一种基于超级电容器储能的光伏控制器的实现

1 引 言

能源是人类社会存在和发展的重要物质基础，随着社会的发展，能源日渐减少，并伴随着环境问题日益突出，使得越来越多的国家把目光投向可再生能源。太阳能作为重要能源之一，以其永不枯竭，无污染等优点，正得到迅速的发展。但是太阳能电池在其工作过程中，由于受环境(主要包括日照强度，温度)的影响，其输出具有明显的非线性特性，造成电池与负载之间的不匹配，从而不能使太阳能最大效率地转化为电能输出。为了实现光伏发电系统的功率输出最大化，就需要对光伏电池的最大功率点进行跟踪控制，即MPPT(MaximumPower Point Tracking)控制。

在光伏控制技术上，MPPT控制方法有很多种，目前市场上常用的是使用CVT(恒定电压跟踪)控制技术的控制器，因为CVT法较为简单，制造相对也容易，但是此种控制技术带来了较为严重的功率损失，相对于光伏电池价格的高昂以及电力电子技术的日益发展，显得很不经济实用。

因此各种具有MPPT功能的光伏控制器逐渐发展起来，本文所设计控制器即是一种基于“电压扰动法”采用高性能单片机实现的小型光伏控制器，控制超级电容器充放电。

2 光伏电池的基本原理及其光伏特性

光伏电池是一种利用光生伏打效应把光能转换为电能的器件，当太阳光照射到半导体P-N结时，会在P-N结两边产生光生电压，接上负载，就会产生电流。该电流与光照强度成正比，当接受的光强一定时，就可以将光伏电池看成是恒流源。光伏电池由于受外界环境(主要包括温度，光照强度)的影响，使它的输出具有明显的非线性。

由图1(a)和图1(b)中光伏电池在标准温度及标准光强下的P-V特性可以看出，光伏电池的输出特性受环境变化影响很大，其中光照强度主要影响光伏电池电流，而光伏电池电压主要受温度影响，因此简单的CVT控制技术是不能满足光伏电池最大功率输出要求的，从而使得MPPT控制技术更加适用。

3 超级电容器储能原理及等效电路模型

3.1 超级电容器储能原理

超级电容器(Super-capacitor)是近年来出现的一种新型储能器件，与常规电容器相比，其容量可达法拉级甚至数千法拉。它兼有常规电容器功率密度大，普通电池能量密度高的优点，并且具有充放电时间短，循环性能好，使用寿命长，使用温度范围宽，对环境无污染等特点。因此，从某种意义上讲，超级电容器有着传统电容器和电池的双重功能，弥补了两个传统技术间的空白，因此具有很大的发展潜力。

超级电容器的能量储存在双电层和电极内部。当用直流电源为超级电容器单体充电时，电解质中的正、负离子取向聚集到固体电极表面，形成“电极／溶液”双电层，用以贮存电荷。

超级电容器作为大功率物理二次电源，在国民经济各领域用途十分广泛。超级电容器与蓄电池并联使用可以作为混合型电动车的加速或启动电源；可以用作光电功能电子手表和计算机存储器等小型装置的电源；在高压变电站及开关站中，超级电容器的使用保证了分闸能量供应的绝对可靠，同时保留了传统电容储能式硅整流分合闸装置的优点；除此之外，超级电容器在光伏发电中的应用也日益广泛。本文利用超级电容器在光伏系统中的应用，设计了一种控制超级电容器充放电的最大功率控制器。

由于超级电容器单体电压较低，本设计选用了5个参数为2 400 F，2.7 F的超级电容器，将它们串联起来作为储能器件使用，电容量为480 F，工作电压范围为3.5～13.5 V，此时，超级电容器组件可储能为：

最大可释放的能量为：

由上面的计算可知，超级电容器的能量是依靠其电容值与其端电压而得到的，与电容值成正比关系，与其端电压的平方成正比关系。在超级电容器使用中，端电压是随着充放电而变化的。

3.2 超级电容器等效电路模型

等效电路模型对超级电容器储能系统的分析和设计都很重要，工程用等效电路模型应该能够尽可能多的反映其_内部物理结构特点，而且模型中的参数应容易测量。

最简单的超级电容器等效模型，是只有一个阻容单元构成的RC模型，如图2(a)所示，包括理想电容器C、等效串联内阻Rs、等效并联内阻Rp。等效串联内阻Rs表示超级电容器的总串联内阻，在充放电过程中会产生能量损耗，一般以热的形式表现，还会因阻抗压降而使端电压出现波动，产生电压纹波。等效并联内阻Rp反映7超级电容器总的漏电情况，一般只影响长期储能过程，也称为漏电电阻。文献[9]对超级电容器的自放电回路的时间常数进行了测试，长达数十小时至上百小时，远远高于充放电时间常数。而且，在实际应用中，超级电容器一般通过功率变换器与电源连接，并处于较快的和频繁的充放电循环过程中，因此，Rp的影响可以忽略。因此，可以进一步将超级电容器模型简化为理想电容器和等效串联内阻的串联结构，如图2(b)所示。