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(shí)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(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(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(jì)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(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，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，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(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(hù)鉛酸蓄電池作 為儲(chǔ)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(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(hù)措 施是必不可少的。目前，在光伏系統(tǒng)中蓄電池是一個(gè)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(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(huì)降低;強(qiáng)行過充電會(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(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(shí)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(gè)有效途徑，因此，要盡可能地存儲(chǔ)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(jì)光伏系統(tǒng)時(shí)，將光伏電池和負(fù)載及蓄電池進(jìn)行固定匹配，同時(shí)，存在上面空 運(yùn)行和欠充兩個(gè)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(shí)，由于負(fù)載一般不隨意變化，在一 定時(shí)間段內(nèi)就可能出現(xiàn)充電功率過大現(xiàn)象，需要啟動(dòng)保護(hù)電路限制充電強(qiáng)度，這樣勢必會(huì)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(shí)就會(huì)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(duì)蓄電池也是有害的。


系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方案

對(duì)于上述問題，本文提出了一種新型充放電電路拓?fù)?，采用?dòng)態(tài)功率跟蹤匹配法加以控制。即根據(jù)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(shù))，也 就是動(dòng)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(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(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(gè)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(shí)，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。


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本系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了在光伏電池最大功率輸出下對(duì)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(shí)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(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行最佳充放電，負(fù)載確定后，控制器同時(shí)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(shí)，同時(shí)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(dòng)態(tài)地確定需充電蓄電池?cái)?shù)；

3)放電時(shí)，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?cái)?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(gè)數(shù))，則