一種新型獨立太陽能發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，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電系統。

關鍵詞：光伏系統；雙向充放電電路；動態功率跟蹤匹配；鉛酸蓄電池

1 引言

在獨立太陽能發電系統中，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，同時還要最大限度地利用所發電能。在目前的光伏系統中，這三者的實現存在矛盾，通常只顧及到一個方面，如只追蹤光伏電池最大功率點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。本文將就此問題進行研究探討，并設計一套高效充放電電路，提出相應的控制策略。

2 光伏發電系統充放電所面臨的問題

2.1 光伏電池的運行特點

光伏電池所發功率取決于照射到其表面的太陽輻射量。由于受到當地緯度、經度、時間、空氣狀態及氣象條件等各種因素的影響，實際上在某個地方所能接收到的輻射量時時刻刻都在變化著，偶然的陰影遮蔽也會使輸出功率降低，因此，光伏電池所發功率是不斷變化的。圖1是光伏電池的I—V與P—V特性曲線[1]，圖2是其輸出變量與溫度的關系曲線[1]，可以看出光伏電池的輸出最大功率點P_max、短路電流I_sc、開路電壓V_oc隨著輻射強度、環境溫度在不停地變化，所以，光伏發電系統要不停地調整，以使光伏電池工作于最大功率點上，但這又同時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

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）與溫度的關系

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，使用方便等優點，在光伏系統中得到大量應用。在獨立太陽能發電系統中，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充放電，又要在蓄電池快充滿時進行浮充。而鉛酸蓄電池有其充放電特性，如不按照其充放電特性進行充放電就會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薄弱環節，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。研究發現，問題在于蓄電池用于光伏時，充電電流較小和充電時間受限。涓流充電和部分放電容易造成電極上樹枝狀晶體的生長，導致所謂的記憶效應，蓄電池的充電容量將會降低；強行過充電會使電解液分解，產生氣體，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，進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合低[3]。

光伏電池板比較昂貴，在目前的光伏發電效率下，最大限度地節約所發出的電能是降低成本的一個有效途徑，因此，要盡可能地存儲和利用所發出的電能，減少光伏電池的空運行。而光伏系統的特點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，將光伏電池和負載及蓄電池進行固定匹配[4][5]，同時，存在上面空運行和欠充兩個問題，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，這樣做可以避免過充，但卻無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，由于負載一般不隨意變化，在一定時間段內就可能出現充電功率過大現象，需要啟動保護電路限制充電強度，這樣勢必會造成能源浪費，間接地增加了系統發電成本。同樣，由于負載的不確定性，在蓄電池單獨供電時就會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