充電功率始終維持在0．8W。恒功率充電既可保證充電的快速性，又充分利用了光伏電池有限的資源，提高了系統充電效率；在超級電容端電壓達到2．7V的額定值后，系統進入恒壓充電模式，以補償超級電容的白放電損失。

5實驗結果分析

選用15個2．7V，650F，直流內阻3mΩ的超級電容，每5個串聯一組，三組相互并聯，組成13．5V，390F，直流內阻5mΩ的超級電容組。再與12V，1．5Ah的閥控鉛酸蓄電池并聯，構成了混合儲能系統，為脈動負載供應電流。

由圖5a所示，脈沖負載每5s一個周期，脈沖電流為1A，持續時間約為1s。由圖5b可見，在脈動的負載下，超級電容輸出電流峰值約為0．8A。由圖5c可見，蓄電池輸出的峰值電流僅為0．2A。隨著實驗時間的延長，超級電容的電流會逐漸下降，蓄電池電流相應提高。這重要是因為隨著超級電容的電量不斷減少，其供電能力也會相應降低。因此，盡量使超級電容儲存的能量保持在較高水平可使其更好地發揮用途。

6結論

實驗證明，混合儲能系統運行時，超級電容承擔了大部分功率輸出；蓄電池輸出電流減小，脈動負載對蓄電池影響也減小。實驗表明，混合儲能結構可明顯提高系統瞬時功率輸出的能力，有效減小了系統中出現的紋波，減輕了因放電電流過大造成的蓄電池提前失效的問題。通過設定蓄電池接入系統條件，利用超級電容代替蓄電池進行小規模放電，減少了蓄電池的充放電小循環，從而延長了蓄電池的使用壽命，降低了系統成本。