超級電容器直流儲能應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)關鍵技術的研究.pdf

1、在能源短缺和氣候變化等問題日益突出的背景下，以光伏發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電正在被大規(guī)模開發(fā)利用。但是，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率具有間歇性和隨機性的特點，同時負荷的變化也具有不確定性，這給包含可再生能源發(fā)電的電網系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了較大挑戰(zhàn)。
　　在傳統(tǒng)電網發(fā)電-傳輸-用電的運行模式中加入儲能系統(tǒng)，可以避免光伏發(fā)電系統(tǒng)產生的電能和負荷之間出現(xiàn)大的功率不平衡，從而穩(wěn)定電網運行、改善電能質量。超級電容器儲能作為一種新型電力儲能技術，

2、具有功率密度大、充放電速度快、循環(huán)使用壽命長、環(huán)保性能好等特點，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中具有良好的應用前景。本文針對超級電容器儲能在光伏發(fā)電系統(tǒng)應用中的功率變換、充電效率和模塊化等方面存在的問題展開了深入研究，提出了解決這些問題的一系列關鍵技術。
　　針對超級電容器模組端電壓較低，一般不足以直接逆變，需要配備功率變換電路的問題，提出使用隔離型對稱半橋雙向DC/DC變換器作為超級電容器模組和逆變器之間的接口，利用其高變比的特點，將較低的超級

3、電容器模組端電壓升至可供直接逆變的直流高電壓。為了提高變換器的工作效率，重點分析了其軟開關的工作原理，通過對四個開關管軟開關的暫態(tài)過程的數(shù)值分析，指出了開關管并聯(lián)等效電容和升壓變壓器漏感之間的諧振過程實現(xiàn)了變換器的軟開關，并提出了諧振器件參數(shù)的選取公式，作為變換器的設計依據。同時，超級電容器在正向工作過程中的輸入電壓跌落會增加變換器的電流應力和無功功率，從而降低變換器效率、增加設備成本。針對這一問題，提出了PWM移相前饋式控制策略，可以

4、穩(wěn)定變壓器一次側電壓幅值，降低漏感電流峰值。傳統(tǒng)的隔離型對稱半橋雙向DC/DC變換器建模方法固定占空比為0.5，在PWM移相前饋式控制中無法使用，因此構建了新的包含占空比作為控制量的變換器狀態(tài)空間平均模型和小信號模型，作為控制策略的設計基礎。在500W樣機上進行了相關實驗，實驗結果表明使用提出的喈振器件參數(shù)選取公式設計的變換器可以在額定功率下實現(xiàn)軟開關，PWM移相前饋式控制策略可以有效降低變壓器漏感電流峰值。
　　由于超級電容器端

5、電壓在充電過程中不斷上升，同時光伏電池的輸出特性也不同于一般直流電源，因此光伏電池對超級電容器的充電方法有別于傳統(tǒng)蓄電池的充電方法。在提出定量分析超級電容器在恒壓、恒流和恒功率充電方式下充電效率的數(shù)值方法的基礎上，計算了光伏發(fā)電系統(tǒng)在最大功率跟蹤控制方式下使用恒流充電方式和恒功率充電方式對超級電容器的充電效率。指出了恒功率充電方式更適合光伏發(fā)電系統(tǒng)對超級電容器進行充電，但是充電初始階段的充電電流必須被限制。據此提出了使用雙級Buck-B

6、oost變換器實現(xiàn)光伏電池MPPT控制和對超級電容器的最大功率轉移跟蹤(MPTT：MaximumPowerTransferTrack)充電控制，針對超級電容器作為變換器負載以及Buck和Boost環(huán)節(jié)解耦控制的應用方式，推導了變換器的小信號模型并設計了充電控制系統(tǒng)。設計了實驗樣機并進行了兩組充電實驗，實驗結果表明和恒流充電方式相比，最大功率轉移跟蹤控制充電策略可以縮短充電時間、提高充電效率、保護超級電容器安全。
　　電壓均衡技術是

7、保證超級電容器串聯(lián)應用效率與可靠性的關鍵技術，在分析現(xiàn)有超級電容器電壓均衡技術的特點和適用場合的基礎上，提出了兩種新型的適合大功率超級電容器模組使用的能量轉移型電壓均衡方法：升壓半橋逆變式能量轉移型均壓方法和副邊串聯(lián)反激式能量轉移型均壓方法。升壓半橋逆變式能量轉移型均壓方法利用高頻變壓器原邊并聯(lián)實現(xiàn)均壓，輸入側的升壓設計可以避免因超級電容器模組端電壓過低導致的均壓失敗。副邊串聯(lián)反激式能量轉移型均壓方法利用反激變換器輸出端串聯(lián)產生高電壓和

8、超級電容器模組之間形成電勢差，從而產生反饋充電電流實現(xiàn)均壓。這兩種均壓方法都無需對單體超級電容器之間電壓進行比較即可白舉運行，且結構簡單、擴展性強。通過仿真和實驗驗證了這兩種新型均壓電路在不同工作條件下的可行性。
　　最后，使用以上超級電容器直流儲能應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的關鍵技術，構建了微網中基于超級電容器儲能的統(tǒng)一電能質量調節(jié)器，使用光伏電池作為能源來源，超級電容器作為儲能設備和能量緩沖，針對微網中常見的諧波問題、功率因數(shù)問題、負