CN203261111U - 基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池混合储能光伏系统 - Google Patents

基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池混合储能光伏系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及混合储能光伏系统领域，尤其涉及一种基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池构成的混合储能光伏系统。基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池混合储能光伏系统，包括光伏阵列、DC/DC变换器、超级电容器、蓄电池、双向Buck变换器和负载；所述光伏阵列、DC/DC变换器以及负载顺次连接，所述超级电容器和双向Buck变换器分别连接在DC/DC变换器与负载之间，所述蓄电池与双向Buck变换器连接。本实用新型的系统，光伏阵列利用率高、充电速度快效率高、循环寿命长，系统可最大限度地利用超级电容器存储能量，解决了现有光伏储能系统循环寿命不长、超级电容器能量利用率不高的技术问题。

Description

基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池混合储能光伏系统
技术领域
本实用新型涉及混合储能光伏系统领域，尤其涉及一种基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池构成的混合储能光伏系统。
背景技术
光伏储能系统作为新能源产业的重要组成部分，近年来应用越来越广泛。由于光伏电池的输出功率存在间歇性和随机性，通常在独立光伏发电系统中必须配置一定的储能装置以保证负载供电的连续性和可靠性，蓄电池是最常见的储能元件。但无论哪种蓄电池都有充放电电流限制、充电时间长、循环寿命短、功率密度低等缺点，而超级电容器具有功率密度大、循环寿命长、充放电效率高等优点，因此，通过适当的能量管理策略，将蓄电池和超级电容器结合起来，可以构成高性能的储能系统。现有技术中，中国专利CN101309017A提出了一种超级电容器蓄电池混合储能方案，该方案中超级电容和负载之间有蓄电池充电电路，当设置功率脉动型负载时超级电容器功率密度大的优势就难以充分发挥；中国专利CN101789620A提出了一种基于双向Buck/boost电路拓扑作为有源混合储能方案，但由于超级电容器电压必须高于蓄电池电压，超级电容器能量利用率不高。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够在输入功率波动情况下减少蓄电池的反复充放电、能够发挥超级电容器功率密度大的优势、能够利用超级电容器存储的能量的基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池混合储能光伏系统。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案: 
基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池混合储能光伏系统，包括光伏阵列、DC/DC变换器、超级电容器、蓄电池、双向Buck变换器和负载；所述光伏阵列、DC/DC变换器以及负载顺次连接，所述超级电容器和双向Buck变换器分别连接在DC/DC变换器与负载之间，所述蓄电池与双向Buck变换器连接。
本领域技术人员根据本领域公知常识可知，本实用新型中的超级电容器和双向Buck变换器分别连接在DC/DC变换器与负载之间是指超级电容器和双向Buck变换器分别并联在DC/DC变换器与负载之间的传输线上，从而超级电容器、双向Buck变换器、负载构成并联组，光伏阵列、DC/DC变换器与该并联组顺次串联的线路构造。
当阳光充足时，光伏阵列输出的电能通过DC/DC变换器给超级电容器及负载供电，通过双向Buck变换器给蓄电池充电；当出现多云天气时，光伏阵列输出波动较大、输出功率较小，由超级电容器和光伏阵列一起向负载供电；当出现持续阴雨天时，光伏阵列产生的小电流给超级电容器充电；当夜晚光伏阵列不能发电时，由超级电容器和蓄电池为负载提供功率；当负载功率脉动（即功率不稳定，产生波动）时，超级电容器将输出脉动功率，蓄电池输出平均功率，脉动结束后，蓄电池为超级电容器补充能量；当没有负载时，超级电容器电压到一定程度则为蓄电池充电。
进一步，所述双向Buck变换器包括第一功率开关管、第二功率开关管、二极管一、二极管二、电感；所述二极管一阳极与超级电容器阴极连接、二极管二阳极与蓄电池阴极连接，二极管一与二极管二共阳极，二极管一阴极与第一功率开关管源极连接，第一功率开关管漏极与超级电容器阳极连接，二极管二阴极与第二功率开关管源极连接，第二功率开关管漏极与蓄电池阳极连接，二极管一阴极与二极管二阴极之间连接电感。
当超级电容器电压比蓄电池电压高于一个阈值时，双向Buck变换器正向工作，超级电容器为蓄电池恒压限流充电；当超级电容器电压比蓄电池电压低于一个阈值时，双向Buck变换器反向工作，蓄电池为超级电容器提供能量。当蓄电池容量已满或耗尽时，双向Buck变换器停止工作，将蓄电池隔离，避免其过充或过放。
（1）正向工作：将第二功率开关管的控制极置低，使其不工作。第一功率开关管、二极管一、电感组成Buck变换器，为第一功率开关管的控制极提供控制脉冲，电路将根据第一功率开关管的开关状态周期性工作。第一功率开关管开通期间，超级电容器为蓄电池充电，同时将一部分能量储存在电感中；第一功率开关管关断后，储存在电感中的能量通过二极管一继续为蓄电池充电。第二功率开关管体内的二极管始终开通，二极管二始终关断。第一功率开关管再次开通，电路进入下一个周期。
（2）反向工作：将开关管第一功率开关管的控制极置低，使其不工作。第二功率开关管、二极管二、电感组成Buck变换器，为第二功率开关管的控制极提供控制脉冲，电路将根据第二功率开关管的开关状态周期性工作。第二功率开关管开通期间，超级电容器为蓄电池充电，同时将一部分能量储存在电感中；第二功率开关管关断后，储存在电感中的能量通过二极管二继续为蓄电池充电。第一功率开关管体内的二极管始终开通，二极管一始终关断。第二功率开关管再次开通，电路进入下一个周期。
由于超级电容器存储能量与其端电压平方成正比，因而电容器的电压等级可在负载可承受范围内选择越高越好，电容器容量可根据实际需求而定。系统工作过程中，只要超级电容器端电压没有达到安全电压上限，DC/DC变换器均可按最大功率跟踪方式工作；当超级电容器电压达到安全电压上限，DC/DC变换器恒压输出。
采用本实用新型有如下技术效果：
1、将超级电容器与DC/DC变换器相连，可在光伏阵列输出功率随机波动情况下充分发挥其充电速度快、效率高、循环寿命长的优势，尽可能地工作于光伏阵列的最大功率点，在提高光伏阵列利用率的同时，有效避免了蓄电池的反复充电。
2、将超级电容器与负载直接相连，两者之间无任何功率输出阻抗，在负载功率脉动情况下可最大限度发挥超级电容器功率密度大的优势，脉动功率几乎完全由超级电容器提供，避免了蓄电池瞬时大电流放电。
3、双向Buck变换器的工作模式灵活，超级电容器电压既可以在高于蓄电池电压时为负载提供能量，也可以在低于蓄电池电压时为负载提供能量，整个系统可最大限度地利用超级电容器存储能量。
4、蓄电池充电和放电均是通过双向Buck变换器控制的，双向Buck变换器可充分优化蓄电池充放电过程，改善其工作状态，进而提高其使用寿命。
附图说明
图1是本实用新型的基于双向Buck变换器超级电容和蓄电池混合储能光伏系统的模块框图；
图2是本实用新型的双向Buck变换器电路原理图；
     图3是本实用新型的超级电容和蓄电池混合储能光伏系统能量管理流程图；
图4是本实用新型的系统在光伏阵列输出功率波动时超级电容与蓄电池电流实验波形图；
图5是本实用新型的系统在负载功率脉动时超级电容与蓄电池电流实验波形。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池混合储能光伏系统，包括光伏阵列、DC/DC变换器、超级电容器、蓄电池、双向Buck变换器和负载；所述光伏阵列、DC/DC变换器以及负载顺次连接，所述超级电容器和双向Buck变换器分别连接在DC/DC变换器与负载之间，所述蓄电池与双向Buck变换器连接。
其中，DC/DC变换器选择具有最大功率跟踪功能的降压、升压或升降压变换器。DC/DC变换器可用微处理器（单片机或DSP）完成MPPT及其他控制功能。
实施例二
如图1和图2所示，基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池混合储能光伏系统，包括光伏阵列、DC/DC变换器、超级电容器、蓄电池、双向Buck变换器和负载；所述光伏阵列、DC/DC变换器以及负载顺次连接，所述超级电容器和双向Buck变换器分别连接在DC/DC变换器与负载之间，所述蓄电池与双向Buck变换器连接。
所述双向Buck变换器包括第一功率开关管T1、第二功率开关管T2、二极管一D1、二极管二D2、电感L；所述二极管一D1与超级电容器阴极连接、二极管二D2与蓄电池阴极连接，二极管一D1与二极管二D2共阳极，二极管一D1阴极与第一功率开关管T1源极连接，第一功率开关管T1漏极与超级电容器阳极连接，二极管二D2阴极与第二功率开关管T2源极连接，第二功率开关管T2漏极与蓄电池阳极连接，二极管一D1阴极与二极管二D2阴极之间连接电感L。
其中，Uc为超级电容器两端电压，Ub为蓄电池所提供的电源电压，第一功率开关管T1、第二功率开关管T2可以采用任意一种全控型功率开关器件，如果采用三极管或体内无二极管的IGBT或其他开关器件时，需要外加二极管。优选地，第一功率开关管T1、第二功率开关管T2采用nMOSFET。双向Buck变换器有正向和反向两种工作模式，无论双向Buck变换器是正向或反向工作，电感L均起到储能滤波作用，其设计方法可按照正向/反向Buck变换器工作模式计算参数，根据计算参数设计反向/正向的工作频率，使其能同时满足正向、反向工作两种工作模式。双向Buck变换器可用微处理器或微处理器配合专用PWM芯片完成相应控制功能。
如图3所示，UbH、UbL分别为蓄电池电压充电和放电终了电压，IbL为蓄电池充电终了电流，UTH为阈值电压。系统开机自检后，通过检测判断超级电容器与蓄电池电压范围来决定双向Buck变换器的工作模式。当Uc≥Ub+UTH时，光伏阵列及超级电容器一方面为负载供电，另一方面双向Buck变换器正向工作，为蓄电池充电；当Uc<Ub-UTH时，双向Buck变换器反向工作，蓄电池通过变换器输出近似恒定电流，提供负载平均电流或为超级电容器补充充电，负载脉动电流由超级电容器提供。
在蓄电池充电过程中，当Ub<UbH时，充电模式为恒流充电，当Ub=UbH时转为恒压充电，并且当Ib≤IbL时，蓄电池充电过程结束，双向Buck变换器停止工作；在蓄电池放电过程中，当Ub≤UbH时，双向变换器停止工作，防止蓄电池过放电影响寿命。
设置阈值电压UTH的原因为：当光伏阵列输出功率不足或无输出时，由混合储能系统为负载提供功率。当超级电容器电压接近蓄电池电压时，即Ub-UTH<Uc<Ub+UTH，无论双向Buck比较器正向或反向工作，将出现第一功率开关管T1或第二功率开关管T2控制脉冲的导通占空比接近1的情况。在负载脉动频繁且脉动功率比较小的情况下，由于超级电容器和蓄电池内阻的作用，可能会反复出现超级电容器电压高于或低于蓄电池，进而造成蓄电池反复充、放电。因而设置阈值电压UTH，当Ub和Uc电压差的绝对值小于阈值电压UTH时，双向Buck变换器停止工作，由超级电容器组单独提供负载能量。阈值电压UTH的大小应根据应用中超级电容与蓄电池容量及电压等级合理设置。
如图4所示，用可编程电源模拟输出功率随机波动的光伏阵列， DC/DC变换器选用Buck变换器。系统在45s之前，其功率全部由超级电容器吸收；45s之后并联变换器开始工作，蓄电池恒流充电；在87s时，前级Buck变换器停止工作，输入断开，超级电容器继续给蓄电池充电一段时间，直至其电压下降至截止电压。可以发现，在系统输入功率波动时，混合储能系统能够有效优化蓄电池充电过程，减少蓄电池充放电次数。
如图5所示，当负载功率脉动时，负载脉动功率几乎全部由超级电容器承担，蓄电池只承担负载平均功率，其放电电流几乎恒定，仅有变换器工作造成的高频纹波，其放电过程得以优化。
以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进。这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。

Claims (2)

1.基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池混合储能光伏系统，其特征在于：包括光伏阵列、DC/DC变换器、超级电容器、蓄电池、双向Buck变换器和负载；所述光伏阵列、DC/DC变换器以及负载顺次连接，所述超级电容器和双向Buck变换器分别连接在DC/DC变换器与负载之间，所述蓄电池与双向Buck变换器连接。
2.如权利要求1所述的基于双向Buck变换器的超级电容和蓄电池混合储能光伏系统，其特征在于：所述双向Buck变换器包括第一功率开关管、第二功率开关管、二极管一、二极管二、电感；所述二极管一阳极与超级电容器阴极连接、二极管二阳极与蓄电池阴极连接，二极管一与二极管二共阳极，二极管一阴极与第一功率开关管源极连接，第一功率开关管漏极与超级电容器阳极连接，二极管二阴极与第二功率开关管源极连接，第二功率开关管漏极与蓄电池阳极连接，二极管一阴极与二极管二阴极之间连接电感。
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