一種新型獨立太陽(yáng)能發(fā)電系統充放電電路拓撲

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，提高了系統的效率和可靠性，還能用于其它新能源發(fā)電系統。

關(guān)鍵詞：光伏系統；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

在獨立太陽(yáng)能發(fā)電系統中，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。在目前的光伏系統中，這三者的實(shí)現存在矛盾，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，從而限制了系統的效率和壽命。本文將就此問(wèn)題進(jìn)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)電系統充放電所面臨的問(wèn)題

2.1 光伏電池的運行特點(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。由于受到當地緯度、經(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(zhù)，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(zhù)輻射強度、環(huán)境溫度在不停地變化，所以，光伏發(fā)電系統要不停地調整，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的相對值（對應于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(diǎn)，在光伏系統中得到大量應用。在獨立太陽(yáng)能發(fā)電系統中，其充放電方式與傳統充放電方式不同，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(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，日常的合理維護措施是必不可少的。目前，在光伏系統中蓄電池是一個(gè)薄弱環(huán)節，鉛酸蓄電池用于光伏系統后壽命縮短，限制了光伏系統的使用壽命，增加了系統的成本和維護費用。研究發(fā)現，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(cháng)，導致所謂的記憶效應，蓄電池的充電容量將會(huì )降低；強行過(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。在光伏系統中,由于蓄電池一般都處于欠充狀態(tài)，進(jìn)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(shí)小電流放電下所形成的PbSO4結晶顆粒粗大，這種結晶溶解困難，最終影響了蓄電池的壽命。在光伏系統中，蓄電池的放電率要比蓄電池應用在其他場(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，在設計光伏系統時(shí)，將光伏電池和負載及蓄電池進(jìn)行固定匹配[4][5]，同時(shí)，存在上面空運行和欠充兩個(gè)問(wèn)題，其基本電路結構如圖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(guò)充，但卻無(wú)法解決可能出現的欠充，蓄電池缺乏有效保護，得不到最佳充電，長(cháng)此下去將導致蓄電池壽命降低，增加了系統維護費用。另外，當光伏電池輸出功率較大時(shí)，由于負載一般不隨意變化，在一定時(shí)間段內就可能出現充電功率過(guò)大現象，需要啟動(dòng)保護電路限制充電強度，這樣勢必會(huì )造成能源浪費，間接地增加了系統發(fā)電成本。同樣，由于負載的不確定性，在蓄電池單獨供電時(shí)就會(huì )出現所有電池單元部分放電現象，即蓄電池不能完全放電，這樣對蓄電池也是有害的。

圖3 傳統系統電路圖