在獨立太陽(yáng)能發(fā)電系統中，為了降低成本、提高效率和可靠性，既要使光伏電池輸出最大功率，又要使蓄電池正確充放電，同時(shí)還要最大限度地利用所發(fā)電能。在目 前的光伏系統中，這三者的實(shí)現存在矛盾，通常只顧及到一個(gè)方面，如只追蹤光伏電池最大功率點(diǎn)而放棄蓄電池的最佳充放電，從而限制了系統的效率和壽命。本文 將就此問(wèn)題進(jìn)行研究探討，并設計一套高效充放電電路，提出相應的控制策略.

光伏發(fā)電系統充放電所面臨的問(wèn)題

1、光伏電池的運行特點(diǎn)

光伏電池所發(fā)功率取決于照射到其表面的太陽(yáng)輻射量。由于受到當地緯度、經(jīng)度、時(shí)間、空氣狀態(tài)及氣象條件等各種因素的影響，實(shí)際上在某個(gè)地方所能接收到的輻 射量時(shí)時(shí)刻刻都在變化著(zhù)，偶然的陰影遮蔽也會(huì )使輸出功率降低，因此，光伏電池所發(fā)功率是不斷變化的。圖1是光伏電池的I—V與P—V特性曲線(xiàn)，圖2是其輸 出變量與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)，可以看出光伏電池的輸出最大功率點(diǎn)Pmax、短路電流Isc、開(kāi)路電壓Voc隨著(zhù)輻射強度、環(huán)境溫度在不停地變化，所以，光伏發(fā) 電系統要不停地調整，以使光伏電池工作于最大功率點(diǎn)上，但這又同時(shí)使得光伏電池的輸出電流、電壓在不斷變化，即輸出功率是不斷變化的。


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2、鉛酸蓄電池充放電特性

目前，免維護鉛酸蓄電池作 為儲能設備，由于維護量小，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在光伏系統中得到大量應用。在獨立太陽(yáng)能發(fā)電系統中，其充放電方式與傳統充放電方式不同，既要因夜間帶負荷而 需要循環(huán)充放電，又要在蓄電池快充滿(mǎn)時(shí)進(jìn)行浮充。而鉛酸蓄電池有其充放電特性，如不按照其充放電特性進(jìn)行充放電就會(huì )造成損壞且效率較低，日常的合理維護措 施是必不可少的。目前，在光伏系統中蓄電池是一個(gè)薄弱環(huán)節，鉛酸蓄電池用于光伏系統后壽命縮短，限制了光伏系統的使用壽命，增加了系統的成本和維護費用。 研究發(fā)現，問(wèn)題在于蓄電池用于光伏時(shí)，充電電流較小和充電時(shí)間受限。涓流充電和部分放電容易造成電極上樹(shù)枝狀晶體的生長(cháng)，導致所謂的記憶效應，蓄電池的充 電容量將會(huì )降低;強行過(guò)充電會(huì )使電解液分解，產(chǎn)生氣體，造成電解液的丟失。也有人指出，在光伏系統中限制蓄電池壽命的主要因素是蓄電池中的酸分層。在光伏 系統中,由于蓄電池一般都處于欠充狀態(tài)，進(jìn)一步擴大了蓄電池底部和頂部的硫酸濃度之差，加劇了硫酸鹽化和容量損失。同時(shí)小電流放電下所形成的PbSO4結 晶顆粒粗大，這種結晶溶解困難，最終影響了蓄電池的壽命。在光伏系統中，蓄電池的放電率要比蓄電池應用在其他場(chǎng)合低。

光伏電池板比較昂貴，在目前的光伏發(fā)電效率下，最大限度地節約所發(fā)出的電能是降低成本的一個(gè)有效途徑，因此，要盡可能地存儲和利用所發(fā)出的電能，減少光伏 電池的空運行。而光伏系統的特點(diǎn)決定了鉛酸蓄電池欠充的可能性比較大。目前，在設計光伏系統時(shí)，將光伏電池和負載及蓄電池進(jìn)行固定匹配，同時(shí)，存在上面空 運行和欠充兩個(gè)問(wèn)題，其基本電路結構如圖3所示。DC/DC變換器的輸出端直接與蓄電池和負載相連，這樣做可以避免過(guò)充，但卻無(wú)法解決可能出現的欠充，蓄 電池缺乏有效保護，得不到最佳充電，長(cháng)此下去將導致蓄電池壽命降低，增加了系統維護費用。另外，當光伏電池輸出功率較大時(shí)，由于負載一般不隨意變化，在一 定時(shí)間段內就可能出現充電功率過(guò)大現象，需要啟動(dòng)保護電路限制充電強度，這樣勢必會(huì )造成能源浪費，間接地增加了系統發(fā)電成本。同樣，由于負載的不確定性， 在蓄電池單獨供電時(shí)就會(huì )出現所有電池單元部分放電現象，即蓄電池不能完全放電，這樣對蓄電池也是有害的。


系統拓撲結構及其控制方案

對于上述問(wèn)題，本文提出了一種新型充放電電路拓撲，采用動(dòng)態(tài)功率跟蹤匹配法加以控制。即根據實(shí)時(shí)功率差，動(dòng)態(tài)地匹配充放電的蓄電池容量(蓄電池個(gè)數)，也 就是動(dòng)態(tài)地變換系統結構，從而實(shí)現最佳充放電。系統電路如圖4所示，光伏電池經(jīng)DC/DC變換器與負載和充電電路相連。負載可以變化。充電電路由直流母線(xiàn) 和多個(gè)蓄電池充電單元組成，每個(gè)充放電單元包括雙向DC/DC變換電路Hn和蓄電池Bn兩部分。雙向DC/DC變換電路如圖5所示，蓄電池側為低壓側，能 夠實(shí)現升壓和降壓[6]。該雙向變換電路能實(shí)現高低壓側的有效電氣隔離，效率高，控制靈活。與傳統光伏系統相比，本系統運行靈活，高效可靠，整體壽命得到 提高;另一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是，容易進(jìn)行規模擴充，易實(shí)現模塊化系統集成，能夠較好地解決蓄電池在目前的光伏發(fā)電系統中所面臨的問(wèn)題。由于蓄電池組容量是可以 靈活變化的，所以，需要擴充規模時(shí)，只需增加光伏電池板、增加并聯(lián)的DC/DC變換器數目、增加蓄電池充電單元、更改控制軟件程序即可。


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本系統真正實(shí)現了在光伏電池最大功率輸出下對蓄電池進(jìn)行最佳充放電。由圖1可看出，光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓、電流在不同的情況下是 變化的。所以，在負載不變的情況下，就需要系統同時(shí)調節充電電流來(lái)協(xié)調光伏電池最大功率跟蹤，這樣才能實(shí)現光伏電池最大功率輸出。為了實(shí)現光伏電池最大功 率輸出時(shí)對蓄電池進(jìn)行最佳充放電，負載確定后，控制器同時(shí)同方向調整DC/DC變換器和充電器的占空比D，實(shí)現最佳充電，也使放電的蓄電池按最佳放電電流 放電。在光伏電池運行于最大功率點(diǎn)的前提下，本系統方案包括：

1)規定負載的最高限值，保證蓄電池能完成晚間或陰天的單獨供電。

2)充電時(shí)，同時(shí)調節光伏工作點(diǎn)跟蹤DC/DC變換器和雙向DC/DC變換器，由其動(dòng)態(tài)地確定需充電蓄電池數；

3)放電時(shí)，同樣要判斷光伏輸出功率和負載功率的最大差，以此來(lái)確定參加放電的蓄電池數；

4)充放電都要維持蓄電池的最佳充放電模式。

從圖4可以看出，直流母線(xiàn)電壓和DC/DC變換器輸出電壓及負載輸入電壓相等，總充放電電流ic為DC/DC變換器輸出電流與負載電流之差。設DC/DC 變換器輸出電壓uo，輸出電流io，輸出功率po，負載電流iL，負載功率pL，總充電電流ic，各充放電單元高壓側電流icn，低壓側電流icn′，蓄 電池電壓uBn，(n為充放電單元的個(gè)數)，則
另外，對于雙向DC/DC變換器，由功率守恒得出

(6)式中：Dn為第n個(gè)充電器的開(kāi)關(guān)占空比，充電時(shí)為高壓側開(kāi)關(guān)，放電時(shí)為低壓側開(kāi)關(guān)。

所以，測得icn′后即可得到icn，得到Ic。這樣，控制器實(shí)時(shí)采集io，uo，iL，icn′，各蓄電池端電壓uBn等各數據，得出控制命令和保護措施。

系統充放電流程圖如圖6所示。充放電之前，控制器將滿(mǎn)荷電和已被開(kāi)啟充放電的蓄電池從荷電量序列中去掉。然后按照各個(gè)蓄電池荷電多少對其余電池進(jìn)行排列， 將荷電量不滿(mǎn)且缺量最多的蓄電池Bmax作為第一個(gè)充電的電池，然后依次確定充電次序。充電器先從第一個(gè)開(kāi)始充電，即先將第一個(gè)充電器與DC/DC變換器 一起進(jìn)行協(xié)調控制。當第一個(gè)充電器的充電電流達到其蓄電池的最佳充電電流時(shí)，轉入保護充電模式，對其開(kāi)始進(jìn)行恒流充電。在蓄電池端電壓達到水解電壓(一般 為2.3V/單體，高于此值便開(kāi)始出現電池酸液水解現象)時(shí)，轉為恒壓保護充電，并對過(guò)充電壓值進(jìn)行溫度補償，溫度補償系數取-4mV/℃，直至充滿(mǎn)。然 后按照上述所說(shuō)方法開(kāi)啟第二個(gè)充電器，將其添加到被控制隊列中，依次類(lèi)推?？刂破鲄f(xié)調各個(gè)充電器，使其都盡可能處于最佳充電模式下，并盡可能將先充電的蓄 電池充滿(mǎn)。放電時(shí)與充電相似，實(shí)時(shí)計算po與pL之差，并以此計算出需放電的蓄電池數nf，計算時(shí)以單個(gè)蓄電池的最佳放電電流ifb為條件，也就是說(shuō)，由于icn′ =-ifb，nf=Ic/|icn|。放電順序與充電相同，先從荷電量最大的蓄電池開(kāi)始放電，以防荷電量小的個(gè)體電池完全放電后得不到及時(shí)再充。當po與 pL之差減小時(shí)，以相反的順序斷開(kāi)充放電單元。當所有蓄電池端電壓到達設置的放電終止電壓后，立刻停止放電，避免發(fā)生過(guò)放電?？闯?，放電控制比充電控制相對簡(jiǎn)單。

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實(shí)驗結果

為了驗證方案的有效性，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗。出于冗余考慮，實(shí)驗用了額定功率3800W的38D1010X400型光伏電池方陣，15只 100A•h(20h 率)，放電深度為60%的蓄電池和一臺1000W的負載、一臺500W的負載，每3個(gè)蓄電池串聯(lián)為一個(gè)單元。其中1000W的負載一直運行，而500W的 負載在13時(shí)加入，并在15時(shí)退出。實(shí)驗數據見(jiàn)表1，結果表明，在各充放電電流為最佳的情況下，總充放電電流仍能夠跟蹤光伏電池輸出功率的變化。最大功率 跟蹤和蓄電池充放電情況良好，只有一組蓄電池由于負載變化沒(méi)有充滿(mǎn)。系統既實(shí)現了光伏發(fā)電最大功率跟蹤，又對蓄電池實(shí)現了最佳充放電。實(shí)驗結果與理論分析 一致，證明該充放電電路拓撲及其控制方法是可行的。

 
這種新型充放電電路拓撲及其控制方法，運行靈活，能使光伏系統工作于最佳狀態(tài)，解決了光伏電池最大功率跟蹤和蓄電池最佳充電之間的沖突，提高了系統的效率和可靠性，還能用于其它新能源發(fā)電系統。

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