一种新型独立太阳能发电系统充放电电路拓扑

图4 系统电路图

　　
图5 双向DC/DC变换器

　　本系统真正实现了在光伏电池最大功率输出下对蓄电池进行最佳充放电。由图1可看出，光伏电池的最大功率点电压、电流在不同的情况下是变化的。所以，在负载不变的情况下，就需要系统同时调节充电电流来协调光伏电池最大功率跟踪，这样才能实现光伏电池最大功率输出。为了实现光伏电池最大功率输出时对蓄电池进行最佳充放电，负载确定后，控制器同时同方向调整DC/DC变换器和充电器的占空比D，实现最佳充电，也使放电的蓄电池按最佳放电电流放电。在光伏电池运行于最大功率点的前提下，本系统方案包括：
　　1)规定负载的最高限值，保证蓄电池能完成晚间或阴天的单独供电。
　　2)充电时，同时调节光伏工作点跟踪DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，由其动态地确定需充电蓄电池数;
　　3)放电时，同样要判断光伏输出功率和负载功率的最大差，以此来确定参加放电的蓄电池数;
　　4)充放电都要维持蓄电池的最佳充放电模式。
　　从图4可以看出，直流母线电压和DC/DC变换器输出电压及负载输入电压相等，总充放电电流ic为DC/DC变换器输出电流与负载电流之差。设DC/DC变换器输出电压uo，输出电流io，输出功率po，负载电流iL，负载功率pL，总充电电流ic，各充放电单元高压侧电流icn，低压侧电流icn′，蓄电池电压uBn，(n为充放电单元的个数)，则
　　Po=uoio，PL=uoiL(1)
　　ic=io-iL=
icn(2)
　　另外，对于双向DC/DC变换器，由功率守恒得出
　　u1i1=u2i2(3)
　　又占空比D=ton/T，则
　　
(4)
　　icn=i1=
i2=
icn′(5)
　　ic=

icn′(6)
　　式中：Dn为第n个充电器的开关占空比，充电时为高压侧开关，放电时为低压侧开关。
　　所以，测得icn′后即可得到icn，得到Ic。这样，控制器实时采集io，uo，iL，icn′，各蓄电池端电压uBn等各数据，得出控制命令和保护措施。
　　系统充放电流程图如图6所示。充放电之前，控制器将满荷电和已被开启充放电的蓄电池从荷电量序列中去掉。然后按照各个蓄电池荷电多少对其余电池进行排列，将荷电量不满且缺量最多的蓄电池Bmax作为第一个充电的电池，然后依次确定充电次序。充电器先从第一个开始充电，即先将第一个充电器与DC/DC变换器一起进行协调控制。当第一个充电器的充电电流达到其蓄电池的最佳充电电流时，转入保护充电模式，对其开始进行恒流充电。在蓄电池端电压达到水解电压(一般为2.3V/单体，高于此值便开始出现电池酸液水解现象)时，转为恒压保护充电，并对过充电压值进行温度补偿，温度补偿系数取-4mV/℃，直至充满。然后按照上述所说方法开启第二个充电器，将其添加到被控制队列中，依次类推。控制器协调各个充电器，使其都尽可能处于最佳充电模式下，并尽可能将先充电的蓄电池充满。放电时与充电相似，实时计算po与pL之差，并以此计算出需放电的蓄电池数nf，计算时以单个蓄电池的最佳放电电流ifb为条件，即icn′=-ifb，nf=Ic/|icn|。放电顺序与充电相同，先从荷电量最大的蓄电池开始放电，以防荷电量小的个体电池完全放电后得不到及时再充。当po与pL之差减小时，以相反的顺序断开充放电单元。当所有蓄电池端电压到达设置的放电终止电压后，立刻停止放电，避免发生过放电。可以看出，放电控制比充电控制相对简单。

　　
图6 充放电系统运行流程图

　　4 实验结果
　　为了验证方案的有效性，进行了相关实验。出于冗余考虑，实验用了额定功率3800W的38D1010X400型光伏电池方阵，15只100A·h(20h率)，放电深度为60%的蓄电池和一台1000W的负载、一台500W的负载，每3个蓄电池串联为一个单元。其中1000W的负载一直运行，而500W的负载在13时加入，并在15时退出。实验数据见表1，结果表明，在各充放电电流为最佳的情况下，总充放电电流仍能够跟踪光伏电池输出功率的变化。最大功率跟踪和蓄电池充放电情况良好，只有一组蓄电池由于负载变化没有充满。系统既实现了光伏发电最大功率跟踪，又对蓄电池实现了最佳充放电。实验结果与理论分析一致，证明该充放电电路拓扑及其控制方法是可行的。
表1    实 验 数 据

时间	光伏电池输出功率/kW	充电电流ic/A
5:00	0	－10
10:00	1.75	7.49
13:00	2.40	13.98
14:00	2.25	7.46
15:00	1.82	8.19
18:00	0.38	－6.19