应用于独立供电的超级电容器电池混合功率调节系统.docx

应用于独立供电系统功率调节的超级电容器和电池混合系统 编译：闫新育 （中国西电电气股份有限公司 陕西 西安 029 摘要：独立供电系统对于许多应用远程设备的场合来说是一个很好的选择。它包括由间歇性电源构成的可再生能源发电，其间歇电源需要合适的储能装置来平衡 和匹配发电功率和需求功率。用电池来实现此目的是个显而易见的选择，然而系统中不规则的波动和瞬变会加速损害电池的性能。文献中介绍了许多基于超级电容器和电池相结合的混合储能解决方案，其中超级电容器提供或吸收瞬变波动。本文旨在研究这些系统的拓扑结构和控制策略，并在一个独立的电源系统给出其仿真性能结论。 索引： DC-DC变换器、燃料电池、通信系统、光伏发电系统 1 引言 可再生能源在从大电网连接到偏远地方的独立电力系统（SAPS）的过程中有许多应用发展潜力。SAPS对供电可靠性、连续性和负载需求的满意度有严格要求，但这对于间歇性强、严重依赖天气的可再生能源发电来说是很困难的。因此，储能设备在平缓这类发电的能量供应方面起着非常重要的作用。然而，作为最常见并且成熟的储能装置——电池，由于具有不可回收的高污染物成分，被认为是对环境有害的（尽管在这方面投入了很多努力，但还没有得到真正有效地解决这个问题的方式）[ 1 ]。此外，电池的衰减很快，特别是在SAPS波动的工况下[ 2 ]。因此，对其它如基于氢类的储能装置进行了研究，包括，储氢罐和燃料电池[ 2,3 ]，但成熟度低、效率低、价格高一直是阻碍他们推广应用的主要障碍。这些缺点，也使得电池成为当前的主流存储组件，因为电池成熟、低成本、可用性和效率高[ 4 ]，尽管存在环境问题。 超级电容器储能是基于正负电荷分离的物理过程，而不像电池那样利用化学反应储能 [ 5 ]。因此，超级电容器的优点是具有比电池更长的寿命和快速充放电次数，其能够在很短的时间内提供高功率输出。与电池不同，超级电容器在进行几十万次充放电循环后特性依然不会衰减很多；此外，它们受温度的影响很小并且效率更高，然而，它们不能像电池那样长时间的提供能量。为了结合高功率和高能量密度的优点，它们之间的复合一直作为电力系统[ 6-13 ]和混合动力汽车[ 14 ]的研究目标，开展了多种拓扑[ 6-12 ]、结合方法[ 8 ]和能量管理策略[ 16,17 ]的研究工作。采用超级电容器作为电池的补充的主要目标是抑制和平缓瞬态、短时的可再生能源或负载[ 14 ]的能量爆发，而电池会提供或吸收平均功率负载。因此，整个系统的性能及尺寸得以优化。 本文提出了应用于由电池和超级电容器组成的混合存储系统不同的拓扑结构和控制策略。他们与光伏（PV）发电、风力发电机、典型性直流负载（电信设备）和所需的电力变换器集成在一起，整个独立发电系统如图1所示。根据其组成优化每一个电源接口（负载，发电机和储能元件），但重点是两种储能元件的能量控制和拓扑结构。下面，不同的操作模式下的仿真结果将会展示所考虑的拓扑及控制策略的性能。 图1 独立电源系统 2 系统仿真 图1的独立供电系统第一次是在文献[7]中进行了分析。该系统包括一个光伏发电机，输出端由非隔离降压DC-DC转换器进行最大功率跟踪控制[ 18 ]；此外，还有一个6kW的风力发电机，由风力机、永磁同步发电机组成[ 19 ]，输出为三相交流电压，然后用二极管进行整流，整流桥后面又是一个非隔离降压型DC-DC转换器进行最大功率点控制[ 20 ]。相关的模型——包括那些电池和超级电容器[21] [22]、电力电子控制策略等已经在文献[7]进行了概述，以该系统作为出发点旨在进行不同控制策略和混合存储系统的拓扑结构研究及评价。该系统中，电力是由可再生能源发电机产生的功率减去滤除的能量，高频损失能量由超级电容器提供。然而，应用策略不同。 本文研究了以下形式的系统： 1. 只对电池直流母线电压控制的SAPS； 2. SAPS连接电池，不控制超级电容器直流母线电压(图2)[ 6]； 3. SAPS连接超级电容，控制电池直流母线电压并采用高通滤波器(图3)[ 11 ]； 4. SAPS连接超级电容，控制电池直流母线电压并对高通滤波器进行自适应控制(图4和图5)[10]； 5. SAPS连接电池，控制超级电容器直流母线电压并采用低通滤波器(图6)； 6. SAPS连接电池，控制超级电容器直流母线电压并采用移动平均控制(图7)[12]。 图2 SAPS连接电池，不控制超级电容器直流母线电压（系统2） 图3 系统3中超级电容变换器的控制 图4 系统4中超级电容变换器的控制 图5适用于系统4的高通滤波器[10] 图6系统5中电池变换器的控制 图7系统6中电池变换器的控制 第一个系统只有电池对SAPS起缓冲作用。非隔离双向Bu