在獨立太陽能發電係統中
，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qian的de光guang伏fu係xi統tong中zhong，這zhe三san者zhe的de實shi現xian存cun在zai矛mao盾dun，通tong常chang隻zhi顧gu及ji到dao一yi個ge方fang麵mian，如ru隻zhi追zhui蹤zong光guang伏fu電dian池chi最zui大da功gong率lv點dian而er放fang棄qi蓄xu電dian池chi的de最zui佳jia充chong放fang電dian

，從cong而er限xian製zhi了le係xi統tong的de效xiao率lv和he壽shou命ming。本ben文wen 將就此問題進行研究探討
，並設計一套高效充放電電路，提出相應的控製策略.

光伏發電係統充放電所麵臨的問題

1、光伏電池的運行特點

光伏電池所發功率取決於照射到其表麵的太陽輻射量。由於受到當地緯度、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
，圖2是其輸 出變量與溫度的關係曲線
，可以看出光伏電池的輸出最大功率點Pmax
、短路電流Isc、開路電壓Voc隨著輻射強度、環境溫度在不停地變化，所以，光伏發 電係統要不停地調整
，以使光伏電池工作於最大功率點上，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。


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2
、鉛酸蓄電池充放電特性

目前，免維護鉛酸蓄電池作 weichunengshebei，youyuweihuliangxiao，shiyongfangbiandengyoudian，zaiguangfuxitongzhongdedaodaliangyingyong。zaidulitaiyangnengfadianxitongzhong
，qichongfangdianfangshiyuchuantongchongfangdianfangshibutong，jiyaoyinyejiandaifuheer 需(xu)要(yao)循(xun)環(huan)充(chong)放(fang)電(dian)，又(you)要(yao)在(zai)蓄(xu)電(dian)池(chi)快(kuai)充(chong)滿(man)時(shi)進(jin)行(xing)浮(fu)充(chong)。而(er)鉛(qian)酸(suan)蓄(xu)電(dian)池(chi)有(you)其(qi)充(chong)放(fang)電(dian)特(te)性(xing)，如(ru)不(bu)按(an)照(zhao)其(qi)充(chong)放(fang)電(dian)特(te)性(xing)進(jin)行(xing)充(chong)放(fang)電(dian)就(jiu)會(hui)造(zao)成(cheng)損(sun)壞(huai)且(qie)效(xiao)率(lv)較(jiao)低(di)
，日(ri)常(chang)的(de)合(he)理(li)維(wei)護(hu)措(cuo) shishibibukeshaode。muqian，zaiguangfuxitongzhongxudianchishiyigeboruohuanjie，qiansuanxudianchiyongyuguangfuxitonghoushoumingsuoduan，xianzhileguangfuxitongdeshiyongshouming，zengjialexitongdechengbenheweihufeiyong。 yanjiufaxian
，wentizaiyuxudianchiyongyuguangfushi，chongdiandianliujiaoxiaohechongdianshijianshouxian。juanliuchongdianhebufenfangdianrongyizaochengdianjishangshuzhizhuangjingtideshengchang，daozhisuoweidejiyixiaoying，xudianchidechong 電容量將會降低;qiangxingguochongdianhuishidianjieyefenjie
，chanshengqiti，zaochengdianjieyedediushi。yeyourenzhichu
，zaiguangfuxitongzhongxianzhixudianchishoumingdezhuyaoyinsushixudianchizhongdesuanfenceng。zaiguangfu 係統中,youyuxudianchiyibandouchuyuqianchongzhuangtai，jinyibukuodalexudianchidibuhedingbudeliusuannongduzhicha，jiajuleliusuanyanhuaherongliangsunshi。tongshixiaodianliufangdianxiasuoxingchengdePbSO4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。在光伏係統中，蓄電池的放電率要比蓄電池應用在其他場合低。

光guang伏fu電dian池chi板ban比bi較jiao昂ang貴gui

，在zai目mu前qian的de光guang伏fu發fa電dian效xiao率lv下xia
，最zui大da限xian度du地di節jie約yue所suo發fa出chu的de電dian能neng是shi降jiang低di成cheng本ben的de一yi個ge有you效xiao途tu徑jing，因yin此ci，要yao盡jin可ke能neng地di存cun儲chu和he利li用yong所suo發fa出chu的de電dian能neng，減jian少shao光guang伏fu 電dian池chi的de空kong運yun行xing。而er光guang伏fu係xi統tong的de特te點dian決jue定ding了le鉛qian酸suan蓄xu電dian池chi欠qian充chong的de可ke能neng性xing比bi較jiao大da。目mu前qian，在zai設she計ji光guang伏fu係xi統tong時shi
，將jiang光guang伏fu電dian池chi和he負fu載zai及ji蓄xu電dian池chi進jin行xing固gu定ding匹pi配pei，同tong時shi，存cun在zai上shang麵mian空kong 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dian池chi缺que乏fa有you效xiao保bao護hu，得de不bu到dao最zui佳jia充chong電dian
，長chang此ci下xia去qu將jiang導dao致zhi蓄xu電dian池chi壽shou命ming降jiang低di，增zeng加jia了le係xi統tong維wei護hu費fei用yong。另ling外wai，當dang光guang伏fu電dian池chi輸shu出chu功gong率lv較jiao大da時shi

，由you於yu負fu載zai一yi般ban不bu隨sui意yi變bian化hua
，在zai一yi dingshijianduanneijiukenengchuxianchongdiangonglvguodaxianxiang
，xuyaoqidongbaohudianluxianzhichongdianqiangdu，zheyangshibihuizaochengnengyuanlangfei，jianjiedizengjialexitongfadianchengben。tongyang
，youyufuzaidebuquedingxing， 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。


係統拓撲結構及其控製方案

對(dui)於(yu)上(shang)述(shu)問(wen)題(ti)，本(ben)文(wen)提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)充(chong)放(fang)電(dian)電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)，采(cai)用(yong)動(dong)態(tai)功(gong)率(lv)跟(gen)蹤(zong)匹(pi)配(pei)法(fa)加(jia)以(yi)控(kong)製(zhi)。即(ji)根(gen)據(ju)實(shi)時(shi)功(gong)率(lv)差(cha)，動(dong)態(tai)地(di)匹(pi)配(pei)充(chong)放(fang)電(dian)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)容(rong)量(liang)(蓄電池個數)，也 就是動態地變換係統結構，從而實現最佳充放電。係統電路如圖4所示，光伏電池經DC/DC變換器與負載和充電電路相連。負載可以變化。充電電路由直流母線 和多個蓄電池充電單元組成，每個充放電單元包括雙向DC/DC變換電路Hn和蓄電池Bn兩部分。雙向DC/DC變換電路如圖5所示
，蓄電池側為低壓側，能 夠實現升壓和降壓[6]。該gai雙shuang向xiang變bian換huan電dian路lu能neng實shi現xian高gao低di壓ya側ce的de有you效xiao電dian氣qi隔ge離li


，效xiao率lv高gao，控kong製zhi靈ling活huo。與yu傳chuan統tong光guang伏fu係xi統tong相xiang比bi
，本ben係xi統tong運yun行xing靈ling活huo
，高gao效xiao可ke靠kao，整zheng體ti壽shou命ming得de到dao 提高;另(ling)一(yi)個(ge)很(hen)大(da)的(de)優(you)點(dian)是(shi)
，容(rong)易(yi)進(jin)行(xing)規(gui)模(mo)擴(kuo)充(chong)，易(yi)實(shi)現(xian)模(mo)塊(kuai)化(hua)係(xi)統(tong)集(ji)成(cheng)，能(neng)夠(gou)較(jiao)好(hao)地(di)解(jie)決(jue)蓄(xu)電(dian)池(chi)在(zai)目(mu)前(qian)的(de)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)中(zhong)所(suo)麵(mian)臨(lin)的(de)問(wen)題(ti)。由(you)於(yu)蓄(xu)電(dian)池(chi)組(zu)容(rong)量(liang)是(shi)可(ke)以(yi) 靈活變化的，所以，需要擴充規模時，隻需增加光伏電池板
、增加並聯的DC/DC變換器數目、增加蓄電池充電單元
、更改控製軟件程序即可。


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本係統真正實現了在光伏電池最大功率輸出下對蓄電池進行最佳充放電。由圖1可看出，光伏電池的最大功率點電壓、電流在不同的情況下是 變bian化hua的de。所suo以yi，在zai負fu載zai不bu變bian的de情qing況kuang下xia，就jiu需xu要yao係xi統tong同tong時shi調tiao節jie充chong電dian電dian流liu來lai協xie調tiao光guang伏fu電dian池chi最zui大da功gong率lv跟gen蹤zong，這zhe樣yang才cai能neng實shi現xian光guang伏fu電dian池chi最zui大da功gong率lv輸shu出chu。為wei了le實shi現xian光guang伏fu電dian池chi最zui大da功gong 率輸出時對蓄電池進行最佳充放電，負載確定後，控製器同時同方向調整DC/DC變換器和充電器的占空比D，實現最佳充電

，也使放電的蓄電池按最佳放電電流 放電。在光伏電池運行於最大功率點的前提下，本係統方案包括：

1)規定負載的最高限值
，保證蓄電池能完成晚間或陰天的單獨供電。

2)充電時
，同時調節光伏工作點跟蹤DC/DC變換器和雙向DC/DC變換器，由其動態地確定需充電蓄電池數

；

3)放電時，同樣要判斷光伏輸出功率和負載功率的最大差，以此來確定參加放電的蓄電池數
；

4)充放電都要維持蓄電池的最佳充放電模式。

從圖4可以看出，直流母線電壓和DC/DC變換器輸出電壓及負載輸入電壓相等，總充放電電流ic為DC/DC變換器輸出電流與負載電流之差。設DC/DC 變換器輸出電壓uo，輸出電流io，輸出功率po，負載電流iL，負載功率pL，總充電電流ic
，各充放電單元高壓側電流icn，低壓側電流icn′，蓄 電池電壓uBn，(n為充放電單元的個數)，則
另外，對於雙向DC/DC變換器，由功率守恒得出

(6)式中：Dn為第n個充電器的開關占空比，充電時為高壓側開關
，放電時為低壓側開關。

所以，測得icn′後即可得到icn
，得到Ic。這樣，控製器實時采集io，uo，iL，icn′，各蓄電池端電壓uBn等各數據，得出控製命令和保護措施。

係統充放電流程圖如圖6所(suo)示(shi)。充(chong)放(fang)電(dian)之(zhi)前(qian)，控(kong)製(zhi)器(qi)將(jiang)滿(man)荷(he)電(dian)和(he)已(yi)被(bei)開(kai)啟(qi)充(chong)放(fang)電(dian)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)從(cong)荷(he)電(dian)量(liang)序(xu)列(lie)中(zhong)去(qu)掉(diao)。然(ran)後(hou)按(an)照(zhao)各(ge)個(ge)蓄(xu)電(dian)池(chi)荷(he)電(dian)多(duo)少(shao)對(dui)其(qi)餘(yu)電(dian)池(chi)進(jin)行(xing)排(pai)列(lie)， 將荷電量不滿且缺量最多的蓄電池Bmax作為第一個充電的電池

，然後依次確定充電次序。充電器先從第一個開始充電
，即先將第一個充電器與DC/DC變換器 一(yi)起(qi)進(jin)行(xing)協(xie)調(tiao)控(kong)製(zhi)。當(dang)第(di)一(yi)個(ge)充(chong)電(dian)器(qi)的(de)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)達(da)到(dao)其(qi)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)最(zui)佳(jia)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)時(shi)
，轉(zhuan)入(ru)保(bao)護(hu)充(chong)電(dian)模(mo)式(shi)，對(dui)其(qi)開(kai)始(shi)進(jin)行(xing)恒(heng)流(liu)充(chong)電(dian)。在(zai)蓄(xu)電(dian)池(chi)端(duan)電(dian)壓(ya)達(da)到(dao)水(shui)解(jie)電(dian)壓(ya)(一般 為2.3V/單體

，高於此值便開始出現電池酸液水解現象)時
，轉為恒壓保護充電，並對過充電壓值進行溫度補償，溫度補償係數取-4mV/℃，直至充滿。然 後(hou)按(an)照(zhao)上(shang)述(shu)所(suo)說(shuo)方(fang)法(fa)開(kai)啟(qi)第(di)二(er)個(ge)充(chong)電(dian)器(qi)

，將(jiang)其(qi)添(tian)加(jia)到(dao)被(bei)控(kong)製(zhi)隊(dui)列(lie)中(zhong)，依(yi)次(ci)類(lei)推(tui)。控(kong)製(zhi)器(qi)協(xie)調(tiao)各(ge)個(ge)充(chong)電(dian)器(qi)

，使(shi)其(qi)都(dou)盡(jin)可(ke)能(neng)處(chu)於(yu)最(zui)佳(jia)充(chong)電(dian)模(mo)式(shi)下(xia)
，並(bing)盡(jin)可(ke)能(neng)將(jiang)先(xian)充(chong)電(dian)的(de)蓄(xu) 電池充滿。放電時與充電相似，實時計算po與pL之差，並以此計算出需放電的蓄電池數nf

，計算時以單個蓄電池的最佳放電電流ifb為條件，也就是說，由於icn′ =-ifb
，nf=Ic/|icn|。放電順序與充電相同，先從荷電量最大的蓄電池開始放電
，以防荷電量小的個體電池完全放電後得不到及時再充。當po與 pL之zhi差cha減jian小xiao時shi，以yi相xiang反fan的de順shun序xu斷duan開kai充chong放fang電dian單dan元yuan。當dang所suo有you蓄xu電dian池chi端duan電dian壓ya到dao達da設she置zhi的de放fang電dian終zhong止zhi電dian壓ya後hou，立li刻ke停ting止zhi放fang電dian，避bi免mian發fa生sheng過guo放fang電dian。看kan出chu，放fang電dian控kong製zhi比bi充chong電dian控kong製zhi相xiang對dui簡jian單dan。

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實驗結果

為了驗證方案的有效性
，進行了相關實驗。出於冗餘考慮，實驗用了額定功率3800W的38D1010X400型光伏電池方陣，15隻 100A•h(20h 率)
，放電深度為60%的蓄電池和一台1000W的負載、一台500W的負載，每3個蓄電池串聯為一個單元。其中1000W的負載一直運行
，而500W的 負載在13時加入
，並在15時退出。實驗數據見表1，結果表明，在各充放電電流為最佳的情況下
，總充放電電流仍能夠跟蹤光伏電池輸出功率的變化。最大功率 跟gen蹤zong和he蓄xu電dian池chi充chong放fang電dian情qing況kuang良liang好hao
，隻zhi有you一yi組zu蓄xu電dian池chi由you於yu負fu載zai變bian化hua沒mei有you充chong滿man。係xi統tong既ji實shi現xian了le光guang伏fu發fa電dian最zui大da功gong率lv跟gen蹤zong，又you對dui蓄xu電dian池chi實shi現xian了le最zui佳jia充chong放fang電dian。實shi驗yan結jie果guo與yu理li論lun分fen析xi 一致，證明該充放電電路拓撲及其控製方法是可行的。

 
zhezhongxinxingchongfangdiandianlutuopujiqikongzhifangfa
，yunxinglinghuo，nengshiguangfuxitonggongzuoyuzuijiazhuangtai，jiejueleguangfudianchizuidagonglvgenzonghexudianchizuijiachongdianzhijiandechongtu，tigaolexitongdexiaolvhekekaoxing
，hainengyongyuqitaxinnengyuanfadianxitong。

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