超級(jí)電容器直流儲(chǔ)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(wèn)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(kāi)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(diǎn)，同時(shí)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(yùn)行帶來(lái)了較大挑戰(zhàn)。
　　在傳統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)電-傳輸-用電的運(yùn)行模式中加入儲(chǔ)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(yùn)行、改善電能質(zhì)量。超級(jí)電容器儲(chǔ)能作為一種新型電力儲(chǔ)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(zhǎng)、環(huán)保性能好等特點(diǎn)，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。本文針對(duì)超級(jí)電容器儲(chǔ)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(wèn)題展開(kāi)了深入研究，提出了解決這些問(wèn)題的一系列關(guān)鍵技術(shù)。
　　針對(duì)超級(jí)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(wèn)題，提出使用隔離型對(duì)稱半橋雙向DC/DC變換器作為超級(jí)電容器模組和逆變器之間的接口，利用其高變比的特點(diǎn)，將較低的超級(jí)

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(diǎn)分析了其軟開(kāi)關(guān)的工作原理，通過(guò)對(duì)四個(gè)開(kāi)關(guān)管軟開(kāi)關(guān)的暫態(tài)過(guò)程的數(shù)值分析，指出了開(kāi)關(guān)管并聯(lián)等效電容和升壓變壓器漏感之間的諧振過(guò)程實(shí)現(xiàn)了變換器的軟開(kāi)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(jì)依據(jù)。同時(shí)，超級(jí)電容器在正向工作過(guò)程中的輸入電壓跌落會(huì)增加變換器的電流應(yīng)力和無(wú)功功率，從而降低變換器效率、增加設(shè)備成本。針對(duì)這一問(wèn)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(duì)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(wú)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(hào)模型，作為控制策略的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。在500W樣機(jī)上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用提出的喈振器件參數(shù)選取公式設(shè)計(jì)的變換器可以在額定功率下實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)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(jí)電容器端

5、電壓在充電過(guò)程中不斷上升，同時(shí)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(duì)超級(jí)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(jí)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(jì)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(duì)超級(jí)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(duì)超級(jí)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(jí)Buck-B

6、oost變換器實(shí)現(xiàn)光伏電池MPPT控制和對(duì)超級(jí)電容器的最大功率轉(zhuǎn)移跟蹤(MPTT：MaximumPowerTransferTrack)充電控制，針對(duì)超級(jí)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(hào)模型并設(shè)計(jì)了充電控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了兩組充電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(shí)間、提高充電效率、保護(hù)超級(jí)電容器安全。
　　電壓均衡技術(shù)是

7、保證超級(jí)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(jí)電容器電壓均衡技術(shù)的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合的基礎(chǔ)上，提出了兩種新型的適合大功率超級(jí)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(shí)現(xiàn)均壓，輸入側(cè)的升壓設(shè)計(jì)可以避免因超級(jí)電容器模組端電壓過(guò)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(jí)電容器模組之間形成電勢(shì)差，從而產(chǎn)生反饋充電電流實(shí)現(xiàn)均壓。這兩種均壓方法都無(wú)需對(duì)單體超級(jí)電容器之間電壓進(jìn)行比較即可白舉運(yùn)行，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jí)電容器直流儲(chǔ)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(jí)電容器儲(chǔ)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(lái)源，超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能設(shè)備和能量緩沖，針對(duì)微網(wǎng)中常見(jiàn)的諧波問(wèn)題、功率因數(shù)問(wèn)題、負(fù)