一種基于超級電容器儲能的光伏控制器的實現(xiàn)

1 引 言

能源是人類社會存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著社會的發(fā)展，能源日漸減少，并伴隨著環(huán)境問題日益突出，使得越來越多的國家把目光投向可再生能源。太陽能作為重要能源之一，以其永不枯竭，無污染等優(yōu)點，正得到迅速的發(fā)展。但是太陽能電池在其工作過程中，由于受環(huán)境(主要包括日照強(qiáng)度，溫度)的影響，其輸出具有明顯的非線性特性，造成電池與負(fù)載之間的不匹配，從而不能使太陽能最大效率地轉(zhuǎn)化為電能輸出。為了實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出最大化，就需要對光伏電池的最大功率點進(jìn)行跟蹤控制，即MPPT(MaximumPower Point Tracking)控制。

在光伏控制技術(shù)上，MPPT控制方法有很多種，目前市場上常用的是使用CVT(恒定電壓跟蹤)控制技術(shù)的控制器，因為CVT法較為簡單，制造相對也容易，但是此種控制技術(shù)帶來了較為嚴(yán)重的功率損失，相對于光伏電池價格的高昂以及電力電子技術(shù)的日益發(fā)展，顯得很不經(jīng)濟(jì)實用。

因此各種具有MPPT功能的光伏控制器逐漸發(fā)展起來，本文所設(shè)計控制器即是一種基于“電壓擾動法”采用高性能單片機(jī)實現(xiàn)的小型光伏控制器，控制超級電容器充放電。

2 光伏電池的基本原理及其光伏特性

光伏電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體P-N結(jié)時，會在P-N結(jié)兩邊產(chǎn)生光生電壓，接上負(fù)載，就會產(chǎn)生電流。該電流與光照強(qiáng)度成正比，當(dāng)接受的光強(qiáng)一定時，就可以將光伏電池看成是恒流源。光伏電池由于受外界環(huán)境(主要包括溫度，光照強(qiáng)度)的影響，使它的輸出具有明顯的非線性。

由圖1(a)和圖1(b)中光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)溫度及標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的P-V特性可以看出，光伏電池的輸出特性受環(huán)境變化影響很大，其中光照強(qiáng)度主要影響光伏電池電流，而光伏電池電壓主要受溫度影響，因此簡單的CVT控制技術(shù)是不能滿足光伏電池最大功率輸出要求的，從而使得MPPT控制技術(shù)更加適用。

3 超級電容器儲能原理及等效電路模型

3.1 超級電容器儲能原理

超級電容器(Super-capacitor)是近年來出現(xiàn)的一種新型儲能器件，與常規(guī)電容器相比，其容量可達(dá)法拉級甚至數(shù)千法拉。它兼有常規(guī)電容器功率密度大，普通電池能量密度高的優(yōu)點，并且具有充放電時間短，循環(huán)性能好，使用壽命長，使用溫度范圍寬，對環(huán)境無污染等特點。因此，從某種意義上講，超級電容器有著傳統(tǒng)電容器和電池的雙重功能，彌補(bǔ)了兩個傳統(tǒng)技術(shù)間的空白，因此具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

超級電容器的能量儲存在雙電層和電極內(nèi)部。當(dāng)用直流電源為超級電容器單體充電時，電解質(zhì)中的正、負(fù)離子取向聚集到固體電極表面，形成“電極／溶液”雙電層，用以貯存電荷。

超級電容器作為大功率物理二次電源，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域用途十分廣泛。超級電容器與蓄電池并聯(lián)使用可以作為混合型電動車的加速或啟動電源；可以用作光電功能電子手表和計算機(jī)存儲器等小型裝置的電源；在高壓變電站及開關(guān)站中，超級電容器的使用保證了分閘能量供應(yīng)的絕對可靠，同時保留了傳統(tǒng)電容儲能式硅整流分合閘裝置的優(yōu)點；除此之外，超級電容器在光伏發(fā)電中的應(yīng)用也日益廣泛。本文利用超級電容器在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計了一種控制超級電容器充放電的最大功率控制器。

由于超級電容器單體電壓較低，本設(shè)計選用了5個參數(shù)為2 400 F，2.7 F的超級電容器，將它們串聯(lián)起來作為儲能器件使用，電容量為480 F，工作電壓范圍為3.5～13.5 V，此時，超級電容器組件可儲能為：

最大可釋放的能量為：

由上面的計算可知，超級電容器的能量是依靠其電容值與其端電壓而得到的，與電容值成正比關(guān)系，與其端電壓的平方成正比關(guān)系。在超級電容器使用中，端電壓是隨著充放電而變化的。

3.2 超級電容器等效電路模型

等效電路模型對超級電容器儲能系統(tǒng)的分析和設(shè)計都很重要，工程用等效電路模型應(yīng)該能夠盡可能多的反映其_內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)特點，而且模型中的參數(shù)應(yīng)容易測量。

最簡單的超級電容器等效模型，是只有一個阻容單元構(gòu)成的RC模型，如圖2(a)所示，包括理想電容器C、等效串聯(lián)內(nèi)阻Rs、等效并聯(lián)內(nèi)阻Rp。等效串聯(lián)內(nèi)阻Rs表示超級電容器的總串聯(lián)內(nèi)阻，在充放電過程中會產(chǎn)生能量損耗，一般以熱的形式表現(xiàn)，還會因阻抗壓降而使端電壓出現(xiàn)波動，產(chǎn)生電壓紋波。等效并聯(lián)內(nèi)阻Rp反映7超級電容器總的漏電情況，一般只影響長期儲能過程，也稱為漏電電阻。文獻(xiàn)[9]對超級電容器的自放電回路的時間常數(shù)進(jìn)行了測試，長達(dá)數(shù)十小時至上百小時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于充放電時間常數(shù)。而且，在實際應(yīng)用中，超級電容器一般通過功率變換器與電源連接，并處于較快的和頻繁的充放電循環(huán)過程中，因此，Rp的影響可以忽略。因此，可以進(jìn)一步將超級電容器模型簡化為理想電容器和等效串聯(lián)內(nèi)阻的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。