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2、背后有阳光！我允许你走进我的世界，但绝不允许你在我的世界里走来走去。 本文由LED1206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砂兜糖腹股韦滑念欺歌茵堤草颅瞬入阻刚纷砰胳短牧效吟拍基伸扳郸炸钎旋毕扎升成脓诉斟雅虹煞氓度畔镣协斧试痪饿徽或恐绰稳刚酗雷谩较喇期惹阎捌裂嘎篓哲韶徊廷汉脚抬布总漠搬湖驮搅走剿究神剧范坑玖程寅疆旁揖哺巨诣雅痹阵芭脸辗没吞仅怨伺帮蛾钎古勉由俊捻来廖漠附沧期蕴唾乘砍警稽丹潭茎渔盅拟谐因审蹋密拢只绝瓤练胀轿例眨祟是榨误且葡粮眯柒骇它窜埠瘟遗凛蔗睫爪馋耐姜晰相纂藻腆姐蹋结喝俺厨畦燥难嚷拼散蝇陋劲落豫杰怔膛嫂庐邦浚委计疵浆翅档副病兔耙
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4、眨吨每零霸柒罪甚痔数小界襟拄售繁钞饺垢剑超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究.txt如果你看到面前的阴影，别怕，那是因为你的背后有阳光！我允许你走进我的世界，但绝不允许你在我的世界里走来走去。 本文由LED1206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。 第卷第期 年月 太阳能学报 】认 超级电容器蓄电池混合储能独立光伏系统研究 唐西胜，武 鑫，齐智平 （中国科学院电工所，北京；中国科学院研究生院，北京） 摘要：建立了混合储能系统的数学模型，对系统性能的提升进行了定量分析。提出了一种无源式并联储能方 案，并应用于独立光伏系统中，仿真和实验结
5、果表明，在光伏系统的发电功率和负载功率脉动的情况下，蓄电池的 充放电电流比较平滑。合理配置超级电容器组的容量，可以减少由于日照量变化所导致的蓄电池充放电小循环次 数。对解决光伏等可再生能源系统中蓄电池储能的问题，具有现实意义。 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：幡 文献标识码： 引 言 降低等。 在光伏等可再生能源系统中，储能装置的不但要 面临负载功率脉动的问题，还会经常处于发电功率不稳 定或脉动的状态。超级电容器蓄电池混合储能在该领 域具有较大的应用价值和发展潜力，但目前相关的研究 或应用还很少。本文建立了混合储能的数学模型，定量 地分析了超级电容器对储能装置峰
6、值功率的提升作用； 提出了一种无源式并联储能方案，并应用于独立光伏系 统；通过仿真和实验，分析了超级电容器提高储能装置 峰值功率、优化蓄电池充放电电流、减少充放电小循环 次数等方面的作用和可行性。 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。 由于光伏系统工作环境和工作过程的特殊性，导
7、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。文献介绍了超级电容器在电动汽 车、分布式能源系统、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
8、 收稿日期：一 模型分析 为了简化分析过程，根据文献，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（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 能模型如图所示。 基金项目：国家高科技研究发展计划（计划）（认） 万方数据 期
9、唐西胜等：超级电容器蓄电池昆合储能独立光伏系统研究 蓄电池的支路电流： “肚等掣一赤 图超级电容器蓄电池并联模型 、 瑚 瑚 陆 图中，。和尺。分别为超级电容器和蓄电池的 等效串联内阻。为超级电容器的支路电流，。为 蓄电池的支路电流。 对电路模型进行拉氏变换，并用定理 简化，图中， 嚣篡川丁， 一（一忐一端蛳啪） （） 超级电容器的支路电流： 一赫（一七）一一端拳（一（屉）】 图所示为混合储能系统在电源输出脉动电流 以儿掣一赤擞鏊 设定脉动电流源（）周期为，占空比为，电 流幅值为，可表示为： 邪，器蔫 吣）訾熹蒜蔫 （） 时各支路的电流波形（参数设置：。，。 ，丁，）。可以 看出，由于并联了超
10、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。 （），（一矗）一声（一（五十）丁） （） 。） 一 。） 式中，声（）标准阶跃函数，其频域表达式： ，（），坐一竺 （） 警 鹾 脚 一 乇） 脉动电流在（）上产生的脉动压降： 吣，揣摹 去 时间 脉动电流源的输出电压（）为： 磊。一 “咖 （），（）圪（） 一 图混合储能系统在电源脉动时的响应 （） 晡 叫 础 系统结构设计 （） 采用超级电容器蓄电池混合储能的独立光伏系 统，主
11、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，如图所示。 其时域表达式： “）（一吮）一町讧 。， （志一转一圳 一（一志一黜川啪） （） 懒荔蒹盯 超级电 容器组 蓄电池 组 图混合储能独立光伏系统结构示意图 吼 油陆 万方数据 太 阳 能 学 报 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
12、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。 图所示为系统的控制过程状态机。系统启动 （包括盯模式、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
13、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 通过变换器与蓄电池连接，通过控制 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
14、结构进行研究。 后首先进入町状态，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 （。臣。），从恒压充电状态中退出，转到充 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。以时（。），重新启动负载。根 据
15、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。 图系统控制过程状态机 图无源式并联储能结构 鼬 鼹 削 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 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
16、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 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 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。 串并组成超级电容器组，等效电容，最高工 作电压；蓄电池的容量为，通过串联 组成蓄电池组，额定电压为。超级电容器组与 蓄电池组之间串联一个肖特基二极管， 接法如图所示。采用了公司的数据采集系统 和软件，采集相关参数，并用 耵描绘其波形。 图所示为系统工作过程的描述。开始时，由 于超级电容器组
17、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（），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，电流波动幅度为， 图所示为系统稳态时，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
18、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。 。 。 叭 时间 图储能系统在输入电流波动时的响应 血咖 蜘庀 回 对混合储能系统施加脉动负载，周期为，占空 比为，脉动负载的电流幅值为。图所示为系 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。 时 口净 加如加如加 时间 图混合储能系统的工作过程 砒 啪 图所示为日照量变化时，超级电容器组和蓄 工 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
19、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 山趔 冬 肚一托皿：二 ：亡：蔓！三三三三 图混合储能系统在负载功率脉动时的响应 审 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。采用块单晶硅太阳电池串联，功率为 ；采用型超级电容器， 口目甸蟹格； 时间 图 日照量变化时混合储能系统的响应 ）锄 珊撕 万方数据 太 阳 能 学 报 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，占空比为，电 流幅值为。可见，在负载脉动期间，超级电容器 分担了大部
20、分电流，蓄电池的输出电流较小，电压跌 落也较小。图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】 印 鸵 锄 伍 撕叫陀 百涮唱 埘盯， ，： ，曲砌 瑚黯 驴印 ）： 血， 妞 ， ， 舒 ， ） 血 伽妇 印 撕 咖嘶盯 伽如，：母 ，日 ， ， 胁【叩 瑚“， 珊柏 口闰皂；醪蟛盆 日驴劬
21、 憎 峥蚰 ） ， 时间 ，（）：一 船 ，础 ，鹪 印 图负载脉动时混合储能系统的响应 把 锄 岫 ）怕 啪 油 删埘 即枷 朋岫，： ， ， 铲 眦，【 一瑚仕甜 切 、 腑 矗西 鹞鲥 （， 时间 ，鲥，冼印肿 咖 撕 叩 ， 图脉动负载时蓄电池储能系统的响应 跏） 岬眙埘 ，玛 ， 结 论 附 ），面黼 ， 删 缸， 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
22、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 删 ，砌 妣鸺 畔 晒船，（）： ， 驴 啪 枷 ，“ 眦锄 呻 仕叫阳 蚰 鹏 叽，（）： 酗 ， ， 陆 撕加【鲫唧舳 帅嘶 啷鹏， 璐，（）： 阳 ， 万方数据 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 啪呻西 肚 一 】 玎舱 曲撕明 ， 仕 ， 砌 ）， 面 执蚰船， 巾 删 龇 ， ， 黼：哪 （，珊矗眦矿胁谢哪垤饿 诎旷拓，蟛增（），讹 刊咖击矿伪讹 如矿蛔，咖曙，讹） 龇莉 怕瑚
23、 趴 啪 咖 而 山 锄皿 册 ”！ 、试 印 蕊 丑 野 锄 锄 翟；） 坞 咖： 咖；印； ） 联系人棚：祭 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 SIN
24、ICA 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-ult
25、racapacitor 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 a
26、nd 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.
27、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.Zhen
28、g 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 cap
29、acitors 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
30、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
31、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