超級電容器直流儲能應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)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(jī)性的特點，同時負(fù)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(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了較大挑戰(zhàn)。
　　在傳統(tǒng)電網(wǎng)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(chǎn)生的電能和負(fù)荷之間出現(xiàn)大的功率不平衡，從而穩(wěn)定電網(wǎng)運行、改善電能質(zhì)量。超級電容器儲能作為一種新型電力儲能技術(shù)，

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(yīng)用前景。本文針對超級電容器儲能在光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)。
　　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(guān)的工作原理，通過對四個開關(guān)管軟開關(guān)的暫態(tài)過程的數(shù)值分析，指出了開關(guān)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(guān)，并提出了諧振器件參數(shù)的選取公式，作為變換器的設(shè)計依據(jù)。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(yīng)力和無功功率，從而降低變換器效率、增加設(shè)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(cè)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(gòu)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(shè)計基礎(chǔ)。在500W樣機(jī)上進(jìn)行了相關(guān)實驗，實驗結(jié)果表明使用提出的喈振器件參數(shù)選取公式設(shè)計的變換器可以在額定功率下實現(xiàn)軟開關(guān)，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(chǔ)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(jìn)行充電，但是充電初始階段的充電電流必須被限制。據(jù)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(zhuǎn)移跟蹤(MPTT：MaximumPowerTransferTrack)充電控制，針對超級電容器作為變換器負(fù)載以及Buck和Boost環(huán)節(jié)解耦控制的應(yīng)用方式，推導(dǎo)了變換器的小信號模型并設(shè)計了充電控制系統(tǒng)。設(shè)計了實驗樣機(jī)并進(jìn)行了兩組充電實驗，實驗結(jié)果表明和恒流充電方式相比，最大功率轉(zhuǎn)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(hù)超級電容器安全。
　　電壓均衡技術(shù)是

7、保證超級電容器串聯(lián)應(yīng)用效率與可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，在分析現(xiàn)有超級電容器電壓均衡技術(shù)的特點和適用場合的基礎(chǔ)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(zhuǎn)移型電壓均衡方法：升壓半橋逆變式能量轉(zhuǎn)移型均壓方法和副邊串聯(lián)反激式能量轉(zhuǎn)移型均壓方法。升壓半橋逆變式能量轉(zhuǎn)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(cè)的升壓設(shè)計可以避免因超級電容器模組端電壓過低導(dǎo)致的均壓失敗。副邊串聯(lián)反激式能量轉(zhuǎn)移型均壓方法利用反激變換器輸出端串聯(lián)產(chǎn)生高電壓和

8、超級電容器模組之間形成電勢差，從而產(chǎn)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(jìn)行比較即可白舉運行，且結(jié)構(gòu)簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)。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(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了微網(wǎng)中基于超級電容器儲能的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)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(shè)備和能量緩沖，針對微網(wǎng)中常見的諧波問題、功率因數(shù)問題、負(fù)