混合可再生能源系统中基于超级电容的储能系统的性能评估

《Scientific Reports》：Performance evaluation of supercapacitor-based energy storage systems in hybrid renewable energy configurations

　　

摘要

独立式及混合式可再生能源系统常常面临电网不稳定、发电间歇性以及负荷难以预测等问题，因此需要具备快速响应能力的储能技术来弥补传统电池的不足。本研究通过仿真、原型开发以及实验验证，对基于超级电容的混合储能系统进行了评估。利用MATLAB/Simulink建立了模型，模拟了将超级电容与铅酸电池、锂离子电池结合的混合系统中的充放电动态及能量分配情况。此外，还制作了实验室级别的原型装置（包含太阳能板、直流负载，以及带有XBee模块的Arduino控制器，可实现实时无线监控），并在负荷变化和环境条件不同的情况下对其进行了测试。关键性能指标包括电压调节能力（稳态偏差）、瞬态响应时间、峰值功率处理能力以及电池负担减轻程度。实验结果表明，在负荷突变时，该系统的电压调节效果更好，偏差可控制在2%以内（而仅使用电池时偏差超过10%）；瞬态响应时间可降至50毫秒以内；还能有效应对高达额定负荷5倍的峰值负荷。超级电容能够应对高频瞬变情况，使电池的电流峰值降低70%，同时延长其使用寿命。来自多种测试场景的实时数据表明，该系统的功率传输稳定，各组件之间的协同工作高效。这些研究结果充分体现了在可再生能源及离网系统中应用超级电容所带来的可靠性提升和性能优化优势。