独立光伏系统的应用及控制策略探讨

匹配。光伏系统的核心部件在于控制器，主要作用有两点：一是防止蓄电池过充电和过放电，并对供电系统进行全面的监测、管理、控制和保护；二是实现系统的能量控制策略，控制DC/DC变换电路工作^[1]。

　　独立光伏发电系统目前面临以下两个问题：一是能量密度不高，整体的利用效率较低，前期的投资较大；二是独立发电系统的储能装置一般以铅酸蓄电池为主，蓄电池成本占光伏电站初始设备成本的25％左右，而对于蓄电池的充放电控制比较简单，容易导致蓄电池提前失效，增加了系统的运行成本^[2]。蓄电池在20年的运行周期中占投资费用的43%，大多数蓄电池并不能达到设计的使用寿命，除了蓄电池本身的缺陷和管理维护不到位外，蓄电池运行管理不合理是导致蓄电池提前失效的重要原因^[3]。因此对于独立发电系统，提高能量利用率，研究科学的系统能量控制策略，可以降低独立光伏系统的投资费用。

　　2．控制策略的现状分析

　　在太阳能光伏系统的发展过程中，从直接连接发展到应用电能变换器、微处理器和电脑监控的综合控制系统，尤其是随着微处理器技术和电力电子技术的快速发展，能量利用的效率逐渐提高。从近几年国内外公开发表比较典型的文献来看^[4-6]，主要研究光伏系统充放电控制策略和能量管理，其中蓄电池的充放电控制、功率跟踪控制、控制器设计三个方面的独立研究较多，存在的问题主要有以下三点：（1）光伏组件的功率跟踪与蓄电池荷电状态之间的配合控制关系简单，常用的阶段性控制策略有待改进；（2）对于蓄电池的分组充放电管理，缺少详细的设计；（3）独立光伏系统蓄电池的充放电控制、功率跟踪控制、控制器设计三者之间没有公开发表的综合性能量控制策略。

　　本文针对上面提出的第二个问题进行了分析研究，主要从独立光伏系统在军营电力供应中的应用入手，对分组的原则和控制进行了探讨。实际系统中的负荷分为重要负荷和一般负荷，重要负荷对于供电的可靠性要求很高，而蓄电池的分组充放电策略对于电力负荷分级供电具有很大的现实意义。

四、分组充放电控制策略分析

　　1．分组策略的提出

　　为了加强对蓄电池的充放电管理，同时提高对负荷的供电可靠性，可以对光伏系统中的蓄电池进行分组管理，使其变成多个容量较小的蓄电池组，主要基于以下几个原因：

　　（1）提高充电电流，有效地利用太阳能阵列的能量，减小长期的小电流放电和小电流充电对蓄电池带来的不良影响，避免小电流放电产生大的结晶；

　　（2）蓄电池在大电流放电后的接收电流能力较强，因此分组可以适当增加充电的效率；

　　（3）分组能够实现对于蓄电池组的维护性充电，在光照条件和蓄电池容量允许的条件对于蓄电池进行维护性的均衡充电，适当的过充能够避免电池电解液的分层；

　　（4）能够实现充电的同时，又能为白天需要保证的重要负载放电。

　　2．分组管理的原则

　　蓄电池分组要考虑整个系统的设计容量，综合考虑光伏阵列在最大太阳辐射下的最大输出电流与蓄电池组的最大可充电电流的关系，分组的主要原则如下：

　　（1）系统光伏阵列最大输出电流要小于蓄电池组的最大可充电电流。主要是针对蓄电池的荷电状态较低时的充电接收能力而言，可接受的充电电流稍微大于阵列的最大输出电流；

　　（2）分组要考虑系统中负载的大小，放电电流在厂家规定的放电率附近，以一个工作日放电容量占蓄电池小组容量的20%左右为宜；

　　（3）分组要考虑控制系统的设计与实现，不宜太多，一般不超过3组，以2~3组为宜。

　　3．分组控制电路的结构分析

　　以分两组为例，控制的策略如下：首先预测容量，对于容量较小的蓄电池组先充电，同时允许另一组放电；在线判断两组容量的变化，当两组容量相差达到30%以上时，进行充电和放电（或者静置）状态的切换；结合系统的控制策略，达到均衡充放电的目的，同时在系统的荷电状态较低时，应输出低荷电状态提示，结合负载的分级限制输出电流，分组控制电路结构如图2所示。

　　图2中KM1、KM2、KM3、KM4为充放电控制继电器，电路中接入常开触点，KM3为辅助常闭触点，电路主要是实现上面提出的控制策略，选择电压和电流满足要求的继电器可以实现控制的要求，控制指令如表1所示。

表1 分组充放电控制继电器指令表

以上的控制系统虽然能够考虑所有的工作情况，但是控制复杂，对于千瓦级的系统，效果较好，对于容量较小的光伏系统，简化系统中的控制环