基于光伏发电系统的蓄电池和控制器的研究和设计

    王娜　李勇　吕跃凤　徐兵

    

    

    摘 要：光伏蓄电池是系统造价最贵的部分，而控制器这是整个系统的核心。通过分析太阳能蓄电池和控制器的性能和特点，给出太阳能蓄电池和控制器设计的一般原则。

    关键词：光伏发电;光伏蓄电池;光伏控制器

    光伏蓄电池是光伏发电系统重要部分，其造价占总系统的25%左右。蓄电池的容量决定了太阳能组件的功率，而蓄电池的维护决定了整个系统的稳定性。光伏控制器是整个光伏发电系统的大脑，主要功能是防止蓄电池的过充或过放，以延长蓄电池的使用寿命。光伏控制器主要有三方面的功能：第一，实现对太阳能电池的监控以保证其在最大功率点，以达到太阳能的最大利用;第二，控制蓄电池的输出以满足負载的电源需求;第三，防止蓄电池的过充或过放，以延长蓄电池的使用寿命。

    1 光伏蓄电池及其设计

    电源装置是将电能转化为化学能的装置。能量过程不可逆的称之为原电池，又称为一次电池;能量过程可逆的称之为蓄电池又称为二次电池。生活中的干电池大多说为原电池，而电瓶车、电动汽车、电动游艇的电池为蓄电池。蓄电池的种类很多常见的有：铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池和锂电池等，而光伏发电系统主要为阀控密封式铅酸蓄电池（VRLA）。

    蓄电池上常常出现数字部分，如图1所示，12V代表蓄电池的额定电压，而65AH代表蓄电池的容量。因为使用的场合多种多样，所以蓄电池的种类很多。蓄电池的容量是指在规定放电条件下输出的电荷总量，电压是指在规定放电条件下电池输出的电压。单体蓄电池的额定电压为2V，所以在使用的过程中，经常要考虑蓄电池的串并联，以满足存储大容量电能的需求。那么串并联有什么特征呢？串联电压为各个单体电压的和，因为电流不变所以容量不变。比如15只12V/200A·h的铅酸电池串联，则串联后输出电压为210V，容量不变仍然是200A·h。但是，如果是并联输出的电压值不变，容量则是各个容量之和。比如10只6V/12A·h的铅酸蓄电池并联，则并联电压仍为6V，容量变为120A·h。铅酸蓄电池里的正极为二氧化铅，负极是铅，电解液为一定浓度的硫酸。铅酸蓄电池常见的用途有铁路、汽车、光伏、电动车等启动电池。根据使用环境又可以分为固定型电池比如用在邮局、医院和铁路等和移动型电池比如汽车和电动车等。蓄电池的标注常见的包括以下几部分：单体电池格数、电池功能、电池型号和额定容量，以生活中常见的蓄电池为例，6代表蓄电池单体个数即额定电压为6×2=12V，Q代表汽车启动用蓄电池，A代表干荷电蓄电池，70代表额定容量70A·h。蓄电池的性能参数还包括：蓄电池电动势、开路电压、工作电压、充电电压、浮充电压。同一个电池放电率不同，给出的容量也不同。比如，某12V电池如用2A放电，放电时间5h，则容量为2×5=10A·h，记为C5;同一个电池如果用1.2A放电，放电时间为10h，则容量为1.2×10=12A·h，记为C10。蓄电池在使用过程中放出的有效容量占该电池额定容量的比值称之为蓄电池的放电深度（DOD）25%左右的为浅循环放电，30%～50%为中等循环放电，而60%以上的为深循环放电。光伏发电中，DOD最高可达80%。关于光伏蓄电池，我们看几个例子。比如一只12V/10A·h的蓄电池，外接60欧姆的用电器工作了20小时，求剩余的容量？（忽略蓄电池自身的损耗）负载电流I=12/60=0.2A，则20个小时损耗的电量为20×0.2=4A·h，蓄电池总电量为10A·h，那么还剩6A·h。又如一LED太阳能路灯功率是40W，工作电压是24V，假定路灯满负荷的状态下，需要每天工作8小时。如果要求蓄电池至少提供负载3天的连续电力，且其最佳放电深度为50%，系统损耗为0.85，求蓄电池的容量？根据负载LED灯的需求工作电流为40/24，每天工作8小时则用电量为40/3A·h，3的用电量就是40A·h。考虑到蓄电池本身的损耗及其放电深度，蓄电池的额定容量需要达到40/（05×0.85）=95A·h。又如某气象检测设备的工作电压24V，功率55W，每天工作18小时。当地最大连续阴雨天数为15天，选用深循环放电蓄电池，选用峰值功率为50W的太阳能组件（工作电压17.3V，工作电流2.89V），计算蓄电池容量。负载需求的电流为55/24，每天工作的时间18小时，则用电量为（55/24）×18A·h，考虑15天的阴雨天储备，蓄电池的额定容量为需求（55/24）×15×18=618.75A·h。放电深度按80%计算，蓄电池最终的额定容量要达到61875/（0.8）=773A·h。

    2 光伏控制器及其设计

    铅酸蓄电池的充电过程有以下几个特点：刚开始电压迅速增加，然后很长时间平稳增加，当电压增加到某一值时负极析出氢气正极析出氧气，此时应停止充电。由此可以设计充电电路，基准电压设置为D电压值连接IC1的同相输入端，蓄电池电压连接IC1的反相输入端。当蓄电池的电压过于D值时，GI输出低电平，关断相应开关，停止为蓄电池的充电，已达到防止蓄电池过充的目的。反之，当检测电路检测到蓄电池电压低于D值基准电压时，Gi输出高电平，相应开关联通，太阳能板为蓄电池充电。铅酸蓄电池放电特性如下：刚开始电压迅速下降但持续时间短，然后电压呈平稳趋势下降，当电压值降到G点时，电压会急剧下降，G点电压值为放电截止电压。利用刚才的检测电路，可以实现对G电压值的检测。基准电压值设置为G点电压值并连接反向输入端，蓄电池电压为同相输入端。当蓄电池电压低于基准电压时，G2输出低电平，相应开关被切断，蓄电池停止放电;当蓄电池电压高于基准电压，G2输出高电平，相应开关闭合，蓄电池持续放电。有些蓄电池需要剩余容量控制法来防止过充或者过放的发生。剩余容量控制法就是随时监测蓄电池的剩余容量，又称为荷电状态（state of charge，SOC），以确保蓄电池剩余容量不低于设定值的50%，从而保证不被过放。另外根据SOC及时调整负载工作时间或者负载的大小，以保证蓄电池不被过放。通过建立数学模型可以实现SOC的检测，当然数学模型需要精准的描述SOC与蓄电池物理量（电阻、端电压）间的函数关系，否则不精准的数学模型会大大减小蓄电池的使用寿命。从2016到2019，均可以找到关于SOC算法的研究硕士论文，说明SOC模型问题仍然是科学研究热点问题之一。并联控制器又称旁路控制器，当检测电路发现蓄电池电压高于D值，T1关断，多余电荷通过卸荷负载消耗掉;同理当检测电路发现蓄电池电压低于G值，T2断开。VD2和保险丝起到防反接作用，但蓄电池反接，VD2短路导通变亮，短路电流将保险丝熔断。串联型控制器电路就是将开关T1串联至电路中。关于开关元件，通常采用脉宽调制方式（Pulse-width modulation，PWM），以过充保护电路为例，当蓄电池的电压接近D值电压时，PWM输出的脉冲频率发生变化，最终使开关导通的时间延长，电荷被旁路无限消耗掉，蓄电池充电电流趋近于零，更符合蓄电池充电特征，有助于延长蓄电池寿命。控制器的另外一个功能就是保证太阳能电池板的电能被最大化利用。实验发现，太阳能方阵的最大功率点一方面受到太阳光照的影响，另一方面受负载的影响，呈现近抛物线趋势分布。通过直流变换电路和寻优跟踪控制程序，不管太阳光照水平和负载性质如何变化，总能使得太阳能方阵在最大功率点工作的控制器称为最大功率点跟踪型控制器（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。通过采集电路收集太阳能方阵的电压和电流信号并计算相应功率，判断其是否在最大功率点工作（最大功率点有对应测量模型和方法，比如课本上的恒压法），若不在如图2所示，比如D位置就可以减小电压增大充电电流，向最大功率点靠近。寻优方法有很多，比如扰动观察法、导纳增量法、间歇扫描法和模糊控制法等。近几年，关于MPPT寻优方法的研究仍然是科研领域的热点之一。MPPT的实验方法之一是使用单片机技术。采用单片机组成的MPPT充放电控制器基本电路分成三部分：DC/DC变换电路、测量电路和单片机及监控软件。DC/DC变换电路根据组件、蓄电池和负载情况可以选择升压型、降压型或者升降压型;测量电路主要是测量DC/DC输入和输出端电流和电压值;监控软件采用什么控制算法实现MPPT。

    3 小型光伏发电系统

    常见的小功率光伏发电系统包括太阳能草坪灯、路灯、交通标志灯和手机充电器等。以光伏太阳能草坪灯为例，白天太阳能电池工作，VD、VT1导通为蓄电池充电，晚上蓄电池工作VD、VTI不导通而T、VT2、VT3导通，LED发光。

    4 结语

    当地连续阴雨天的天数和负载的额定用电量决定了该系统蓄电池的容量。光伏控制器负责蓄电池的过充、过放和防反接以延长蓄电池的使用寿命，利用MPPT技术提高太阳能光伏组件的转化效率，利用DC-DC电路满足负载的需求。

    参考文献：

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    [2]田相鹏，廖红华.基于Simulink的小型离网风光互补控制器仿真研究[J].2020，38：328-332.

    [3]朱成彪，马宝萍，祝雪妹.三相SPWM光伏逆变电路LC滤波器设计与仿真[J].2015，15，1-8.