獨立光伏系統的應用及控制策略探討

本文分析了獨立光伏系統在解決邊防海島部隊供電難題和生態(tài)營(yíng)區建設等方面的應用，討論了獨立光伏系統存在的主要問(wèn)題，分析了能量控制策略的現狀和蓄電池分組控制策略，給出了分組原則，研究了控制電路的結構和原理。實(shí)踐證明，分組充放電對于提高供電可靠性，延長(cháng)蓄電池壽命有一定的現實(shí)意義。

　　關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能 生態(tài)營(yíng)區 光伏系統 分組策略

一、引言

　　近年來(lái)隨著(zhù)環(huán)境污染的不斷加劇，環(huán)保意識的不斷提高，人們對能源和環(huán)境問(wèn)題日益關(guān)注，新能源的開(kāi)發(fā)和應用取得了飛速的發(fā)展，其中以太陽(yáng)能在軍地的應用最為廣泛。太陽(yáng)能發(fā)電在解決邊遠山區和邊防海島連隊供電難題中發(fā)揮了很大的作用，尤其是在總部提出構建“生態(tài)營(yíng)區”的要求以后，太陽(yáng)能同樣在部隊“生態(tài)營(yíng)區”建設中發(fā)揮了重要作用，主要以光伏發(fā)電系統和太陽(yáng)能熱水系統為主，包括太陽(yáng)能景觀(guān)燈、太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能發(fā)電系統、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能海水淡化系統等，都取得了廣泛的應用。

　　通過(guò)對光伏系統在部隊應用的廣泛調研，分析整理資料和建議，得到三點(diǎn)啟示：一是光伏系統在部隊的應用會(huì )越來(lái)越廣泛，以解決偏遠營(yíng)區的供電為主，其他多種形式的應用發(fā)展迅速；二是獨立光伏系統中的能量控制策略過(guò)于簡(jiǎn)單，沒(méi)有根據系統的容量大小進(jìn)行具體的設計，造成能量的利用效率較低，儲能蓄電池容易失效，運行成本較高；三是實(shí)行儲能系統的分組充放電，能夠有效地提高供電可靠性。

　　本文將對獨立光伏系統在軍營(yíng)中的應用進(jìn)行研究分析，同時(shí)對系統的能量控制策略進(jìn)行研究，提出一種分組充放電控制策略，為解決光伏系統應用中存在的問(wèn)題，提供了很好的參考。

　　二、光伏系統在軍營(yíng)中的應用

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，現在戰爭對于后勤電力的保障提出了更高的要求，要求我們必須拓展多種供電渠道，研究多種供電保障方式，以滿(mǎn)足各種復雜條件下的供電要求；同時(shí)由于社會(huì )生活水平的不斷提高，官兵對于居住環(huán)境也有了更高的要求，環(huán)保、綠色的軍營(yíng)更能營(yíng)造一種積極健康的生活形態(tài)，同時(shí)激發(fā)官兵愛(ài)崗敬業(yè)的意識，而太陽(yáng)能作為一種綠色能源，正好滿(mǎn)足了以上要求。太陽(yáng)能作為一種清潔、環(huán)保、綠色能源，在部隊建設中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用，通過(guò)對光伏系統的應用調研，光伏發(fā)電在部隊主要的應用和意義有以下五個(gè)方面：

　　1．解決了邊防和海島連隊的供電保障難題。我軍很多駐扎在邊防和海島的連隊，以及很多駐地遠離大電網(wǎng)的部隊營(yíng)區，基本上都存在著(zhù)供電保障難的問(wèn)題。目前，其用電主要是通過(guò)自備的發(fā)電機（組）來(lái)解決。很顯然，這一方案存在發(fā)電成本較高、噪音大、污染環(huán)境、燃料運輸成本高等的不足。隨著(zhù)新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，改善這些部隊平時(shí)和戰時(shí)的供電條件，已經(jīng)越來(lái)越重要，其中以獨立光伏發(fā)電系統和小型風(fēng)力發(fā)電系統應用最為廣泛。建設一個(gè)小型的獨立光伏電站不但可以解決供電問(wèn)題，同時(shí)可以減少運輸燃油的費用，降低對于燃油的依賴(lài)。

　　2．戶(hù)外獨立工作站點(diǎn)的供電。對于各種微波中繼站、戶(hù)外檢測點(diǎn)和航海燈塔等戶(hù)外獨立工作設備，常常遠離電網(wǎng)，電網(wǎng)的延伸供電困難重重，光伏系統能夠很好的解決這類(lèi)室外工作站點(diǎn)的電源供電問(wèn)題。

　　3．在部隊“生態(tài)營(yíng)區”建設中應用廣泛。部隊營(yíng)區的改造和建設都以生態(tài)營(yíng)區、環(huán)保營(yíng)區、綠色營(yíng)區為目標，一般都會(huì )根據營(yíng)區所在地的自然環(huán)境條件進(jìn)行新能源項目的論證，主要包括太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能景觀(guān)燈、光伏發(fā)電系統、風(fēng)力發(fā)電等，其中以太陽(yáng)能景觀(guān)燈的應用最廣泛。

　　4．為探索后勤供電保障的新方法提供了思路。拓展各種供電渠道，研究多種供電方式，光伏發(fā)電系統為現階段探索后勤供電保障的新方法提供了思路。例如綜合應用薄膜太陽(yáng)能電池和新型儲能裝置（超級電容），開(kāi)發(fā)小容量的移動(dòng)太陽(yáng)能發(fā)電裝置就具有重要的意義，而目前小型太陽(yáng)能數碼充電器已經(jīng)在為手機、數碼相機、筆記本充電中取得了一定的應用，成為戶(hù)外數碼產(chǎn)品輔助備用電源的首選。

　　5．為開(kāi)發(fā)其他新能源系統提供了很好的參考。光伏發(fā)電系統的投建，對于其他多能源的開(kāi)發(fā)和應用具有良好的參考作用，也可以不斷地提高官兵的環(huán)境保護意識、節約資源意識。同時(shí)，對于開(kāi)發(fā)和應用其他新能源系統，如風(fēng)光互補系統，也可以提供很好的應用參考。

　　三、獨立光伏系統的應用分析

　　1．獨立光伏系統面臨的主要問(wèn)題

　　一個(gè)典型的獨立光伏發(fā)電系統結構框圖如圖1，包括太陽(yáng)能陣列、DC/DC變換器、控制器、蓄電池以及用于交流負載的逆變器，其中虛線(xiàn)所示為備選結構，有交流負載時(shí)選用。根據系統的電壓設計要求，選擇合適的DC/DC變換電路，同時(shí)能夠跟蹤最大功率點(diǎn)，實(shí)現負載匹配。光伏系統的核心部件在于控制器，主要作用有兩點(diǎn)：一是防止蓄電池過(guò)充電和過(guò)放電，并對供電系統進(jìn)行全面的監測、管理、控制和保護；二是實(shí)現系統的能量控制策略，控制DC/DC變換電路工作^[1]。

　　獨立光伏發(fā)電系統目前面臨以下兩個(gè)問(wèn)題：一是能量密度不高，整體的利用效率較低，前期的投資較大；二是獨立發(fā)電系統的儲能裝置一般以鉛酸蓄電池為主，蓄電池成本占光伏電站初始設備成本的25％左右，而對于蓄電池的充放電控制比較簡(jiǎn)單，容易導致蓄電池提前失效，增加了系統的運行成本^[2]。蓄電池在20年的運行周期中占投資費用的43%，大多數蓄電池并不能達到設計的使用壽命，除了蓄電池本身的缺陷和管理維護不到位外，蓄電池運行管理不合理是導致蓄電池提前失效的重要原因^[3]。因此對于獨立發(fā)電系統，提高能量利用率，研究科學(xué)的系統能量控制策略，可以降低獨立光伏系統的投資費用。

　　2．控制策略的現狀分析

　　在太陽(yáng)能光伏系統的發(fā)展過(guò)程中，從直接連接發(fā)展到應用電能變換器、微處理器和電腦監控的綜合控制系統，尤其是隨著(zhù)微處理器技術(shù)和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，能量利用的效率逐漸提高。從近幾年國內外公開(kāi)發(fā)表比較典型的文獻來(lái)看^[4-6]，主要研究光伏系統充放電控制策略和能量管理，其中蓄電池的充放電控制、功率跟蹤控制、控制器設計三個(gè)方面的獨立研究較多，存在的問(wèn)題主要有以下三點(diǎn)：（1）光伏組件的功率跟蹤與蓄電池荷電狀態(tài)之間的配合控制關(guān)系簡(jiǎn)單，常用的階段性控制策略有待改進(jìn)；（2）對于蓄電池的分組充放電管理，缺少詳細的設計；（3）獨立光伏系統蓄電池的充放電控制、功率跟蹤控制、控制器設計三者之間沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的綜合性能量控制策略。

　　本文針對上面提出的第二個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，主要從獨立光伏系統在軍營(yíng)電力供應中的應用入手，對分組的原則和控制進(jìn)行了探討。實(shí)際系統中的負荷分為重要負荷和一般負荷，重要負荷對于供電的可靠性要求很高，而蓄電池的分組充放電策略對于電力負荷分級供電具有很大的現實(shí)意義。

四、分組充放電控制策略分析

　　1．分組策略的提出

　　為了加強對蓄電池的充放電管理，同時(shí)提高對負荷的供電可靠性，可以對光伏系統中的蓄電池進(jìn)行分組管理，使其變成多個(gè)容量較小的蓄電池組，主要基于以下幾個(gè)原因：

　?。?）提高充電電流，有效地利用太陽(yáng)能陣列的能量，減小長(cháng)期的小電流放電和小電流充電對蓄電池帶來(lái)的不良影響，避免小電流放電產(chǎn)生大的結晶；

　?。?）蓄電池在大電流放電后的接收電流能力較強，因此分組可以適當增加充電的效率；

　?。?）分組能夠實(shí)現對于蓄電池組的維護性充電，在光照條件和蓄電池容量允許的條件對于蓄電池進(jìn)行維護性的均衡充電，適當的過(guò)充能夠避免電池電解液的分層；

　?。?）能夠實(shí)現充電的同時(shí)，又能為白天需要保證的重要負載放電。

　　2．分組管理的原則

　　蓄電池分組要考慮整個(gè)系統的設計容量，綜合考慮光伏陣列在最大太陽(yáng)輻射下的最大輸出電流與蓄電池組的最大可充電電流的關(guān)系，分組的主要原則如下：

　?。?）系統光伏陣列最大輸出電流要小于蓄電池組的最大可充電電流。主要是針對蓄電池的荷電狀態(tài)較低時(shí)的充電接收能力而言，可接受的充電電流稍微大于陣列的最大輸出電流；

　?。?）分組要考慮系統中負載的大小，放電電流在廠(chǎng)家規定的放電率附近，以一個(gè)工作日放電容量占蓄電池小組容量的20%左右為宜；

　?。?）分組要考慮控制系統的設計與實(shí)現，不宜太多，一般不超過(guò)3組，以2~3組為宜。

　　3．分組控制電路的結構分析

　　以分兩組為例，控制的策略如下：首先預測容量，對于容量較小的蓄電池組先充電，同時(shí)允許另一組放電；在線(xiàn)判斷兩組容量的變化，當兩組容量相差達到30%以上時(shí)，進(jìn)行充電和放電（或者靜置）狀態(tài)的切換；結合系統的控制策略，達到均衡充放電的目的，同時(shí)在系統的荷電狀態(tài)較低時(shí)，應輸出低荷電狀態(tài)提示，結合負載的分級限制輸出電流，分組控制電路結構如圖2所示。

　　圖2中KM1、KM2、KM3、KM4為充放電控制繼電器，電路中接入常開(kāi)觸點(diǎn)，KM3為輔助常閉觸點(diǎn)，電路主要是實(shí)現上面提出的控制策略，選擇電壓和電流滿(mǎn)足要求的繼電器可以實(shí)現控制的要求，控制指令如表1所示。

表1 分組充放電控制繼電器指令表

　　以上的控制系統雖然能夠考慮所有的工作情況，但是控制復雜，對于千瓦級的系統，效果較好，對于容量較小的光伏系統，簡(jiǎn)化系統中的控制環(huán)節，一種簡(jiǎn)化的工作狀態(tài)如下圖3所示，簡(jiǎn)化的分組充放電控制指令如表2所示。

　　在實(shí)際的系統中，應該結合系統的實(shí)際設計容量和負載的要求，具體選擇合理的控制方案，分組控制策略在實(shí)際的控制中很容易實(shí)現。在某營(yíng)區光伏電站的項目設計中，我們應用了分組充放電控制策略，得到了很好的效果。

　　五、結論

　　隨著(zhù)軍隊后勤建設的不斷發(fā)展，官兵環(huán)保意識的不斷增強，光伏系統工程技術(shù)水平的不斷提高，光伏發(fā)電系統必將在軍隊取得越來(lái)越多地應用。本文提出的分組充放電管理，對于提高光伏系統供電可靠性具有現實(shí)意義。同時(shí)，不斷優(yōu)化光伏系統的控制策略，研究光伏系統能量跟蹤的規律，研制智能化程度較高的光伏系統控制器，對推動(dòng)光伏系統的深入應用具有重大的作用