AppliedTechnology应用技术超级电容器在风光互补发电系统中充电控制的研究王金华，申亮，骆国豪东莞东海龙可再生能源研究所，广东东莞523589摘要本文提出一种超级电容器应用在风光互补发电系统中的充电控制方案。其充电控制方案包括3种模式，即恒电压充电模式、恒电流充电模式、和恒功率充电模式，通过这3种充电模式的自动切换，以实现对风光互补发电系统中电能在超级电容器中的更有效的储存。并利用Matlab/Simulink模拟进行了仿真，证明了所提出的充电方案在利用超级电容器在风光互补发电系统中有效储能的可行性。关键词风光互补；超级电容器；充电控制；Matlab/Simulink模拟TM6文献标识码A1674-6708（2010）21-0149-020引言风光互补发电系统是一种清洁的供电系统，具有良好的发展前景。它主要由太阳能光伏系统、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成。但是，在风光互补发电系统中，因为受外界日照、温度及风力的影响，电能的储存及管理成为一个极为关键的环节[1]。目前，铅酸蓄电池是风光互补发电系统中常用的储能装置，但它存在如循环寿命短、功率密度低、维护量大等缺点[2]。更重要的风光互补发电系统受气候等自然因素的影响，其发电输出功率具有不稳定和不可预测性，会导致蓄电池常处于充放电电流小的状态，加快了老化进程，缩短了循环使用寿命[3]，这就相应增大了风光互补发电系统的运行成本，因此，电能的储存是风光互补发电系统亟待解决的问题。超级电容器是一种新型储能器件，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层电容。它兼有常规电容器功率密度大、充电电池能量密度高的优点，可快速充放电且寿命长，具有卓越的储能优势[4]。在电力系统中，超级电容器多用于短时间、大功率的负载平滑和电能用量高峰值功率场合，可在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平[5-6]，因此，在风力发电和太阳能发电系统的电能储存方面具有很强的实用性和可行性。风力和太阳能所发电能满足负载所需时，超级电容器充电以储存多余电能；反之，超级电容器则放电以作为负载的能量补充。可见，这就要求超级电容器能够快速、稳步充电和放电。图1超级电容器储能的风光互补发电系统的结构图U2U1D图2超级电容器充电控制的主电路图2005年，美国加利福尼亚州建造了1台450kW的超级电容器储能装置，用以减轻950kW风力发电机组向电网输送功率的波动。张步涵等[7]提出了一种将串、并联型超级电容器储能系统应用于异步发电机的风力发电系统的新思路，以同时双向、大范围、快速U2U1D调节有功功率和无功功率，很好地改善了风电的电能质量和稳定性。1-D1-D图2为超级电容器充电控制的主电路图。它实现了对超级电容器充电过程中三种充电模式（CCCM、CVCM、CPCM）随外界条件的改变而自动切换的功能，这对超级电容器快速、稳步的充电起了极为重要的作用。其关键结构主要是由Boost-Buck直流斩波I2I11-D器构成。直流斩波器在工作时，通过调节IGBT门极触发信号的占I2根据超级电容器的充电特性,本文提出了一种风光互补发电D空比D，来改变输出的电流和电压。超级电容器组两端的充电电压系统中超级电容器的充电方案。此方案包括恒流充电、恒功率充U2满足以下关系式：U2=U11-DD，根据不同的电压等级，U2可以电及恒压充电3种模式，其工作特点是随外界环境因素的变化,超级电容器的3种充电模式也会随之自动相互切换，以最大限度地利用风力发电机和光伏电池发出的电能。1超级电容器储能的风光互补发电系统的结构图1为利用超级电容器储能的风光互补发电系统的结构图。此系统主要由电源、起到MPPT作用的直流斩波-DC/DC换流器[8-9]、超级电容器储能系统、负载4部分构成。风力发电机和太阳能电池作为此系统的电源，对风力和光能的依赖性能很大，其输出的电压不稳定，因此，需要经过起到MPPT作用的Boost-BuckDC-DC换流器的调节，使其稳定在负载工作时所需的某一电压值。超级电容器组则并联在DC/DC换流器与负载之间。系统工作时，比U1高,也可以比U1低。当0<D<0.5时为降压，当0.5<D<1时为升压。超级电容器输入电流I2则满足以下关系...