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[導(dǎo)讀]摘要:提出了一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)。 關(guān)鍵詞

摘要:提出了一種新型充放電電路拓?fù)?/strong>及其控制方法,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)。

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。

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(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IVPV特性曲線[1],圖2是其輸出變量與溫度的關(guān)系曲線[1],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。

圖1    光伏電池的IVPV特性曲線

圖2    光伏電池輸出變量Pmax,VocIsc的相對值(對應(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[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。

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(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

    Po=uoio,PL=uoiL(1)

    ic=ioiL=icn(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=ton/T,則

    (4)

    icn=i1=i2=icn′(5)

    ic=icn′(6)

式中:Dn為第n個(gè)充電器的開關(guān)占空比,充電時(shí)為高壓側(cè)開關(guān),放電時(shí)為低壓側(cè)開關(guān)。 [!--empirenews.page--]

    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,uoiL,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(gè)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(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(shí),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(gè)充電器,將其添加到被控制隊(duì)列中,依次類推??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。放電時(shí)與充電相似,實(shí)時(shí)計(jì)算popL之差,并以此計(jì)算出需放電的蓄電池?cái)?shù)nf,計(jì)算時(shí)以單個(gè)蓄電池的最佳放電電流ifb為條件,即icn′=-ifbnf=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(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??梢钥闯觯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

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(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。

表1    實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù)

時(shí)間 光伏電池輸出功率/kW 充電電流ic/A
5:00 0 -10
10:00 1.75 7.49
13:00 2.40 13.98
14:00 2.25 7.46
15:00 1.82 8.19
18:00 0.38 -6.19

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