CN101309017B - 一种基于超级电容器蓄电池混合储能的风力发电、光伏发电互补供电系统 - Google Patents

Abstract

一种基于超级电容器蓄电池混合储能的风光互补供电系统，包括DC/DC降压变换器(20)、AC/DC变换器(30)、超级电容器组(40)、DC/AC逆变器(50)、蓄电池组(60)、蓄电池充电电路(700)、光伏阵列(70)、风力发电机(80)、油机/市电接口(90)。光伏阵列(70)通过DC/DC降压变换器(20)与超级电容器组(40)连接。风力发电机(80)与油机/市电接口(90)通过AC/DC变换器(30)与超级电容器组(40)连接。超级电容器组(40)通过蓄电池充电电路(700)给蓄电池组(60)充电，超级电容器组与蓄电池组为系统提供一定的功率缓冲，以维持供电电压的稳定。本发明可以为配电网不能到达的偏远地区的通信系统、居民生活提供不间断供电。

Description

一种基于超级电容器蓄电池混合储能的风力发电、光伏发电互补供电系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电、光伏发电互补供电系统，特别涉及基于超级电容器蓄电池混合储能的风力发电、光伏发电互补供电系统。

背景技术

随着能源危机的日益突出，风力发电、光伏发电等清洁可再生能源发电技术应用越来越广泛，由于风光资源的天然互补性，风力发电、光伏发电互补发电具有较大的发展前景。风光互补供电系统各发电单元可以独立控制也能协调工作，供电安全性和可靠性比较高，可以在沙漠、高原等偏远地区为通信设施和居民生活提供不间断电力。

光伏发电和风力发电分别受日照强度和风速变化的影响，由于自然界的太阳光和风速变化是不可预测的，所以风光互补系统的电力输出不稳定，通常需要配备一定容量的储能装置进行电能补偿以保持输出稳定。此外，当出现极端恶劣天气、线路故障等意外情况时，系统可能会停止对用户的电力供应，如果没有备用能量支撑，一些重要和敏感的设备将无法正常工作。一般的风光互补系统都配置了可充电蓄电池组，可充电蓄电池是一种应用非常普遍的储能装置，如铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、镍氢蓄电池等。将其应用于风光互补系统，直接与直流母线连接，或者通过充放电装置与直流母线连接，作为系统的应急电源或者功率缓冲器，可以为直流母线提供一定时间的能量支撑。当负荷较轻或者母线电压升高时，直流母线通过功率变换器给蓄电池充电；在负荷较重或者母线电压发生短时中断以及跌落时，蓄电池通过功率变换器释放能量以维持直流母线电压在正常的范围内，保证系统的正常工作。

中国专利CN2723723Y公开了一种风光互补系统，该系统采用可充电蓄电池作为储能装置。太阳能电池产生的电力通过最大功率跟踪后，经过蓄电池充电控制回路给蓄电池充电，风力发电机产生的电力通过整流以后经过蓄电池充电控制回路给蓄电池充电，蓄电池充电控制回路根据预设的电池温度不断调整充电的截止电压。蓄电池和直流母线连接，通过逆变器给负载提供交流电力。当直流母线电压低于预设值时，系统启动柴油机备用电源，这时的逆变器处于整流工作模式，柴油机的一部分电力通过整流以后给蓄电池充电。当母线电压恢复至预设值后，系统切断备用电源，逆变器处于逆变工作状态，蓄电池向负载提供电力。系统的运行情况由中央处理单元进行实时检测和控制。

将可充电蓄电池作为储能装置，存在着一些问题。首先，蓄电池在工作过程中电极活性物质会发生化学变化从而引起电极结构的膨胀和收缩，使得蓄电池性能衰减。由于风光互补系统受自然环境的影响很大，发电功率具有间断性和不可预测性等特点，蓄电池需要不断地吸收或者释放能量，可能经常进行深度充放电，导致蓄电池的使用寿命减少，间接增加了系统成本。其次，蓄电池对环境要求很高，在严寒环境中出力比较困难，不能保障在严寒气候条件下供电的安全性和可靠性。再次，蓄电池的功率密度较低，一般来说，通信设备在工作时的功率需求大多具有脉动性质，即瞬时功率高平均功率较低，为了保证系统的正常运行，在实际设计中需要配置容量较大的蓄电池组，以满足负荷的功率需求，这样会提高系统成本。除此之外，蓄电池的维护量较大，而且使用后残留的金属材料会造成较严重的环境污染。

超级电容器(Supercapacitor，Ultracapacitor)是近年来出现的一种新型储能器件，通常包括双电层电容器(Electric Double-Layer Capacitor)和电化学电容器(ElectrochemicalCapacitor)两类。其中，双电层电容器采用活性炭，碳电极与电解液界面上的电荷分离而产生双电层电容。电化学电容器采用金属氧化物作为电极，在氧化物电极表面发生氧化还原反应而产生吸附电容，它又称为法拉第准电容，根据电极材料的不同可分为金属氧化物和导电性高分子聚合物两类电化学电容器。由于法拉第准电容的产生机理与电池相似，在相同电极面积的情况下，它的电容量是双电层电容器的数倍；但双电层电容器瞬间大电流放电的功率特性比电化学电容器好。

超级电容器具有很好的功率特性，可以大电流、高效率、快速地充放电。由于充放电过程始终是物理过程，不发生电化学反应和电极结构的变化，因此其循环使用寿命长。此外，超级电容器还具有高低温性能良好、能量判断简单准确、无需维护和环境友好等诸多优点，正日益发展成为一种高效、实用的能量储存器件。

尽管超级电容器具有很多优点，但其缺点也较明显。其能量密度与可充电蓄电池相比较低，目前双电层超级电容器的能量密度大约是阀控式铅酸蓄电池的20％，还不适宜于大容量的电力储能。风光互补系统如果采用超级电容器作为储能装置，需要配置较大容量，这样会使系统设备过于庞大笨重，目前超级电容器的价格较高，大容量配置也会提高系统的成本。

如果将超级电容器与可充电蓄电池混合使用，使蓄电池能量密度高与超级电容器功率密度高、循环寿命长等优点相结合，无疑会提高电力储能装置的性能。蓄电池通过一定的方式与超级电容器同时工作，可以优化蓄电池的充放电过程，减少充放电循环次数，降低内部损耗，增加放电时间，延长使用寿命。采用超级电容器蓄电池混合储能装置，是解决风光互补系统中电力储能问题的一个合适的选择，可以大幅度提高系统的经济性能和技术性能。

在日本专利2002-325368公开的风光互补系统电池充电装置中，为了给蓄电池负载充电，该专利提出了利用超级电容器作为储能装置的设计方法。风力发电机与光伏发电装置工作时给超级电容器组充电，超级电容器组再通过DC/DC降压型变换器给蓄电池负载充电。该专利中的风力发电机和光伏发电装置通过不控整流电路进行电力输出，它们的输出能量是不可控的，不能进行最大功率跟踪输出。

在日本专利2005-051955公开的风力和太阳能混合发电系统中，系统利用蓄电池组作为储能装置，太阳能发电装置通过直交变换器给负载供电；风力发电装置通过升降压变换器一方面给蓄电池组充电，另一方面通过直交变换器给负载供电。蓄电池在需要输出电能的时候，通过升降压变换器与直交变换器连接，向负载进行供电。这种储能方式下蓄电池需要不断地吸收或者释放电能，可能经常进行深度充放电，这样会减少蓄电池的使用寿命。

上述相关专利中有些提出了基于蓄电池储能的风光互补系统，有些提出了基于超级电容器储能的风光互补充电装置，考虑到蓄电池和超级电容器单独作为储能装置存在的一些缺陷，本专利提出的超级电容器蓄电池混合储能的应用前景更为广阔。

发明内容

本发明的目的是克服现有的蓄电池作为储能装置应用于风光互补系统存在使用寿命低、系统成本高、严寒环境下出力困难、容易造成环境污染等缺点，提供一种用于风光互补供电系统的超级电容器蓄电池混合储能装置。本发明可为因风光条件的改变而导致的母线电压波动提供功率缓冲，以维持母线电压稳定，并可以在系统发电不足或出现故障等情况下提供短时能量支撑，以保障移动油机或其它外部供电系统顺利启动供电。本发明可以为配电网不能到达的偏远地区的通信系统、边防哨所、居民生活提供可靠的不间断供电。

本发明由DC/DC降压变换器、AC/DC变换器、超级电容器组、蓄电池组、DC/AC逆变器、蓄电池充电电路、光伏阵列、风力发电机和油机/市电接口组成。光伏阵列通过DC/DC降压变换器与超级电容器组连接，风力发电机通过AC/DC变换器与超级电容器组连接，油机/市电接口通过AC/DC变换器与超级电容器组连接，超级电容器组通过蓄电池充电电路与蓄电池组连接，蓄电池组与直流负载连接，并通过DC/AC逆变器与交流负载连接。

太阳能电池产生的电力通过DC/DC降压变换器实现最大功率跟踪后，向负载供电，同时给超级电容器组充电，并通过蓄电池充电电路以优化的恒流方式给蓄电池组充电；风力发电机产生的电力先进行整流，再通过直流变换电路进行电压的调整，其产生的电力向负载供电，同时给超级电容器组充电，并通过蓄电池充电电路以优化的恒流方式给蓄电池组充电，蓄电池充电电路采用DC/DC变换电路，根据预设的电池温度不断调整充电过程，直到蓄电池端电压达到预设值。接负载工作时，如果太阳能电池和风力发电机产生的电力不足导致母线下降到一定预设值时，蓄电池释放电能进行电压支撑，当母线电压继续下降时，超级电容器通过蓄电池充电电路对负载进行供电，防止蓄电池深度放电，由于超级电容器的能量密度低，支撑电压的时间较短，其存储的能量以优化的方式给蓄电池进行充电，以保障高能量密度储能长时电压支撑的需要。当直流母线电压下降低于最低预设值时，系统连接移动油机/市电接口，外部电力先进行整流，再通过DC/DC变换电路进行电压的调整，其产生的电力向负载供电，同时给超级电容器组充电，并通过蓄电池充电电路给蓄电池组充电。当母线电压恢复至预设值后，系统切断油机/市电接口。

系统工作时实时检测蓄电池组的端电压和充电电流。当蓄电池组端电压大于设定值V1时，蓄电池充电电路转到恒压充电状态；当蓄电池组端电压小于设定值V2时(V2＜V1)，退出恒压充电状态，转至最大功率跟踪充电状态或限流充电状态。当蓄电池充电电流大于设定值I1时，蓄电池充电电路从最大功率跟踪充电状态转到限流充电状态进行大电流充电保护；当蓄电池充电电流小于设定值I2时(I2＜I1)，蓄电池充电电路切换到最大功率跟踪充电状态。当蓄电池组的端电压低于设定值Vlow或者充电电流大于设定值Ihigh时，切断负载避免蓄电池过放电或者放电电流过大；根据系统配置的需要可以修改参数设定值，使蓄电池充电电路大部分时间处于最大功率跟踪充电状态，蓄电池组保持在合理的电压和充放电电流范围以内。

超级电容器可以使用双电层电容器，也可以使用电化学电容器。多个单体超级电容器通过串联构成串联支路，多个串联支路进行并联构成超级电容器组，具体的串并联组合方法视系统的实际需要而定。考虑到超级电容器组的使用寿命，通常单体电压不得超过最高工作电压。

本发明的DC/DC降压变换器采用BUCK变换电路，包括一个功率开关管，一个滤波电容器，一个电感器和一个功率二极管。当功率开关管导通时，电感器储存电能，电容器处于充电状态。当功率开关管断开时，电感器经功率二极管给滤波电容器储能。

本发明的AC/DC变换器包括不控整流桥和DC/DC两部分，其中DC/DC部分采用BUCK变换器，包括一个功率开关管，一个滤波电容器，一个电感器和一个功率二极管。当功率开关管导通时，电感器储存电能，电容器处于充电状态。当功率开关管断开时，电感器经功率二极管给滤波电容器储能。

本发明的蓄电池充电电路采用的DC/DC变换电路，可以是降压型、升压型或者升降压型变换电路，可以是隔离型或者非隔离型变换电路。

本发明的基于超级电容器蓄电池混合储能的风光互补供电系统，在实现所述功能的前提下，力争高效节能，减少超级电容器组和蓄电池组的安装容量，延长蓄电池的使用寿命，提高系统的供电稳定性能和经济性能。系统中光伏阵列和风力发电机以最大功率跟踪输出方式工作；根据风力发电机和光伏阵列的工作状态、超级电容器组以及蓄电池组的荷电状态、直流母线电压大小等信息，预先判断出混合储能需要输出的功率大小，及时准确地控制储能装置的工作过程，提高储能装置的快速响应能力。

本发明的基于超级电容器蓄电池混合储能的风光互补供电系统，具有以下优点：

(1)风力发电、光伏发电是清洁可再生能源发电技术，为能源短缺的地区和配电网架设困难的偏远地区供电问题提供了行之有效的解决方案，风光互补供电系统进一步增强了供电的安全性和稳定性。

(2)采用超级电容器蓄电池混合储能，能够充分发挥蓄电池能量密度高和超级电容器功率密度高、循环寿命长、充放电速度快的优点，使储能装置具有良好的技术性能。

(3)蓄电池组两端的电压波动小，能为直流负载提供稳定的电力，同时系统可以优化蓄电池的充放电过程，减少蓄电池的充放电小循环次数或者降低发生充放电小循环时的放电深度，延长使用寿命。

(4)由于超级电容器的功率变换电路及其控制能力，超级电容器组的端电压与负载电压可以有较大不同，在满足功率需求的基础上，超级电容器的能量利用率得到了提高，同时可以减少超级电容器组的安装容量，降低系统成本。蓄电池组的端电压与超级电容器组的端电压可以有很大的不同，超级电容器组和蓄电池组的结构配置更为灵活。

(5)预留油机/市电接口，更大程度地保障了系统供电的安全性和可靠性。

本发明将超级电容器与可充电蓄电池混合使用，结合了蓄电池与超级电容器各自的优点，提高了电力储能装置的性能。蓄电池通过一定的方式与超级电容器并联工作，可以优化蓄电池的充放电过程，减少充放电循环次数，降低内部损耗，增加放电时间，延长使用寿命。采用超级电容器蓄电池混合储能装置，提高了系统的供电稳定性能和经济性能，是解决风光互补系统中电力储能问题的一个合适的选择，具有明显的优势。

附图说明

图1是本发明工作原理方框图；

图2是本发明DC/DC降压变换器原理图；

图3是本发明AC/DC变换器原理图；

图4是日照强度变化时本发明互补供电系统混合储能响应实验波形图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示为本发明基于超级电容器蓄电池混合储能的风力发电、光伏发电互补供电系统实施例。该实施例包括直流母线11，DC/DC降压变换器20，AC/DC变换器30，超级电容器组40，DC/AC逆变器50，蓄电池组60，蓄电池充电电路700，光伏阵列70，风力发电机80，油机/市电接口90，光伏发电输出端300，风力发电输出端400，交流负载端口500，直流负载端口600，交流负载100和直流负载200。其中直流母线11与超级电容器组40连接，光伏阵列70通过DC/DC降压变换器20与超级电容器组40连接，光伏发电输出端300连接光伏阵列70和DC/DC降压变换器20；风力发电机80通过AC/DC变换器30与超级电容器组40连接，风力发电输出端400连接风力发电机80和AC/DC变换器30；油机/市电接口90通过AC/DC变换器30与超级电容器组40连接，风力发电输出端400连接油机/市电接口90和AC/DC变换器30；超级电容器组40通过蓄电池充电电路700与蓄电池组60连接；蓄电池组60与直流负载200连接；蓄电池组60通过DC/AC逆变器50与交流负载100连接，交流负载端口500连接DC/AC逆变器50和交流负载100；直流负载端口600连接蓄电池充电电路700，并与直流负载200和蓄电池组60连接。蓄电池充电电路700采用DC/DC变换器，包括降压型、升压型和升降压型变换电路，也可以是隔离型和非隔离型变换电路。DC/AC逆变器50可以为三相逆变器，也可以是单相逆变器。

超级电容器组40可以使用双电层电容器，也可以使用电化学电容器，多个单体超级电容器通过串联构成串联支路，多个串联支路并联构成超级电容器组40，具体的串并联组合方法视系统的实际需要而定。超级电容器组40的电极正端40a与直流母线11的正端11a连接，超级电容器组40的电极负端40b与直流母线11的负端11b连接。考虑到超级电容器组的使用寿命，通常单体电压不得超过最高工作电压。

图2所示为本发明的DC/DC降压变换器20，它由光伏控制器可控功率开关管22、光伏控制器功率二极管21、光伏控制器电感23、光伏控制器滤波电容24、光伏发电输出端300和直流母线11组成。光伏控制器可控功率开关管22的22a端与光伏发电输出端300的正端300a连接，22b端与光伏控制器功率二极管21的阴极21a端连接，并与光伏控制器电感23的23a端连接；光伏控制器功率二极管21的阳极21b端与光伏发电输出端300的负端300b连接，并与直流母线11的负端11b连接；光伏控制器电感23的23b端与直流母线11的正端11a连接；光伏控制器滤波电容24与直流母线11并联连接。其中，光伏控制器可控功率开关管22包括但不限于MOSFET、IGBT、IGCT等，本实施例采用将IGBT功率开关器件及其驱动电路集成的IPM模块，模块内部具有过流、过热保护功能。光伏发电输出端300作为输入端，直流母线11作为输出端，电路为降压型DC/DC，光伏控制器可控功率开关管22作为可控开关，与光伏控制器功率二极管21一起控制电路的工作过程。直流母线11与超级电容器组40连接，光伏发电输出端300与光伏阵列70连接。

图3所示为本发明的AC/DC变换器30，它由不控整流桥35、风力控制器可控功率开关管32、风力控制器功率二极管31、风力控制器电感33、风力控制器滤波电容34、风力发电输出端400和直流母线11组成；风力控制器功率开关管32的32a端与不控整流桥35的35a端连接，32b端与风力控制器功率二极管31的阴极31a端连接，并与风力控制器电感33的33a端连接；风力控制器功率二极管31的阳极31b端与不控整流桥35的35b端连接，并与直流母线11的负端11b连接；风力控制器电感33的33b端与直流母线11的正端11a连接；风力控制器滤波电容34与直流母线11并联连接。其中，风力控制器可控功率开关管32包括但不限于MOSFET、IGBT、IGCT等，本实施例采用将IGBT功率开关器件及其驱动电路集成的IPM模块，模块内部具有过流、过热保护功能。风力发电输出端400作为输入端，直流母线11作为输出端，风力控制器可控功率开关管32作为可控开关，与风力控制器功率二极管31一起控制电路的工作过程。直流母线11与超级电容器组40连接，风力发电输出端400与风力发电机80和油机/市电接口90连接。

当光伏阵列70以最大功率跟踪输出方式工作时，光伏阵列70给交流负载100和直流负载200供电，并给超级电容器组40和蓄电池组60充电；当风力发电机80以最大功率跟踪输出方式工作时，风力发电机80给交流负载100和直流负载200供电，并给超级电容器组40和蓄电池组60充电；当负荷较轻或直流母线11电压升高时，超级电容器组40通过DC/DC降压变换器20和AC/DC变换器30吸收电能，蓄电池组60通过蓄电池充电电路700吸收电能；当由于气候变化而导致光伏阵列70和风力发电机80电力供应不足，直流母线11电压降低时，超级电容器组40通过蓄电池充电电路700与蓄电池组60共同释放电能起到功率缓冲、稳定电压的作用；当光伏阵列70、风力发电机80、超级电容器组40与蓄电池组60的电力输出不能满足负载供电要求时，风光互补系统通过油机/市电接口90接入移动油机或者其他外部电源对负载进行临时性的供电，一部分电力通过AC/DC变换器30给超级电容器组40和蓄电池组60充电。当直流母线11电压恢复到预设值后，系统切断油机/市电接口90。

图4所示为日照强度变化时本发明互补供电系统混合储能响应实验波形，其中上图为光伏阵列的输出电压和电流值，中图为超级电容器组的端电压和充放电电流值，下图为蓄电池组的端电压和充放电电流值，由实验结果可以看出光伏系统的输出功率随着日照量的变化发生较大幅度的波动(主要表现为输出电流发生脉动)，由于超级电容器的高功率密度，它对储能系统在脉动电流输入时的响应产生了很好的滤波效果，在光伏输出电力充足的情况下吸收电能，如350秒至420秒期间，光伏输出对超级电容器组充电，输入电流在1安培至2安培之间；在光伏输出电力不足的情况下释放电能，如230秒至250秒期间，超级电容器组放电向蓄电池组充电，放电电流在0.5安培左右；这样使得蓄电池组的充电电流比较平滑。整个工作期间超级电容器组和蓄电池组的端电压变化很小，稳定在24伏左右，能够为负载提供稳定的电力。采用超级电容器蓄电池混合储能，提高了储能装置的功率输出能力，可以减少蓄电池单独储能时为提高功率能力而必须增加的容量；优化了蓄电池的工作过程，减少了充放电小循环，可以避免蓄电池的过早失效和容量损失。

Claims (4)

1.一种基于超级电容器蓄电池混合储能的风力发电、光伏发电互补供电系统，包括AC/DC变换器(30)、超级电容器组(40)、蓄电池组(60)、光伏阵列(70)、风力发电机(80)、交流负载(100)、直流负载(200)、DC/DC降压变换器(20)和DC/AC逆变器(50)，光伏阵列(70)通过DC/DC降压变换器(20)与超级电容器组(40)连接，蓄电池组(60)通过DC/AC逆变器(50)与交流负载连接，蓄电池组(60)与直流负载连接，直流母线(11)与超级电容器组(40)连接，其特征在于：所述的供电系统还包括蓄电池充电电路(700)和油机/市电接口(90)；风力发电机(80)通过AC/DC变换器(30)与超级电容器组(40)连接；油机/市电接口(90)通过AC/DC变换器(30)与超级电容器组(40)连接；超级电容器组(40)通过蓄电池充电电路(700)与蓄电池组(60)连接；当光伏阵列(70)和风力发电机(80)工作时，给交流负载(100)和直流负载(200)供电，并给超级电容器组(40)和蓄电池组(60)充电；当负荷较轻或直流母线(11)电压升高时，超级电容器组(40)通过DC/DC降压变换器(20)和AC/DC变换器(30)吸收电能，蓄电池组(60)通过蓄电池充电电路(700)吸收电能；当由于气候变化而导致光伏阵列(70)和风力发电机(80)电力供应不足，直流母线(11)电压降低时，超级电容器组(40)通过蓄电池充电电路(700)与蓄电池组(60)共同释放电能起到功率缓冲、稳定电压的作用；当光伏阵列(70)、风力发电机(80)、超级电容器组(40)与蓄电池组(60)的电力输出不能满足负载供电要求时，所述的供电系统通过油机/市电接口(90)接入移动油机或者其他外部电源对负载进行临时性的供电，一部分电力通过AC/DC变换器(30)给超级电容器组(40)和蓄电池组(60)充电；当直流母线(11)电压恢复到预设值后，所述的供电系统切断油机/市电接口(90)。

2.如权利要求1所述的基于超级电容器蓄电池混合储能的风力发电、光伏发电互补供电系统，其特征在于：超级电容器组(40)通过蓄电池充电电路(700)与蓄电池组(60)组成混合储能装置。

3.如权利要求1所述的基于超级电容器蓄电池混合储能的风力发电、光伏发电互补供电系统，其特征在于：超级电容器组(40)由双电层电容器或电化学电容器组成；超级电容器组(40)的电极正端40a与直流母线(11)的正端11a连接，超级电容器组(40)的电极负端40b与直流母线(11)的负端11b连接。

4.如权利要求1所述的基于超级电容器蓄电池混合储能的风力发电、光伏发电互补供电系统，其特征在于：蓄电池充电电路(700)根据风力发电机(80)和光伏阵列(70)的工作状态、超级电容器组(40)以及蓄电池组(60)的荷电状态、直流母线电压(11)信息，预先判断出超级电容器组(40)以及蓄电池组(60)需要输出的功率大小，控制蓄电池充电电路(700)的工作过程，提高储能装置的快速响应能力。

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