基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池和控制器的研究和設(shè)計(jì)

王娜　李勇　呂躍鳳　徐兵

摘 要：光伏蓄電池是系統(tǒng)造價(jià)最貴的部分，而控制器這是整個(gè)系統(tǒng)的核心。通過分析太陽(yáng)能蓄電池和控制器的性能和特點(diǎn)，給出太陽(yáng)能蓄電池和控制器設(shè)計(jì)的一般原則。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;光伏蓄電池;光伏控制器

光伏蓄電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)重要部分，其造價(jià)占總系統(tǒng)的25%左右。蓄電池的容量決定了太陽(yáng)能組件的功率，而蓄電池的維護(hù)決定了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。光伏控制器是整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的大腦，主要功能是防止蓄電池的過充或過放，以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。光伏控制器主要有三方面的功能：第一，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池的監(jiān)控以保證其在最大功率點(diǎn)，以達(dá)到太陽(yáng)能的最大利用;第二，控制蓄電池的輸出以滿足負(fù)載的電源需求;第三，防止蓄電池的過充或過放，以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

1 光伏蓄電池及其設(shè)計(jì)

電源裝置是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。能量過程不可逆的稱之為原電池，又稱為一次電池;能量過程可逆的稱之為蓄電池又稱為二次電池。生活中的干電池大多說為原電池，而電瓶車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)游艇的電池為蓄電池。蓄電池的種類很多常見的有：鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池和鋰電池等，而光伏發(fā)電系統(tǒng)主要為閥控密封式鉛酸蓄電池（VRLA）。

蓄電池上常常出現(xiàn)數(shù)字部分，如圖1所示，12V代表蓄電池的額定電壓，而65AH代表蓄電池的容量。因?yàn)槭褂玫膱?chǎng)合多種多樣，所以蓄電池的種類很多。蓄電池的容量是指在規(guī)定放電條件下輸出的電荷總量，電壓是指在規(guī)定放電條件下電池輸出的電壓。單體蓄電池的額定電壓為2V，所以在使用的過程中，經(jīng)常要考慮蓄電池的串并聯(lián)，以滿足存儲(chǔ)大容量電能的需求。那么串并聯(lián)有什么特征呢？串聯(lián)電壓為各個(gè)單體電壓的和，因?yàn)殡娏鞑蛔兯匀萘坎蛔儭１热?5只12V/200A·h的鉛酸電池串聯(lián)，則串聯(lián)后輸出電壓為210V，容量不變?nèi)匀皇?00A·h。但是，如果是并聯(lián)輸出的電壓值不變，容量則是各個(gè)容量之和。比如10只6V/12A·h的鉛酸蓄電池并聯(lián)，則并聯(lián)電壓仍為6V，容量變?yōu)?20A·h。鉛酸蓄電池里的正極為二氧化鉛，負(fù)極是鉛，電解液為一定濃度的硫酸。鉛酸蓄電池常見的用途有鐵路、汽車、光伏、電動(dòng)車等啟動(dòng)電池。根據(jù)使用環(huán)境又可以分為固定型電池比如用在郵局、醫(yī)院和鐵路等和移動(dòng)型電池比如汽車和電動(dòng)車等。蓄電池的標(biāo)注常見的包括以下幾部分：?jiǎn)误w電池格數(shù)、電池功能、電池型號(hào)和額定容量，以生活中常見的蓄電池為例，6代表蓄電池單體個(gè)數(shù)即額定電壓為6×2=12V，Q代表汽車啟動(dòng)用蓄電池，A代表干荷電蓄電池，70代表額定容量70A·h。蓄電池的性能參數(shù)還包括：蓄電池電動(dòng)勢(shì)、開路電壓、工作電壓、充電電壓、浮充電壓。同一個(gè)電池放電率不同，給出的容量也不同。比如，某12V電池如用2A放電，放電時(shí)間5h，則容量為2×5=10A·h，記為C5;同一個(gè)電池如果用1.2A放電，放電時(shí)間為10h，則容量為1.2×10=12A·h，記為C10。蓄電池在使用過程中放出的有效容量占該電池額定容量的比值稱之為蓄電池的放電深度（DOD）25%左右的為淺循環(huán)放電，30%～50%為中等循環(huán)放電，而60%以上的為深循環(huán)放電。光伏發(fā)電中，DOD最高可達(dá)80%。關(guān)于光伏蓄電池，我們看幾個(gè)例子。比如一只12V/10A·h的蓄電池，外接60歐姆的用電器工作了20小時(shí)，求剩余的容量？（忽略蓄電池自身的損耗）負(fù)載電流I=12/60=0.2A，則20個(gè)小時(shí)損耗的電量為20×0.2=4A·h，蓄電池總電量為10A·h，那么還剩6A·h。又如一LED太陽(yáng)能路燈功率是40W，工作電壓是24V，假定路燈滿負(fù)荷的狀態(tài)下，需要每天工作8小時(shí)。如果要求蓄電池至少提供負(fù)載3天的連續(xù)電力，且其最佳放電深度為50%，系統(tǒng)損耗為0.85，求蓄電池的容量？根據(jù)負(fù)載LED燈的需求工作電流為40/24，每天工作8小時(shí)則用電量為40/3A·h，3的用電量就是40A·h。考慮到蓄電池本身的損耗及其放電深度，蓄電池的額定容量需要達(dá)到40/（05×0.85）=95A·h。又如某氣象檢測(cè)設(shè)備的工作電壓24V，功率55W，每天工作18小時(shí)。當(dāng)?shù)刈畲筮B續(xù)陰雨天數(shù)為15天，選用深循環(huán)放電蓄電池，選用峰值功率為50W的太陽(yáng)能組件（工作電壓17.3V，工作電流2.89V），計(jì)算蓄電池容量。負(fù)載需求的電流為55/24，每天工作的時(shí)間18小時(shí)，則用電量為（55/24）×18A·h，考慮15天的陰雨天儲(chǔ)備，蓄電池的額定容量為需求（55/24）×15×18=618.75A·h。放電深度按80%計(jì)算，蓄電池最終的額定容量要達(dá)到61875/（0.8）=773A·h。

2 光伏控制器及其設(shè)計(jì)

鉛酸蓄電池的充電過程有以下幾個(gè)特點(diǎn)：剛開始電壓迅速增加，然后很長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)增加，當(dāng)電壓增加到某一值時(shí)負(fù)極析出氫氣正極析出氧氣，此時(shí)應(yīng)停止充電。由此可以設(shè)計(jì)充電電路，基準(zhǔn)電壓設(shè)置為D電壓值連接IC1的同相輸入端，蓄電池電壓連接IC1的反相輸入端。當(dāng)蓄電池的電壓過于D值時(shí)，GI輸出低電平，關(guān)斷相應(yīng)開關(guān)，停止為蓄電池的充電，已達(dá)到防止蓄電池過充的目的。反之，當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到蓄電池電壓低于D值基準(zhǔn)電壓時(shí)，Gi輸出高電平，相應(yīng)開關(guān)聯(lián)通，太陽(yáng)能板為蓄電池充電。鉛酸蓄電池放電特性如下：剛開始電壓迅速下降但持續(xù)時(shí)間短，然后電壓呈平穩(wěn)趨勢(shì)下降，當(dāng)電壓值降到G點(diǎn)時(shí)，電壓會(huì)急劇下降，G點(diǎn)電壓值為放電截止電壓。利用剛才的檢測(cè)電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)G電壓值的檢測(cè)。基準(zhǔn)電壓值設(shè)置為G點(diǎn)電壓值并連接反向輸入端，蓄電池電壓為同相輸入端。當(dāng)蓄電池電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)，G2輸出低電平，相應(yīng)開關(guān)被切斷，蓄電池停止放電;當(dāng)蓄電池電壓高于基準(zhǔn)電壓，G2輸出高電平，相應(yīng)開關(guān)閉合，蓄電池持續(xù)放電。有些蓄電池需要剩余容量控制法來防止過充或者過放的發(fā)生。剩余容量控制法就是隨時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的剩余容量，又稱為荷電狀態(tài)（state of charge，SOC），以確保蓄電池剩余容量不低于設(shè)定值的50%，從而保證不被過放。另外根據(jù)SOC及時(shí)調(diào)整負(fù)載工作時(shí)間或者負(fù)載的大小，以保證蓄電池不被過放。通過建立數(shù)學(xué)模型可以實(shí)現(xiàn)SOC的檢測(cè)，當(dāng)然數(shù)學(xué)模型需要精準(zhǔn)的描述SOC與蓄電池物理量（電阻、端電壓）間的函數(shù)關(guān)系，否則不精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型會(huì)大大減小蓄電池的使用壽命。從2016到2019，均可以找到關(guān)于SOC算法的研究碩士論文，說明SOC模型問題仍然是科學(xué)研究熱點(diǎn)問題之一。并聯(lián)控制器又稱旁路控制器，當(dāng)檢測(cè)電路發(fā)現(xiàn)蓄電池電壓高于D值，T1關(guān)斷，多余電荷通過卸荷負(fù)載消耗掉;同理當(dāng)檢測(cè)電路發(fā)現(xiàn)蓄電池電壓低于G值，T2斷開。VD2和保險(xiǎn)絲起到防反接作用，但蓄電池反接，VD2短路導(dǎo)通變亮，短路電流將保險(xiǎn)絲熔斷。串聯(lián)型控制器電路就是將開關(guān)T1串聯(lián)至電路中。關(guān)于開關(guān)元件，通常采用脈寬調(diào)制方式（Pulse-width modulation，PWM），以過充保護(hù)電路為例，當(dāng)蓄電池的電壓接近D值電壓時(shí)，PWM輸出的脈沖頻率發(fā)生變化，最終使開關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間延長(zhǎng)，電荷被旁路無限消耗掉，蓄電池充電電流趨近于零，更符合蓄電池充電特征，有助于延長(zhǎng)蓄電池壽命。控制器的另外一個(gè)功能就是保證太陽(yáng)能電池板的電能被最大化利用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能方陣的最大功率點(diǎn)一方面受到太陽(yáng)光照的影響，另一方面受負(fù)載的影響，呈現(xiàn)近拋物線趨勢(shì)分布。通過直流變換電路和尋優(yōu)跟蹤控制程序，不管太陽(yáng)光照水平和負(fù)載性質(zhì)如何變化，總能使得太陽(yáng)能方陣在最大功率點(diǎn)工作的控制器稱為最大功率點(diǎn)跟蹤型控制器（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。通過采集電路收集太陽(yáng)能方陣的電壓和電流信號(hào)并計(jì)算相應(yīng)功率，判斷其是否在最大功率點(diǎn)工作（最大功率點(diǎn)有對(duì)應(yīng)測(cè)量模型和方法，比如課本上的恒壓法），若不在如圖2所示，比如D位置就可以減小電壓增大充電電流，向最大功率點(diǎn)靠近。尋優(yōu)方法有很多，比如擾動(dòng)觀察法、導(dǎo)納增量法、間歇掃描法和模糊控制法等。近幾年，關(guān)于MPPT尋優(yōu)方法的研究仍然是科研領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。MPPT的實(shí)驗(yàn)方法之一是使用單片機(jī)技術(shù)。采用單片機(jī)組成的MPPT充放電控制器基本電路分成三部分：DC/DC變換電路、測(cè)量電路和單片機(jī)及監(jiān)控軟件。DC/DC變換電路根據(jù)組件、蓄電池和負(fù)載情況可以選擇升壓型、降壓型或者升降壓型;測(cè)量電路主要是測(cè)量DC/DC輸入和輸出端電流和電壓值;監(jiān)控軟件采用什么控制算法實(shí)現(xiàn)MPPT。

3 小型光伏發(fā)電系統(tǒng)

常見的小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能草坪燈、路燈、交通標(biāo)志燈和手機(jī)充電器等。以光伏太陽(yáng)能草坪燈為例，白天太陽(yáng)能電池工作，VD、VT1導(dǎo)通為蓄電池充電，晚上蓄電池工作VD、VTI不導(dǎo)通而T、VT2、VT3導(dǎo)通，LED發(fā)光。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)?shù)剡B續(xù)陰雨天的天數(shù)和負(fù)載的額定用電量決定了該系統(tǒng)蓄電池的容量。光伏控制器負(fù)責(zé)蓄電池的過充、過放和防反接以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，利用MPPT技術(shù)提高太陽(yáng)能光伏組件的轉(zhuǎn)化效率，利用DC-DC電路滿足負(fù)載的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]苗壯，劉立志，王金生，孔德龍.地埋引線蓄電池開發(fā)與應(yīng)用[J].2020，57：247-250.

[2]田相鵬，廖紅華.基于Simulink的小型離網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)控制器仿真研究[J].2020，38：328-332.

[3]朱成彪，馬寶萍，祝雪妹.三相SPWM光伏逆變電路LC濾波器設(shè)計(jì)與仿真[J].2015，15，1-8.