關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；雙向充放電電路；動(dòng)態(tài)功率跟蹤匹配；鉛酸蓄電池

1    引言

    在獨(dú)立太陽(yáng)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(wèn)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。

2    光伏發(fā)電系統(tǒng)充放電所面臨的問(wèn)題

2.1    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(yáng)輻射量。由于受到當(dāng)?shù)鼐暥取⒔?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(xiàn)[1]，圖2是其輸出變量與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)[1]，可以看出光伏電池的輸出最大功率點(diǎn)P_max、短路電流I_sc、開(kāi)路電壓V_oc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。

圖1    光伏電池的I—V和P—V特性曲線(xiàn)

圖2    光伏電池輸出變量P_max，V_oc和I_sc的相對(duì)值（對(duì)應(yīng)于25℃時(shí)）與溫度的關(guān)系

2.2    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(yáng)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(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(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(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(zhǎng)，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(guò)充電會(huì)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(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(chǎng)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(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[4][5]，同時(shí)，存在上面空運(yùn)行和欠充兩個(gè)問(wèn)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(guò)充，但卻無(wú)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(zhǎng)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(guò)大現(xiàn)象，需要啟動(dòng)保護(hù)電路限制充電強(qiáng)度，這樣勢(shì)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。

圖3    傳統(tǒng)系統(tǒng)電路圖  [!--empirenews.page--]

3    系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方案

    對(duì)于上述問(wèn)題，本文提出了一種新型充放電電路拓?fù)洌捎脛?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(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(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(wèn)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。

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(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(lái)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(lái)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(xiàn)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i_c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u_o，輸出電流i_o，輸出功率p_o，負(fù)載電流i_L，負(fù)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(gè)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(duì)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(gè)充電器的開(kāi)關(guān)占空比，充電時(shí)為高壓側(cè)開(kāi)關(guān)，放電時(shí)為低壓側(cè)開(kāi)關(guān)。

    所以，測(cè)得i_cn′后即可得到i_cn，得到I_c。這樣，控制器實(shí)時(shí)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(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(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(duì)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B_max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(diào)控制。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)充電器的充電電流達(dá)到其蓄電池的最佳充電電流時(shí)，轉(zhuǎn)入保護(hù)充電模式，對(duì)其開(kāi)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(kāi)始出現(xiàn)電池酸液水解現(xiàn)象）時(shí)，轉(zhuǎn)為恒壓保護(hù)充電，并對(duì)過(guò)充電壓值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償系數(shù)?。?mV/℃，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(duì)列中，依次類(lèi)推?？刂破鲄f(xié)調(diào)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(jì)算p_o與p_L之差，并以此計(jì)算出需放電的蓄電池?cái)?shù)n_f，計(jì)算時(shí)以單個(gè)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(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(dāng)po與pL之差減小時(shí)，以相反的順序斷開(kāi)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(guò)放電。可以看出，放電控制比充電控制相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖6    充放電系統(tǒng)運(yùn)行流程圖 [!--empirenews.page--]

4    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    為了驗(yàn)證方案的有效性，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。出于冗余考慮，實(shí)驗(yàn)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(tái)1000W的負(fù)載、一臺(tái)500W的負(fù)載，每3個(gè)蓄電池串聯(lián)為一個(gè)單元。其中1000W的負(fù)載一直運(yùn)行，而500W的負(fù)載在13時(shí)加入，并在15時(shí)退出。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(méi)有充滿(mǎn)。系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電最大功率跟蹤，又對(duì)蓄電池實(shí)現(xiàn)了最佳充放電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，證明該充放電電路拓?fù)?/strong>及其控制方法是可行的。