【導(dǎo)讀】隨著能源的逐漸消耗減少，新能源越來越成為新的關(guān)注熱點(diǎn)。太陽能作為可利用新型能源的一種，更是受到世人的關(guān)注。而其重點(diǎn)之處就是如何讓光伏電池處于最佳的狀態(tài)，通過這種情況的拓?fù)潆娐酚泻蚊孛埽屛覀円黄鹑タ匆豢?
在獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)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，同時還要最大限度地利用所發(fā)電能。在目 前的光伏系統(tǒng)中，這三者的實(shí)現(xiàn)存在矛盾，通常只顧及到一個方面，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(tǒng)的效率和壽命。本文 將就此問題進(jìn)行研究探討，并設(shè)計一套高效充放電電路，提出相應(yīng)的控制策略.光伏發(fā)電系統(tǒng)充放電所面臨的問題
1、光伏電池的運(yùn)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輻射量。由于受到當(dāng)?shù)鼐暥?、?jīng)度、時間、空氣狀態(tài)及氣象條件等各種因素的影響，實(shí)際上在某個地方所能接收到的輻 射量時時刻刻都在變化著，偶然的陰影遮蔽也會使輸出功率降低，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，圖2是其輸 出變量與溫度的關(guān)系曲線，可以看出光伏電池的輸出最大功率點(diǎn)Pmax、短路電流Isc、開路電壓Voc隨著輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度在不停地變化，所以，光伏發(fā) 電系統(tǒng)要不停地調(diào)整，以使光伏電池工作于最大功率點(diǎn)上，但這又同時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。
圖1 光伏電池的I—V和P—V特性曲線
圖2 光伏電池輸出變量Pmax，Voc和Isc的相對值（對應(yīng)于25℃時）與溫度的關(guān)系
2、鉛酸蓄電池充放電特性
目前，免維護(hù)鉛酸蓄電池作 為儲能設(shè)備，由于維護(hù)量小，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在光伏系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。在獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，其充放電方式與傳統(tǒng)充放電方式不同，既要因夜間帶負(fù)荷而 需要循環(huán)充放電，又要在蓄電池快充滿時進(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)行充放電就會造成損壞且效率較低，日常的合理維護(hù)措 施是必不可少的。目前，在光伏系統(tǒng)中蓄電池是一個薄弱環(huán)節(jié)，鉛酸蓄電池用于光伏系統(tǒng)后壽命縮短，限制了光伏系統(tǒng)的使用壽命，增加了系統(tǒng)的成本和維護(hù)費(fèi)用。 研究發(fā)現(xiàn)，問題在于蓄電池用于光伏時，充電電流較小和充電時間受限。涓流充電和部分放電容易造成電極上樹枝狀晶體的生長，導(dǎo)致所謂的記憶效應(yīng)，蓄電池的充 電容量將會降低;強(qiáng)行過充電會使電解液分解，產(chǎn)生氣體，造成電解液的丟失。也有人指出，在光伏系統(tǒng)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(tǒng)中,由于蓄電池一般都處于欠充狀態(tài)，進(jìn)一步擴(kuò)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。同時小電流放電下所形成的PbSO4結(jié) 晶顆粒粗大，這種結(jié)晶溶解困難，最終影響了蓄電池的壽命。在光伏系統(tǒng)中，蓄電池的放電率要比蓄電池應(yīng)用在其他場合低。
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(jié)約所發(fā)出的電能是降低成本的一個有效途徑，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(yùn)行。而光伏系統(tǒng)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(shè)計光伏系統(tǒng)時，將光伏電池和負(fù)載及蓄電池進(jìn)行固定匹配，同時，存在上面空 運(yùn)行和欠充兩個問題，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。DC/DC變換器的輸出端直接與蓄電池和負(fù)載相連，這樣做可以避免過充，但卻無法解決可能出現(xiàn)的欠充，蓄 電池缺乏有效保護(hù)，得不到最佳充電，長此下去將導(dǎo)致蓄電池壽命降低，增加了系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用。另外，當(dāng)光伏電池輸出功率較大時，由于負(fù)載一般不隨意變化，在一 定時間段內(nèi)就可能出現(xiàn)充電功率過大現(xiàn)象，需要啟動保護(hù)電路限制充電強(qiáng)度，這樣勢必會造成能源浪費(fèi)，間接地增加了系統(tǒng)發(fā)電成本。同樣，由于負(fù)載的不確定性， 在蓄電池單獨(dú)供電時就會出現(xiàn)所有電池單元部分放電現(xiàn)象，即蓄電池不能完全放電，這樣對蓄電池也是有害的。
圖3 傳統(tǒng)系統(tǒng)電路圖
系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方案
對于上述問題，本文提出了一種新型充放電電路拓?fù)?，采用動態(tài)功率跟蹤匹配法加以控制。即根據(jù)實(shí)時功率差，動態(tài)地匹配充放電的蓄電池容量(蓄電池個數(shù))，也 就是動態(tài)地變換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)最佳充放電。系統(tǒng)電路如圖4所示，光伏電池經(jīng)DC/DC變換器與負(fù)載和充電電路相連。負(fù)載可以變化。充電電路由直流母線 和多個蓄電池充電單元組成，每個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(cè)為低壓側(cè)，能 夠?qū)崿F(xiàn)升壓和降壓[6]。該雙向變換電路能實(shí)現(xiàn)高低壓側(cè)的有效電氣隔離，效率高，控制靈活。與傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)運(yùn)行靈活，高效可靠，整體壽命得到 提高;另一個很大的優(yōu)點(diǎn)是，容易進(jìn)行規(guī)模擴(kuò)充，易實(shí)現(xiàn)模塊化系統(tǒng)集成，能夠較好地解決蓄電池在目前的光伏發(fā)電系統(tǒng)中所面臨的問題。由于蓄電池組容量是可以 靈活變化的，所以，需要擴(kuò)充規(guī)模時，只需增加光伏電池板、增加并聯(lián)的DC/DC變換器數(shù)目、增加蓄電池充電單元、更改控制軟件程序即可。
圖4 系統(tǒng)電路圖
圖5 雙向DC/DC變換器
本系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)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(fù)載不變的情況下，就需要系統(tǒng)同時調(diào)節(jié)充電電流來協(xié)調(diào)光伏電池最大功率跟蹤，這樣才能實(shí)現(xiàn)光伏電池最大功率輸出。為了實(shí)現(xiàn)光伏電池最大功 率輸出時對蓄電池進(jìn)行最佳充放電，負(fù)載確定后，控制器同時同方向調(diào)整DC/DC變換器和充電器的占空比D，實(shí)現(xiàn)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(yùn)行于最大功率點(diǎn)的前提下，本系統(tǒng)方案包括：
1)規(guī)定負(fù)載的最高限值，保證蓄電池能完成晚間或陰天的單獨(dú)供電。
2)充電時，同時調(diào)節(jié)光伏工作點(diǎn)跟蹤DC/DC變換器和雙向DC/DC變換器，由其動態(tài)地確定需充電蓄電池數(shù)；
3)放電時，同樣要判斷光伏輸出功率和負(fù)載功率的最大差，以此來確定參加放電的蓄電池數(shù)；
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，直流母線電壓和DC/DC變換器輸出電壓及負(fù)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(fù)載電流之差。設(shè)DC/DC 變換器輸出電壓uo，輸出電流io，輸出功率po，負(fù)載電流iL，負(fù)載功率pL，總充電電流ic，各充放電單元高壓側(cè)電流icn，低壓側(cè)電流icn′，蓄 電池電壓uBn，(n為充放電單元的個數(shù))，則
Po=uoio，PL=uoiL(1)
ic=io-iL= icn
u1i1=u2i2(3)
u1i1=u2i2(3)又占空比D=ton/T，則：
(4) 
icn=i1=
ic=
開關(guān)占空比，充電時為高壓側(cè)開關(guān)，放電時為低壓側(cè)開關(guān)。
所以，測得icn′后即可得到icn，得到Ic。這樣，控制器實(shí)時采集io，uo，iL，icn′，各蓄電池端電壓uBn等各數(shù)據(jù)，得出控制命令和保護(hù)措施。
系統(tǒng)充放電流程圖如圖6所示。充放電之前，控制器將滿荷電和已被開啟充放電的蓄電池從荷電量序列中去掉。然后按照各個蓄電池荷電多少對其余電池進(jìn)行排列， 將荷電量不滿且缺量最多的蓄電池Bmax作為第一個充電的電池，然后依次確定充電次序。充電器先從第一個開始充電，即先將第一個充電器與DC/DC變換器 一起進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。當(dāng)?shù)谝粋€充電器的充電電流達(dá)到其蓄電池的最佳充電電流時，轉(zhuǎn)入保護(hù)充電模式，對其開始進(jìn)行恒流充電。在蓄電池端電壓達(dá)到水解電壓(一般 為2.3V/單體，高于此值便開始出現(xiàn)電池酸液水解現(xiàn)象)時，轉(zhuǎn)為恒壓保護(hù)充電，并對過充電壓值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償系數(shù)取-4mV/℃，直至充滿。然 后按照上述所說方法開啟第二個充電器，將其添加到被控制隊列中，依次類推?？刂破鲄f(xié)調(diào)各個充電器，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。放電時與充電相似，實(shí)時計算po與pL之差，并以此計算出需放電的蓄電池數(shù)nf，計算時以單個蓄電池的最佳放電電流ifb為條件，也就是說，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始放電，以防荷電量小的個體電池完全放電后得不到及時再充。當(dāng)po與 pL之差減小時，以相反的順序斷開充放電單元。當(dāng)所有蓄電池端電壓到達(dá)設(shè)置的放電終止電壓后，立刻停止放電，避免發(fā)生過放電?？闯觯烹娍刂票瘸潆娍刂葡鄬唵?。
圖6 充放電系統(tǒng)運(yùn)行流程圖
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實(shí)驗結(jié)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(fù)載、一臺500W的負(fù)載，每3個蓄電池串聯(lián)為一個單元。其中1000W的負(fù)載一直運(yùn)行，而500W的 負(fù)載在13時加入，并在15時退出。實(shí)驗數(shù)據(jù)見表1，結(jié)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(fù)載變化沒有充滿。系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電最大功率跟蹤，又對蓄電池實(shí)現(xiàn)了最佳充放電。實(shí)驗結(jié)果與理論分析 一致，證明該充放電電路拓?fù)浼捌淇刂品椒ㄊ强尚械摹?
表1 實(shí)驗數(shù)據(jù)
這種新型充放電電路拓?fù)浼捌淇刂品椒?，運(yùn)行靈活，能使光伏系統(tǒng)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(tǒng)的效率和可靠性，還能用于其它新能源發(fā)電系統(tǒng)。
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icn=i1=
ic=開關(guān)占空比，充電時為高壓側(cè)開關(guān)，放電時為低壓側(cè)開關(guān)。所以，測得icn′后即可得到icn，得到Ic。這樣，控制器實(shí)時采集io，uo，iL，icn′，各蓄電池端電壓uBn等各數(shù)據(jù)，得出控制命令和保護(hù)措施。
系統(tǒng)充放電流程圖如圖6所示。充放電之前，控制器將滿荷電和已被開啟充放電的蓄電池從荷電量序列中去掉。然后按照各個蓄電池荷電多少對其余電池進(jìn)行排列， 將荷電量不滿且缺量最多的蓄電池Bmax作為第一個充電的電池，然后依次確定充電次序。充電器先從第一個開始充電，即先將第一個充電器與DC/DC變換器 一起進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。當(dāng)?shù)谝粋€充電器的充電電流達(dá)到其蓄電池的最佳充電電流時，轉(zhuǎn)入保護(hù)充電模式，對其開始進(jìn)行恒流充電。在蓄電池端電壓達(dá)到水解電壓(一般 為2.3V/單體，高于此值便開始出現(xiàn)電池酸液水解現(xiàn)象)時，轉(zhuǎn)為恒壓保護(hù)充電，并對過充電壓值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償系數(shù)取-4mV/℃，直至充滿。然 后按照上述所說方法開啟第二個充電器，將其添加到被控制隊列中，依次類推?？刂破鲄f(xié)調(diào)各個充電器，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。放電時與充電相似，實(shí)時計算po與pL之差，并以此計算出需放電的蓄電池數(shù)nf，計算時以單個蓄電池的最佳放電電流ifb為條件，也就是說，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始放電，以防荷電量小的個體電池完全放電后得不到及時再充。當(dāng)po與 pL之差減小時，以相反的順序斷開充放電單元。當(dāng)所有蓄電池端電壓到達(dá)設(shè)置的放電終止電壓后，立刻停止放電，避免發(fā)生過放電?？闯觯烹娍刂票瘸潆娍刂葡鄬唵?。
圖6 充放電系統(tǒng)運(yùn)行流程圖
實(shí)驗結(jié)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(fù)載、一臺500W的負(fù)載，每3個蓄電池串聯(lián)為一個單元。其中1000W的負(fù)載一直運(yùn)行，而500W的 負(fù)載在13時加入，并在15時退出。實(shí)驗數(shù)據(jù)見表1，結(jié)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(fù)載變化沒有充滿。系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電最大功率跟蹤，又對蓄電池實(shí)現(xiàn)了最佳充放電。實(shí)驗結(jié)果與理論分析 一致，證明該充放電電路拓?fù)浼捌淇刂品椒ㄊ强尚械摹?
表1 實(shí)驗數(shù)據(jù)
這種新型充放電電路拓?fù)浼捌淇刂品椒?，運(yùn)行靈活，能使光伏系統(tǒng)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(tǒng)的效率和可靠性，還能用于其它新能源發(fā)電系統(tǒng)。
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