一種離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)新型充電管理方法

普平貴　王偉　傅洪波

摘 要：離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，將光伏方陣分為多路接入光伏控制器，通過對(duì)每路光伏充電單元進(jìn)行PWM控制對(duì)蓄電池充電，可以有效降低充電回路的發(fā)熱量，降低充電過程中的電磁干擾。

關(guān)鍵詞：離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)；控制器；充電管理

中圖分類號(hào)：TU39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-2064（2017）22-0152-02

1 引言

隨著人們低碳觀念的逐漸增強(qiáng)、環(huán)境意識(shí)的日趨提高和對(duì)化石能源的擔(dān)憂，以及光伏發(fā)電成本的迅速下降，太陽能電力已經(jīng)被廣泛利用，國內(nèi)光伏太陽能的應(yīng)用量也逐年倍增。除并網(wǎng)光伏系統(tǒng)快速增長外，離網(wǎng)光伏系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用于邊遠(yuǎn)地區(qū)家用照明、通信電源、道路監(jiān)控電源、國防通信、地震監(jiān)測(cè)和海島供電系統(tǒng)等常規(guī)電網(wǎng)難于進(jìn)入或者其它電力投資不經(jīng)濟(jì)的地區(qū)。并且隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，離網(wǎng)系統(tǒng)的容量也在增加，例如：由于通信基站容量的擴(kuò)大，通信電源功率也在增加；家用照明配套的太陽能電源也從以往的數(shù)十至數(shù)百瓦，增加到數(shù)個(gè)千瓦甚至更高容量。

對(duì)于配套于傳統(tǒng)離網(wǎng)系統(tǒng)的光伏控制器，小容量系統(tǒng)采用“PWM”方式充電管理，中大容量系統(tǒng)通常太陽電池多路接入控制器，控制器采用逐路切除或投入的“階梯式”方式充電管理，該管理過于粗糙和簡(jiǎn)單。并且該類型控制器仍然停留在追求設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性上，還沒有從根本上考慮整個(gè)系統(tǒng)的效率問題和相關(guān)設(shè)備的使用壽命問題，導(dǎo)致離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的效率極低，蓄電池實(shí)際使用壽命與設(shè)計(jì)壽命相差甚遠(yuǎn)。

離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，控制器負(fù)責(zé)管理光伏方陣對(duì)蓄電池充電和對(duì)負(fù)載設(shè)備供電。傳統(tǒng)控制器充電管理方式分別為：方式①一個(gè)光伏系統(tǒng)單路PWM控制對(duì)蓄電池充電；方式②采用MPPT技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電；方式③一個(gè)光伏系統(tǒng)分為多路充電單元、逐級(jí)投切方式實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電。

以上三種方式中，方式③為最原始的充電方式，其充電管理方式粗糙、控制精度低，充電效率低，充電過程中會(huì)造成蓄電池電壓大幅度波動(dòng)；方式②是近年來離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的主流應(yīng)用方式，該方式能夠保證光伏方陣實(shí)時(shí)處于最大功率輸出點(diǎn)，系統(tǒng)效率較高。但存在的問題是充電端增加了DC/DC模塊，而且一個(gè)光伏系統(tǒng)采用單路PWM控制，造成系統(tǒng)發(fā)熱量非常大，大電流充電過程中產(chǎn)生較大的電磁輻射；方式①是較為普遍的使用方式，其在小功率光伏系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但使用于中大功率光伏系統(tǒng)時(shí)，單路上電流非常大，對(duì)控制功率器件性能要求很高，其工作過程中產(chǎn)生非常大的熱量需要配置較大的散熱裝置。

基于以上控制器存在的問題，本方法提出了一種適用于海拔較高、散熱難度大的地域，以及對(duì)電磁干擾較為敏感的負(fù)載設(shè)備領(lǐng)域的光伏控制系統(tǒng)，該設(shè)備發(fā)熱量較小、充電管理精度較高、充電過程中電磁輻射量較小的新型充電方式。

2 實(shí)現(xiàn)方法

該控制器的設(shè)計(jì)如圖1，將一個(gè)光伏方陣平均分為N個(gè)充電單元，每個(gè)充電單元順序接入控制器的各路太陽電池方陣輸入端，共計(jì)形成N個(gè)充電回路。

充電過程中，微電腦控制板和主控制板對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并作出判斷，將控制信號(hào)根據(jù)需求發(fā)送至各充電回路的開關(guān)器件上，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)充電控制過程。

當(dāng)蓄電池電壓上升至需要逐步切除光伏方陣容量時(shí)，各路開關(guān)器件動(dòng)作方式如下：

（1）第2路至第N路開關(guān)器件處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，第1路充電開關(guān)以PWM方式，從100%導(dǎo)通逐步向0%導(dǎo)通步進(jìn)。步進(jìn)大小和速度快慢根據(jù)蓄電池電壓狀況判定。若該回路PWM已經(jīng)調(diào)制為0%導(dǎo)通，蓄電池電壓仍然有上升的趨勢(shì)，則：

（2）第1路開關(guān)器件關(guān)閉，第3路至第N路開關(guān)器件處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，第2路充電開關(guān)以PWM方式，從100%導(dǎo)通逐步向0%導(dǎo)通步進(jìn)。步進(jìn)大小和速度快慢根據(jù)蓄電池電壓狀況判定。若該回路PWM已經(jīng)調(diào)制為0%導(dǎo)通，蓄電池電壓仍然有上升的趨勢(shì)，則：

（3）第1、2路開關(guān)器件關(guān)閉，第4路至第N路開關(guān)器件處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，第3路充電開關(guān)以PWM方式，從100%導(dǎo)通逐步向0%導(dǎo)通步進(jìn)。步進(jìn)大小和速度快慢根據(jù)蓄電池電壓狀況判定。

（4）若該回路PWM已經(jīng)調(diào)制為0%導(dǎo)通，蓄電池電壓仍然有上升的趨勢(shì)，則依次讓后面各回路逐次執(zhí)行以上控制方式，直至全部回路開關(guān)器件處于關(guān)閉狀態(tài)。

當(dāng)蓄電池電壓處于下降趨勢(shì)狀態(tài)，需要逐步投入光伏方陣容量時(shí)，各路開關(guān)器件動(dòng)作方式如下：

（1）第1路至第N-1路開關(guān)器件處于完全關(guān)閉狀態(tài)，第N路充電開關(guān)以PWM方式，從0%導(dǎo)通逐步向100%導(dǎo)通步進(jìn)。步進(jìn)大小和速度快慢根據(jù)蓄電池電壓狀況判定。若該回路PWM已經(jīng)調(diào)制為100%導(dǎo)通，蓄電池電壓仍然有下降的趨勢(shì)，則：

（2）第1路至第N-2路開關(guān)器件處于完全關(guān)閉狀態(tài)、第N路開關(guān)器件處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，第N-1路充電開關(guān)以PWM方式，從0%導(dǎo)通逐步向100%導(dǎo)通步進(jìn)。步進(jìn)大小和速度快慢根據(jù)蓄電池電壓狀況判定。若該回路PWM已經(jīng)調(diào)制為100%導(dǎo)通，蓄電池電壓仍然有下降的趨勢(shì)，則：

（3）第1路至第N-3路開關(guān)器件處于完全關(guān)閉狀態(tài)、第N、N-1路開關(guān)器件處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，第N-2路充電開關(guān)以PWM方式，從0%導(dǎo)通逐步向100%導(dǎo)通步進(jìn)。步進(jìn)大小和速度快慢根據(jù)蓄電池電壓狀況判定。

（4）若該回路PWM已經(jīng)調(diào)制為100%導(dǎo)通，蓄電池電壓仍然有下降的趨勢(shì)，則依次讓后面各回路逐次執(zhí)行以上控制方式，直至全部回路開關(guān)器件處于全導(dǎo)通狀態(tài)。

通過將一個(gè)光伏方陣平均分配為N路獨(dú)立充電，根據(jù)Q=I2R定理，充電過程中的發(fā)熱量將大大降低。同時(shí)，由于功率開關(guān)器件在關(guān)斷狀態(tài)、無電流經(jīng)過時(shí)自然不會(huì)產(chǎn)生熱量；在全導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)阻非常低，僅產(chǎn)生較少的熱量，而且全導(dǎo)通狀態(tài)恒流通電，本身不會(huì)生產(chǎn)電磁波；在PWM過程中，功率開關(guān)器件在導(dǎo)通/關(guān)閉節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大熱量。

通過該種控制方式，單路PWM過程中產(chǎn)生的熱量將大大降低。而且將發(fā)熱量分配在N個(gè)回路上，通過N個(gè)回路輪流PWM運(yùn)行，有利于功率開關(guān)器件在停止PWM控制時(shí)段的充分散熱和休整，避免了單個(gè)功率開關(guān)器件一直處于PWM控制時(shí)發(fā)熱量的快速上升，并長期處于異常溫度中導(dǎo)致壽命縮短。同時(shí)，當(dāng)某個(gè)充電回路出現(xiàn)故障時(shí)，其它回路也能夠照常以PWM方式控制管理充電。

3 結(jié)語

中大型離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)一般應(yīng)用于電網(wǎng)無法延伸的環(huán)境較為惡劣的地域，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括移動(dòng)通信、道路監(jiān)控、森林防火、地震監(jiān)測(cè)、國防通信等。對(duì)于目前國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的移動(dòng)通信電源系統(tǒng)，主要分布于西藏、青海等海拔很高的高原地區(qū)，該地區(qū)由于海拔較高、空氣稀薄，導(dǎo)致功率器件自然散熱條件大大下降，對(duì)于系統(tǒng)降溫設(shè)計(jì)非常要必要。在以往該類型系統(tǒng)故障中，在散熱方面出現(xiàn)的問題占比較高。該地域設(shè)備維修成本非常高，而且道路較為艱險(xiǎn)，因此對(duì)于散熱系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是非常有必要的。

參考文獻(xiàn)

[1]吳佳妮.離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015：140-143.

[2]程啟明.小型離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，30（3）：199-218.