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營區建設等方面的應用，討論了獨立光伏系統存在的主要問題，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。實踐證明，分組充放電對于提高供電可靠性，延長蓄電池壽命有一定的現實意義。

　　關鍵詞：太陽能 生態營區 光伏系統 分組策略

一、引言

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

　　通過對光伏系統在部隊應用的廣泛調研，分析整理資料和建議，得到三點啟示：一是光伏系統在部隊的應用會越來越廣泛，以解決偏遠營區的供電為主，其他多種形式的應用發展迅速；二是獨立光伏系統中的能量控制策略過于簡單，沒有根據系統的容量大小進行具體的設計，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中的應用進行研究分析，同時對系統的能量控制策略進行研究，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題，提供了很好的參考。

　　二、光伏系統在軍營中的應用

　　隨著科學技術水平的不斷發展，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，以滿足各種復雜條件下的供電要求；同時由于社會生活水平的不斷提高，官兵對于居住環境也有了更高的要求，環保、綠色的軍營更能營造一種積極健康的生活形態，同時激發官兵愛崗敬業的意識，而太陽能作為一種綠色能源，正好滿足了以上要求。太陽能作為一種清潔、環保、綠色能源，在部隊建設中發揮著越來越重要的作用，通過對光伏系統的應用調研，光伏發電在部隊主要的應用和意義有以下五個方面：

　　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的部隊營區，基本上都存在著供電保障難的問題。目前，其用電主要是通過自備的發電機（組）來解決。很顯然，這一方案存在發電成本較高、噪音大、污染環境、燃料運輸成本高等的不足。隨著新能源技術的不斷發展，改善這些部隊平時和戰時的供電條件，已經越來越重要，其中以獨立光伏發電系統和小型風力發電系統應用最為廣泛。建設一個小型的獨立光伏電站不但可以解決供電問題，同時可以減少運輸燃油的費用，降低對于燃油的依賴。

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

　　3．在部隊“生態營區”建設中應用廣泛。部隊營區的改造和建設都以生態營區、環保營區、綠色營區為目標，一般都會根據營區所在地的自然環境條件進行新能源項目的論證，主要包括太陽能路燈、太陽能景觀燈、光伏發電系統、風力發電等，其中以太陽能景觀燈的應用最廣泛。

　　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能電池和新型儲能裝置（超級電容），開發小容量的移動太陽能發電裝置就具有重要的意義，而目前小型太陽能數碼充電器已經在為手機、數碼相機、筆記本充電中取得了一定的應用，成為戶外數碼產品輔助備用電源的首選。

　　5．為開發其他新能源系統提供了很好的參考。光伏發電系統的投建，對于其他多能源的開發和應用具有良好的參考作用，也可以不斷地提高官兵的環境保護意識、節約資源意識。同時，對于開發和應用其他新能源系統，如風光互補系統，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題

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

　　獨立光伏發電系統目前面臨以下兩個問題：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]。因此對于獨立發電系統，提高能量利用率，研究科學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

　　在太陽能光伏系統的發展過程中，從直接連接發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，尤其是隨著微處理器技術和電力電子技術的快速發展，能量利用的效率逐漸提高。從近幾年國內外公開發表比較典型的文獻來看^[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、控制器設計三個方面的獨立研究較多，存在的問題主要有以下三點：（1）光伏組件的功率跟蹤與蓄電池荷電狀態之間的配合控制關系簡單，常用的階段性控制策略有待改進；（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有公開發表的綜合性能量控制策略。

　　本文針對上面提出的第二個問題進行了分析研究，主要從獨立光伏系統在軍營電力供應中的應用入手，對分組的原則和控制進行了探討。實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，同時提高對負荷的供電可靠性，可以對光伏系統中的蓄電池進行分組管理，使其變成多個容量較小的蓄電池組，主要基于以下幾個原因：

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

　　（2）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；

　　（3）分組能夠實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行維護性的均衡充電，適當的過充能夠避免電池電解液的分層；

　　（4）能夠實現充電的同時，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系統的設計容量，綜合考慮光伏陣列在最大太陽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系，分組的主要原則如下：

　　（1）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較低時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；

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

　　（3）分組要考慮控制系統的設計與實現，不宜太多，一般不超過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，同時允許另一組放電；在線判斷兩組容量的變化，當兩組容量相差達到30%以上時，進行充電和放電（或者靜置）狀態的切換；結合系統的控制策略，達到均衡充放電的目的，同時在系統的荷電狀態較低時，應輸出低荷電狀態提示，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，電路中接入常開觸點，KM3為輔助常閉觸點，電路主要是實現上面提出的控制策略，選擇電壓和電流滿足要求的繼電器可以實現控制的要求，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，簡化系統中的控制環節，一種簡化的工作狀態如下圖3所示，簡化的分組充放電控制指令如表2所示。

　　在實際的系統中，應該結合系統的實際設計容量和負載的要求，具體選擇合理的控制方案，分組控制策略在實際的控制中很容易實現。在某營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

　　隨著軍隊后勤建設的不斷發展，官兵環保意識的不斷增強，光伏系統工程技術水平的不斷提高，光伏發電系統必將在軍隊取得越來越多地應用。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意義。同時，不斷優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，對推動光伏系統的深入應用具有重大的作用