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

0 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。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。

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-Buck DC-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，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

图2 超级电容器充电控制的主电路图

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U2满足以下关系式：根据不同的电压等级，U2可以比 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则满足以下关系式

2 充电控制方案的流程图

图3为提出的超级电容器充电控制方案的流程图，其中Tmax为超级电容器自保护温度，Ufull为超级电容器充满电时的电压，Ir为设定电流值，Ur为设定电压值。此流程主要包括温度保护和充电控制模式两大部分。

为了保证超级电容器组的正常使用及使用寿命，此方案中设置了温度保护程序。当超级电容器的温度小于其最大允许温度Tmax时才运行，反之超级电容器将起动超温保护，通过断开充电回路以保护超级电容器。

图3 风光互补发电系统中超级电容器充电控制方案的流程图

图4 只串入限流电阻的充电方法的电压变化曲线

在充电模式控制中，当超级电容器处于初始充电状态时，电容器两端电压很小，而充电电流很大，因此，此时采用恒流充电控制模式；当充电电流I2小于给定值Ir时，充电模式则自动切换到恒功率充电模式，在此模式下随着电容器两端电压的增大，充电电流开始下降；而当超级电容器两端电压等于某一给定值Ufull时，再自动切换为恒电压充电模式。也就是通过这3种恒流、恒功及恒压充电模式有条件的自动切换，来实现对超级电容器快速、稳步的充电，下面将通过Matlab/ Simulink仿真来证明这种方案的可行性。

3 充电控制方案的Matlab/ Simulink 仿真

我们对普通的只串入限流电阻的超级电容器充电电路进行仿真，其实结果如图4。从图4中可以看出电流在充电伊始数值很大，然后就以较快的速度下降直至充电结束。而电压则在初始充电状态下很小，随充电时间的增大，电压升高直到Ufull=300V。

图5为先恒流后恒压的充电方案仿真。从图5可以看出，当充电恒定电流为30A时，电压达到Ufull=300V所需时间比只串入限流电阻的普通充电方法有所缩短。

图5 先恒流后恒压的充电方案仿真

图6 提出的超级电容器充电控制方案的仿真结果

图6为提出的超级电容器充电控制方案的仿真结果。其中Ufull =300V，充电时恒定Ir为30A，Ur=220V。从图6中明显可以看出，由于加入了恒功率充电模式，充电时间比先恒流后恒压的充电方案缩短了近一半，比只串入限流电阻的充电方案缩短时间更多。由此可证明，本文所提出充电控制方案对超级电容器快速、稳步充电的可行性。

4 结论

利用超级电容器作为风光互补发系统中的储能装置，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。其充电控制方案由恒压充电、恒流充电和恒功充电三种控制模式构成。Matlab/ Simulink仿真证明：由于恒功率充电模式的加入，对超级电容器充电的时间大大减少，可以实现对超级电容器组快速稳步的充电，以有效储存和利用风力和太阳能发出的电能。

[1]桂长清.风能和太阳能发电系统中的储能电池[J].电池工业，2008，13（1）：50-54.

[2]李少林，姚国兴.风光互补发电蓄电池超级电容器混合储能研究[J].电力电子技术，2010，44（2）：12-14.

[3]欧阳名三.独立光伏系统中蓄电池管理的研究.合肥：合肥工业大学，2004.

[4]GAO L，DOUGAL R A，LIU S.Power Enhancement of an Actively Controlled Battery/Ultracapacitor Hybrid [J].IEEE Trans.on Power Electronics，2005，20（1）：236-243.

[5]CHAD ABBEY，GEZA JOOS.Supercapacitor energystorage for wind energy applications [J].IEEE Transactions on Industry Applications，2007，43（3）：769-776.

[6]KINJO T，SENJYU T，URASAKI N，et al.Output leveling of renewable energy by electric double-layer capacitor applied for energy storage system [J].IEEE Transaction on Energy Conversion，2006，21（1）：221-227.

[7]张步涵，曾杰，毛承雄，等.串并联型超级电容器储能系 统在风力发电中的应用[J].电力自动化设备，2008，28（4）：1-4.

[8]张方华，朱成花，严仰光.双向DC-DC 变换器的控制模型 [J].中国电机工程学报，2005，25（11）：46-49.

[9]廖志凌，阮新波.一种独立光伏发电系统双向变换器的控 制策略[J].电工技术学报，2008，28（1）：97-103.