基于新型独立的太阳能发电系统充放电电路拓扑

1 引言

在独立太阳能发电系统中，为了降低成本、提高效率和可靠性，既要使光伏电池输出最大功率，又要使蓄电池正确充放电，同时还要最大限度地利用所发电能。在目前的光伏系统中，这三者的实现存在矛盾，通常只顾及到一个方面，如只追踪光伏电池最大功率点而放弃蓄电池的最佳充放电，从而限制了系统的效率和寿命。本文将就此问题进行研究探讨，并设计一套高效充放电电路，提出相应的控制策略。

光伏发电系统充放电所面临的问题

1、光伏电池的运行特点

光伏电池所发功率取决于照射到其表面的太阳辐射量。由于受到当地纬度、经度、时间、空气状态及气象条件等各种因素的影响，实际上在某个地方所能接收到的辐射量时时刻刻都在变化着，偶然的阴影遮蔽也会使输出功率降低，因此，光伏电池所发功率是不断变化的。图1是光伏电池的I—V与P—V特性曲线，图2是其输出变量与温度的关系曲线，可以看出光伏电池的输出最大功率点Pmax、短路电流Isc、开路电压Voc随着辐射强度、环境温度在不停地变化，所以，光伏发电系统要不停地调整，以使光伏电池工作于最大功率点上，但这又同时使得光伏电池的输出电流、电压在不断变化，即输出功率是不断变化的。

图1 光伏电池的I—V和P—V特性曲线

图2 光伏电池输出变量Pmax，Voc和Isc的相对值(对应于25℃时)与温度的关系

2、铅酸蓄电池充放电特性

目前，免维护铅酸蓄电池作为储能设备，由于维护量小，使用方便等优点，在光伏系统中得到大量应用。在独立太阳能发电系统中，其充放电方式与传统充放电方式不同，既要因夜间带负荷而需要循环充放电，又要在蓄电池快充满时进行浮充。而铅酸蓄电池有其充放电特性，如不按照其充放电特性进行充放电就会造成损坏且效率较低，日常的合理维护措施是必不可少的。目前，在光伏系统中蓄电池是一个薄弱环节，铅酸蓄电池用于光伏系统后寿命缩短，限制了光伏系统的使用寿命，增加了系统的成本和维护费用。研究发现，问题在于蓄电池用于光伏时，充电电流较小和充电时间受限。涓流充电和部分放电容易造成电极上树枝状晶体的生长，导致所谓的记忆效应，蓄电池的充电容量将会降低;强行过充电会使电解液分解，产生气体，造成电解液的丢失。也有人指出，在光伏系统中限制蓄电池寿命的主要因素是蓄电池中的酸分层。在光伏系统中,由于蓄电池一般都处于欠充状态，进一步扩大了蓄电池底部和顶部的硫酸浓度之差，加剧了硫酸盐化和容量损失。同时小电流放电下所形成的PbSO4结晶颗粒粗大，这种结晶溶解困难，最终影响了蓄电池的寿命。在光伏系统中，蓄电池的放电率要比蓄电池应用在其他场合低。

光伏电池板比较昂贵，在目前的光伏发电效率下，最大限度地节约所发出的电能是降低成本的一个有效途径，因此，要尽可能地存储和利用所发出的电能，减少光伏电池的空运行。而光伏系统的特点决定了铅酸蓄电池欠充的可能性比较大。目前，在设计光伏系统时，将光伏电池和负载及蓄电池进行固定匹配，同时，存在上面空运行和欠充两个问题，其基本电路结构如图3所示。DC/DC变换器的输出端直接与蓄电池和负载相连，这样做可以避免过充，但却无法解决可能出现的欠充，蓄电池缺乏有效保护，得不到最佳充电，长此下去将导致蓄电池寿命降低，增加了系统维护费用。另外，当光伏电池输出功率较大时，由于负载一般不随意变化，在一定时间段内就可能出现充电功率过大现象，需要启动保护电路限制充电强度，这样势必会造成能源浪费，间接地增加了系统发电成本。同样，由于负载的不确定性，在蓄电池单独供电时就会出现所有电池单元部分放电现象，即蓄电池不能完全放电，这样对蓄电池也是有害的。

图3 传统系统电路图

系统拓扑结构及其控制方案

对于上述问题，本文提出了一种新型充放电电路拓扑，采用动态功率跟踪匹配法加以控制。即根据实时功率差，动态地匹配充放电的蓄电池容量(蓄电池个数)，也就是动态地变换系统结构，从而实现最佳充放电。系统电路如图4所示，光伏电池经DC/DC变换器与负载和充电电路相连。负载可以变化。充电电路由直流母线和多个蓄电池充电单元组成，每个充放电单元包括双向DC/DC变换电路Hn和蓄电池Bn两部分。双向DC/DC变换电路如图5所示，蓄电池侧为低压侧，能够实现升压和降压[6]。该双向变换电路能实现高低压侧的有效电气隔离，效率高，控制灵活。与传统光伏系统相比，本系统运行灵活，高效可靠，整体寿命得到提高;另一个很大的优点是，容易进行规模扩充，易实现模块化系统集成，能够较好地解决蓄电池在目前的光伏发电系统中所面临的问题。由于蓄电池组容量是可以灵活变化的，所以，需要扩充规模时，只需增加光伏电池板、增加并联的DC/DC变换器数目、增加蓄电池充电单元、更改控制软件程序即可。