一種新型獨立太陽能發(fā)電系統(tǒng)充放電電路拓撲

摘要：提出了一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(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)。

關鍵詞：光伏系統(tǒng)；雙向充放電電路；動態(tài)功率跟蹤匹配；鉛酸蓄電池

1??? 引言

??? 在獨立太陽能發(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。

2??? 光伏發(fā)電系統(tǒng)充放電所面臨的問題

2.1??? 光伏電池的運行特點

??? 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?shù)鼐暥取⒔?jīng)度、時間、空氣狀態(tài)及氣象條件等各種因素的影響，實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[1]，圖2是其輸出變量與溫度的關系曲線[1]，可以看出光伏電池的輸出最大功率點P_max、短路電流I_sc、開路電壓V_oc隨著輻射強度、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P_max，V_oc和I_sc的相對值（對應于25℃時）與溫度的關系

2.2??? 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，在光伏系統(tǒng)中得到大量應用。在獨立太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，其充放電方式與傳統(tǒng)充放電方式不同，既要因夜間帶負荷而需要循環(huán)充放電，又要在蓄電池快充滿時進行浮充。而鉛酸蓄電池有其充放電特性，如不按照其充放電特性進行充放電就會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(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)的成本和維護費用。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，導致所謂的記憶效應，蓄電池的充電容量將會降低；強行過充電會使電解液分解，產(chǎn)生氣體，造成電解液的丟失[2]。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用在其他場合低[3]。

??? 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行。而光伏系統(tǒng)的特點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(tǒng)時，將光伏電池和負載及蓄電池進行固定匹配[4][5]，同時，存在上面空運行和欠充兩個問題，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，得不到最佳充電，長此下去將導致蓄電池壽命降低，增加了系統(tǒng)維護費用。另外，當光伏電池輸出功率較大時，由于負載一般不隨意變化，在一定時間段內(nèi)就可能出現(xiàn)充電功率過大現(xiàn)象，需要啟動保護電路限制充電強度，這樣勢必會造成能源浪費，間接地增加了系統(tǒng)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

3??? 系統(tǒng)拓撲結(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撲，采用動態(tài)功率跟蹤匹配法加以控制。即根據(jù)實時功率差，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變換器與負載和充電電路相連。負載可以變化。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H_n和蓄電池B_n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)運行靈活，高效可靠，整體壽命得到提高；另一個很大的優(yōu)點是，容易進行規(guī)模擴充，易實現(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)真正實現(xiàn)了在光伏電池最大功率輸出下對蓄電池進行最佳充放電。由圖1可看出，光伏電池的最大功率點電壓、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(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，這樣才能實現(xiàn)光伏電池最大功率輸出。為了實現(xiàn)光伏電池最大功率輸出時對蓄電池進行最佳充放電，負載確定后，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。在光伏電池運行于最大功率點的前提下，本系統(tǒng)方案包括：

??? 1）規(guī)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，同時調(diào)節(jié)光伏工作點跟蹤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載輸入電壓相等，總充放電電流i_c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u_o，輸出電流i_o，輸出功率p_o，負載電流i_L，負載功率p_L，總充電電流i_c，各充放電單元高壓側(cè)電流i_cn，低壓側(cè)電流i_cn′，蓄電池電壓u_Bn，（n為充放電單元的個數(shù)），則

??? P_o=u_oi_o，P_L=u_oi_L（1）

??? i_c=i_o－i_L=i_cn（2）

??? 另外，對于雙向DC/DC變換器，由功率守恒得出

??? u₁i₁=u₂i₂（3）

又占空比D=t_on/T，則

??? （4）

??? i_cn=i₁=i₂=i_cn′（5）

??? i_c=i_cn′（6）

式中：D_n為第n個充電器的開關占空比，充電時為高壓側(cè)開關，放電時為低壓側(cè)開關。

??? 所以，測得i_cn′后即可得到i_cn，得到I_c。這樣，控制器實時采集i_o，u_o，i_L，i_cn′，各蓄電池端電壓u_Bn等各數(shù)據(jù)，得出控制命令和保護措施。

??? 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行排列，將荷電量不滿且缺量最多的蓄電池B_max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變換器一起進行協(xié)調(diào)控制。當?shù)谝粋€充電器的充電電流達到其蓄電池的最佳充電電流時，轉(zhuǎn)入保護充電模式，對其開始進行恒流充電。在蓄電池端電壓達到水解電壓（一般為2.3V/單體，高于此值便開始出現(xiàn)電池酸液水解現(xiàn)象）時，轉(zhuǎn)為恒壓保護充電，并對過充電壓值進行溫度補償，溫度補償系數(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。控制器協(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，實時計算p_o與p_L之差，并以此計算出需放電的蓄電池數(shù)n_f，計算時以單個蓄電池的最佳放電電流i_fb為條件，即i_cn′=－i_fb，n_f=I_c/|i_cn|。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po與pL之差減小時，以相反的順序斷開充放電單元。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)生過放電。可以看出，放電控制比充電控制相對簡單。

圖6??? 充放電系統(tǒng)運行流程圖

4??? 實驗結(jié)果

??? 為了驗證方案的有效性，進行了相關實驗。出于冗余考慮，實驗用了額定功率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個蓄電池串聯(lián)為一個單元。其中1000W的負載一直運行，而500W的負載在13時加入，并在15時退出。實驗數(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載變化沒有充滿。系統(tǒng)既實現(xiàn)了光伏發(fā)電最大功率跟蹤，又對蓄電池實現(xiàn)了最佳充放電。實驗結(jié)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。

表1??? 實 驗 數(shù) 據(jù)