超级电容器直流储能应用于光伏发电系统关键技术的研究

摘要

在能源短缺和气候变化等问题日益突出的背景下，以光伏发电为代表的可再生能源发电正在被大规模开发利用。但是，由于光伏发电系统的输出功率具有间歇性和随机性的特点，同时负荷的变化也具有不确定性，这给包含可再生能源发电的电网系统的稳定运行带来了较大挑战。
　　在传统电网发电-传输-用电的运行模式中加入储能系统，可以避免光伏发电系统产生的电能和负荷之间出现大的功率不平衡，从而稳定电网运行、改善电能质量。超级电容器储能作为一种新型电力储能技术，具有功率密度大、充放电速度快、循环使用寿命长、环保性能好等特点，在光伏发电系统中具有良好的应用前景。本文针对超级电容器储能在光伏发电系统应用中的功率变换、充电效率和模块化等方面存在的问题展开了深入研究，提出了解决这些问题的一系列关键技术。
　　针对超级电容器模组端电压较低，一般不足以直接逆变，需要配备功率变换电路的问题，提出使用隔离型对称半桥双向DC/DC变换器作为超级电容器模组和逆变器之间的接口，利用其高变比的特点，将较低的超级电容器模组端电压升至可供直接逆变的直流高电压。为了提高变换器的工作效率，重点分析了其软开关的工作原理，通过对四个开关管软开关的暂态过程的数值分析，指出了开关管并联等效电容和升压变压器漏感之间的谐振过程实现了变换器的软开关，并提出了谐振器件参数的选取公式，作为变换器的设计依据。同时，超级电容器在正向工作过程中的输入电压跌落会增加变换器的电流应力和无功功率，从而降低变换器效率、增加设备成本。针对这一问题，提出了PWM移相前馈式控制策略，可以稳定变压器一次侧电压幅值，降低漏感电流峰值。传统的隔离型对称半桥双向DC/DC变换器建模方法固定占空比为0.5，在PWM移相前馈式控制中无法使用，因此构建了新的包含占空比作为控制量的变换器状态空间平均模型和小信号模型，作为控制策略的设计基础。在500W样机上进行了相关实验，实验结果表明使用提出的喈振器件参数选取公式设计的变换器可以在额定功率下实现软开关，PWM移相前馈式控制策略可以有效降低变压器漏感电流峰值。
　　由于超级电容器端电压在充电过程中不断上升，同时光伏电池的输出特性也不同于一般直流电源，因此光伏电池对超级电容器的充电方法有别于传统蓄电池的充电方法。在提出定量分析超级电容器在恒压、恒流和恒功率充电方式下充电效率的数值方法的基础上，计算了光伏发电系统在最大功率跟踪控制方式下使用恒流充电方式和恒功率充电方式对超级电容器的充电效率。指出了恒功率充电方式更适合光伏发电系统对超级电容器进行充电，但是充电初始阶段的充电电流必须被限制。据此提出了使用双级Buck-Boost变换器实现光伏电池MPPT控制和对超级电容器的最大功率转移跟踪(MPTT：MaximumPowerTransferTrack)充电控制，针对超级电容器作为变换器负载以及Buck和Boost环节解耦控制的应用方式，推导了变换器的小信号模型并设计了充电控制系统。设计了实验样机并进行了两组充电实验，实验结果表明和恒流充电方式相比，最大功率转移跟踪控制充电策略可以缩短充电时间、提高充电效率、保护超级电容器安全。
　　电压均衡技术是保证超级电容器串联应用效率与可靠性的关键技术，在分析现有超级电容器电压均衡技术的特点和适用场合的基础上，提出了两种新型的适合大功率超级电容器模组使用的能量转移型电压均衡方法：升压半桥逆变式能量转移型均压方法和副边串联反激式能量转移型均压方法。升压半桥逆变式能量转移型均压方法利用高频变压器原边并联实现均压，输入侧的升压设计可以避免因超级电容器模组端电压过低导致的均压失败。副边串联反激式能量转移型均压方法利用反激变换器输出端串联产生高电压和超级电容器模组之间形成电势差，从而产生反馈充电电流实现均压。这两种均压方法都无需对单体超级电容器之间电压进行比较即可白举运行，且结构简单、扩展性强。通过仿真和实验验证了这两种新型均压电路在不同工作条件下的可行性。
　　最后，使用以上超级电容器直流储能应用于光伏发电系统的关键技术，构建了微网中基于超级电容器储能的统一电能质量调节器，使用光伏电池作为能源来源，超级电容器作为储能设备和能量缓冲，针对微网中常见的谐波问题、功率因数问题、负荷波动问题、供电中断等电能质量问题，使用并联补偿技术进行治理。提出了一种新型的使用负荷基波有功电流的导数计算负荷波动和补偿量的控制方法。通过对统一电能质量调节器针对各种电能质量问题补偿过程的仿真，验证了系统结构和控制方法的可行性。