基于超级电容器能量存储的光伏控制器的实现

1简介

能源是人类社会生存和发展的重要物质基础. 随着社会的发展，能源逐渐减少，环境问题日益突出，越来越多的国家将注意力转向可再生能源. 作为重要的能源之一，太阳能具有永不枯竭，无污染的优点，因此发展迅速. 然而，在太阳能电池工作期间，由于环境的影响（主要包括日光强度和温度），其输出具有明显的非线性特性，导致电池与负载之间的失配，因此太阳能无法以最大效率转换为电能输出. 为了最大化光伏发电系统的功率输出，有必要跟踪和控制光伏电池的最大功率点，即MppT（最大功率点跟踪）控制.

在光伏控制技术中，有许多种MppT控制方法. 目前，市场上常用的控制器是采用CVT（恒压跟踪）控制技术的控制器. 由于CVT方法比较简单，所以制造比较容易，但是这种控制技术带来了严重的功率损耗. 光伏电池的高价格和电力电子技术的不断发展使其不经济和实用.

因此，逐渐开发出具有MppT功能的各种光伏控制器. 本文设计的控制器是一种基于“电压干扰法”的小型光伏控制器，它使用高性能的单片机控制超级电容器的充电和放电.

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伏效应将光能转换为电能的设备. 当阳光照射到半导体p-N结时，光生电压将出现在p-N结的两侧，并且当连接到负载时会出现电流. 电流与光强度成正比. 当按下接收到的光强度时，光伏电池可被视为恒定电流源. 由于外部环境的影响（主要包括温度和光强度），光伏电池的输出具有明显的非线性.

从图1（a）和1（b）中标准温度和标准光强度下的光伏电池的pV特性可以看出，光伏电池的输出特性受环境变化的影响很大，其中光强度重要的是光伏电池电流，而光伏电池电压主要受温度影响，因此简单的CVT控制技术无法满足光伏电池的最大功率输出要求，从而使MppT控制技术更加适用.

3超级电容器储能原理和等效电路模型

3.1超级电容器的储能原理

超级电容器（Super-capacitor）是近年来出现的新型储能设备. 与常规电容器相比，其容量可以达到法拉水平，甚至数千法拉. 它具有常规电容器的功率密度大，普通电池的能量密度高的优点，具有充放电时间短，循环性能好，使用寿命长，使用温度范围广，对环境无污染的特点. 因此，从某种意义上说，超级电容器具有传统电容器和电池的双重功能，弥补了两种传统技术之间的空白，具有很大的发展潜力.

超级电容器的能量存储在双电层和电极内部. 当使用直流电源为超级电容器单体充电时，电解质中的正离子和负离子会集中在固体电极的表面上，从而形成用于存储电荷的“电极/溶液”双电层.

超级电容器作为一种高功率的物理二次电源，被广泛应用于国民经济的各个领域. 超级电容器和电池可以并联用作混合动力汽车加速或启动的电源. 它们可用作诸如光电功能电子表和计算机存储器之类的小型设备的电源；在高压变电站和开关站中，使用超级电容器可确保断开. 供电绝对可靠，同时保留了传统电容式储能硅整流开关设备的优势；另外，超级电容器在光伏发电中的应用也越来越广泛. 本文利用超级电容器在光伏系统中的应用，设计了最大功率控制器来控制超级电容器的充放电.

由于超级电容器的低电压，本设计选择了5个参数分别为2400F和2.7F的超级电容器，这些电容器被串联用作储能设备，容量为480F，工作电压范围为3.5〜13.5 V ，此时超级电容器组件的能量存储为:

最大可释放能量为:

从上面的计算中可以知道，超级电容器的能量是通过其电容值和其端电压获得的超级电容器等效电路，端电容与电容值成正比，并且与端电压的平方成正比. 在使用超级电容器时，端子电压会随着充电和放电而变化.

3.2超级电容器的等效电路模型

等效电路模型对于超级电容器储能系统的分析和设计非常重要. 工程等效电路模型应能够尽可能地反映其内部物理结构特征，并且模型中的参数应易于测量.

超级电容器的最简单等效模型是仅由一个电阻-电容单元组成的RC模型，如图1所示. 如图2（a）所示，包括理想电容器C，等效串联内部电阻Rs和等效并联内部电阻Rp. 等效串联内部电阻Rs代表超级电容器的总串联内部电阻，在充电和放电期间会发生能量损失，通常以热的形式出现，并且端子电压会由于阻抗电压降而波动，并且电压纹波会出现. 等效并联内部电阻Rp反映了7个超级电容器的总泄漏，并且通常仅影响长期的能量存储过程超级电容器等效电路，也称为泄漏电阻. 文献[9]测试了超级电容器自放电电路的时间常数，该时间常数从几十小时到几百小时不等，远高于充电和放电的时间常数. 此外，在实际应用中，超级电容器通常通过功率转换器连接到电源，并且处于更快，更频繁的充电和放电周期的过程中，因此可以忽略Rp的影响. 因此，超级电容器模型可以进一步简化为理想电容器和等效串联内部电阻的串联结构，如图2（b）所示.

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