（电力电子与电力传动专业论文）独立光伏系统中蓄电池管理的研究.pdf

旦一 盒塑三些查兰堡圭兰笙堡壅 s t u d y o nt h e b a t t e r i e s m a n a g e m e n t i n s t a n d - a l o n ep h o t o v o l t a i c s y s t e m a b s t r a e t n o w a d a y s ，w i t h t h e i n c r e a s i n g o fe n e r g ye x h a u s t i o na n de n v i r o n m e n t p o l l u t i o n ，t h e a p p l i c a t i o n o fp h o t o v o l l i i c t e c h n o l o g y h a sb e c o m ea h o t s p o to ft h ew h o l ew o r l d s ot h e g r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l l i i cs y s t e ma n dt h es t a n d - a l o n ep h o t o v o l t a i cs y s t e md e v e l o pq u i c k l y e s p e c i a l l y , i th a sb e c o m et h en a t i o n a l e m p h a s i so fi n v e s t m e n tt od e v e l o pt h es l i n d a l o n e p h o t o v o l t a i cs y s t e m s ，i tc a ns u p p l yr e s i d e n t sw h i c hl i v ei nr e m o t ea n d o rf a rf r o mu t i l i t yg r i d a r e aw i t hp o w e r t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es l i n d a l o n ep h o t o v o l t a i cs y s t e mu s i n gv a l v er e g u l a t e dl e a d - a c i d b a t t e r y ( v r l a ) i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n dr e d u c ec o s to ft h es y s t e m ，w ep a yo u r e m p h a s e s o nt h e i m p l e m e n t a t i o n a b o u tt h e c h a r g i n g ，d i s c h a r g i n g , c a p a c i t yp r e d i c t i o n ， m a i n t e n a n c e o f s t o r a g eb a t t e r i e s ，a n ds oo n t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ； 1 a no v e r v i e wo n d e v e l o p i n ga c t u a l i t y o fm a n a g e m e n to f s t o r a g e b a t t e r i e si nt h e s t a n d a l o n ep h o t o v o l l i i cs y s t e ma th o m ea n da b r o a di sd i s c u s s e d 2 t h ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n ge l e c t r o c h e m i s t r ym e c h a n i s mo ft h e s t o r a g eb a t t e r y i s a n a l y z e d t h ee q u i p m e n to f m e a s u r i n gc a p a c 时o f s t o r a g eb a t t e r i e si sd e v e l o p e d 3v a r i o u sc h a r g i n gm o d e l so fl e a d a c i d s t o r a g eb a t t e r ya r ea n a l y z e d m o r ed i s c u s s i o n s a b o u tt h e i rf e a s i b i l i t yo f a p p l i c a t i o na l et a k e n s i m u l t a n e o u s l y , t h ec h a r g i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y ( i n c l u d i n gt h em p p tt e c h n o l o g yf o rp h o t o v o l t a i ca r r a y ) i np h o t o v o l l i i cs y s t e mi ss t u d i e d 4 t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ec a p a c i t yo ft h es t o r a g eb a t t e r ya r ed e t a i l e da n dv a r i o u sm e t h o d s o rm o d e l sp r e d i c t i n gt h ec a p a e i t yo f t h e s m r a g eb a t t e r ya r ep r e s e n t e d 5 t h ep a p e rp r o p o s e sam e t h o dt h a tc o m b i n e s “m a s sl a w - - a c c e p t a b l ec h a r g i n gc u r r e n t w i t ht e c h n o l o g yo fs o l a rp h o t o v o l l i i ca r r a y sm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gi ns t a n d - a l o n e p h o t o v o l t a i es y s t e m i tr e a l i z e sae f f i c i e n tc h a r g i n gm a n a g e m e n to fv r l as t o r a g eb a t t e r y a n d f u z z yh i e r a r c h i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt o t h ed e p o l a r i z a t i o nc o n t r 0 1 i ta c h i e v e st h e m a x i m a le n e r g yu t i l i z a t i o no f t h es y s t e m w i t ht h et e c h n o l o g y , t o om u c hr u l e so f t h em o r ef u z z y i n p u tp a r a n l e t e r sc a ob ed e c r e a s e de f f e c t i v e l y , b u tt h ec o n t r o l e f f e c td o e s n td e c r e a s e 6 as i m p l et e s tm e t h o df o ra r r a ym p p tc o n t r o li sp r o p o s e da n di sv e r i f i e d 7 t h ep a p e rd e s c r i b e sac a p a c i t yp r e d i c t i n gm e t h o d ：c o m b i n i n gt h eo p e nc i r c u i tv o l t a g e p r e d i c t i o nw i t ht h ef u z z yp r e d i c t i o no ft h e “s t o r a g eb a t t e r i e sh e a l t h ”a n dt h em e t h o dd o e sn o t o n l y i n c r e a s et h ep r e d i c t i o ns p e e db u ta l s oi m p r o v et h ep r e d i c t i o np r e c i s i o n ，s oi t c a l lo f f e r c r e d i b l ed a t at oc h a r g i n gm a n a g e m e n t 8 i n t e g r a t e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fs t o r a g eb a t t e r yi nt h es t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i cs y s t e m ，t h e 鱼里三些查兰堕圭堂堡丝壅! 望 p a p e rp r o d u c e s av a l i dm e t h o df o rt h e c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gm a n a g e m e n t ： 1 ) t h es t o r a g e b a t t e r i e sa r e g r o u p e d i no r d e rt oa c h i e v et h e a v e r a g e c h a r g i n g 、t h e a v e r a g e d i s c h a r g i n ga n dt h eq u i c k - c h a r g i n g 2 ) w h e nt h ee n e r g yo fp h o t o v o l t a i ca r r a yi s f u l l ，c a p a c i t ym a i n t e n a n c et ot h e “i l l n e s s ” s t o r a g eb a u e r yi st a k e n 3 ) u n d e rt h ec u r r e n ts y s t e mc o n d i t i o n ，t h et i m e ( h o u r s ) t h a tt h eb a t t e r i e sc o n t i n u et ow o r ki s d i s p l a y e d 4 ) i t sn e c e s s a r yt om a i n t e n a n c ec h a r g i n gi no r d e rt op r o l o n gt h el i f eo f t h es t o r a g eb a t t e r y 9a c h a r g i n g ( d i s c h a r g i n g ) c i r c u i tf o rs t o r a g eb a t t e r ya n dad c d cc i r c u i tf o rm p p to f a r r a ya r ed e s i g n e d 1 0 a ne n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nam s p 4 3 0 f 1 4 7i ns t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i c s y s t e mi sd e s i g n e d i ta c h i e v e sa r r a y sm p p tc o n t r o l ，t h es t o r a g eb a t t e r i e s c a p a c i t yp r e d i c t i o n ， c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g c o n t r 0 1 ii ap r o g r a mi sd e s i g n e d ，w h i c hc a na c c o m p l i s ht h es t r a t e g yf o ra r r a y sm p p t c o n t r o l ， t h e s t o r a g eb a t t e r i e s c a p a c i t yp r e d i c t i o n ，t h es t o r a g eb a t t e r i e s c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g c o n t r 0 1 f i n a l l y , t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sh a v ep r o v e dt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o d sh a v e s o m e a d v a n t a g e s k e y w o r d s ：s t a n d - a l o n e p h o t o v o l t a i cs y s t e m ，v r l a s t o r a g eb a t t e r y ，c h a r g i n g ，d i s c h a r g i n g ，f u z z y c o n t r o l ，m i c r o c o m p u t e r , m p p t ( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ) ，r e s i d u a lc a p a c i t y , i n t e r n a l r e s i s t a n c e ，s t a t eo f c a p a c i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金g b 王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金墨王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金胆 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期：年月日 学位论文作者毕业去向 工作单位 通讯地址 导师签名 签字日期：年月 日 电话： 邮编： 台肥工业大学博士学位论文 致谢 论文是在导师余世杰教授的精心指导和关怀下完成的，在此向导师表示最衷心的感 谢! 在整个攻读博士学位期间，在学业和生活上自始至终得到余老师与师母何老师的悉心 关怀，使我在知识能力和学术水平上都得到了很大的提高，并将终身受益。余老师的学识 渊博，思维开阔，治学态度非常严谨，特别对工作废寝忘食，一丝不苟，对人处处关心， 诲人不倦的作风，为我树立了为人与治学的榜样，并将激励我不断前进。再次对向导师表 示诚挚的敬意和深深的谢意! 在能源所的近四年学习中，始终得到苏建徽老师在生活上的关心，学习上的指导。苏 老师的博学、忘我的：l 作以及平易近人的作风，使我受益非浅。 感谢能源所张国荣老师、茆美琴老师、刘翔老师、赵为博士等其他老师给予我无私关 怀和帮助。 感谢中山大学的沈玉梁老师给予我学习上的帮助和指导! 感谢郑诗程博士、王飞博士、汪海宁博士、鞠红新博士、王培珍博士在我论文工作和 实验上的帮助! 感谢能源所内的忘我学习和工作的师弟、师妹们为我提供生活和学习上的帮助和支 持! 感谢博士班的老友们，对我学习、工作与生活上的帮助，伴我度过了四年美好的时光! 感谢安徽理 大学的李敬兆博士四年来给予的学习、工作与生活上的帮助和关心! 感谢安徽理i ：大学电气系的领导和老师，对我工作上的照顾，学习上的关心! 感谢电气学院的丁明教授、张崇巍教授、陈梅老师、曹彩萍老师、孙鸣老师、李生虎 老师、肖本贤老师、杜少武老师对我的帮助与关心! 感谢研究生部的领导与老师们的帮助与关心! ， 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友! 感谢我的父母亲、兄弟、姐妹对我的支持和关心! 感谢我的妻子柏方艳四年来一直支持、鼓励我的学习，给予生活上的照顾和工作上的 帮助。 作者：欧阳名三 2 0 0 4 年5 月于合工大 x i v 合肥工业大学博士学位论文 符号清单 i l - - - 光电流，a ： i o - - 反向饱和电流，a ； q 一电子电荷( 16 量1 0 。9 c ) ： k _ 一玻尔兹曼常数c13 8 + 1 0 。2 3 j k ) ； t 绝对温度，( k ) ； a 一二极管冈子； r s 一串联电阻( 0 ) ： r s h 并联电阻，( n ) 。 u - - - 蓄电池端电压( v ) ： a r p 一止极板的超电势( v ) ； p 一一负极板的超电势( v ) ； i 充、放电电流( a ) ； r - - - 蓄电池内阻( q ) 。 q r _ _ 一电池在当前条件下还能输出的容量( 剩余容量) ； q s u m 电池在当前条件卜- 所能放出的最大容量。 n - - - 表征蓄电池型号的常数，其值一般在1 3 5 1 7 之间； c 温度在2 5 时，蓄电池的容量或称额定容量( a h ) ； a 。一容量的温度系数，它是指温度每变化1 c 时，蓄电池容量的变化系数( c ) q 2 5 一t 温度f 的输山容量转换3 j 2 y c 时的容量值。 q m 过充电量 c - 一电流if ，温度为t 时的蓄电池初始容量： c s d 一白放电容量： n 一充电系数， e 一蓄电池电压； r 内_ - 蓄电池的内阻( q ) l o - - - 当t = 0 时的最大起始电流c a ) c i 一衰减率常数，也称充电接受比 k c 一蓄电池不可恢复性容量影响系数 ar 一内阻的温度系数c - 0 o l 0 0 5 ) o d 一开关占空比； t s 开关 作周期。 i g b t 功率模块： v v b v e r yv e r yb i g ( 极大) ； v b v e r yb i g ( 很大) ： 台肥工业大学博士学位论文 b b i g ( 大) m m e d i u m ( 中) v v s v e r yv e r ys m a l l ( 极小) v s - 一- v e r ys m a l l ( 很小) s s m a l l ( 小1 p w m 脉冲宽度调制 u 一蓄电池极化电压 合肥工业大学博士学位论文 1 1 光伏发电系统发展 第一章绪言 能源枯竭与环境污染问题已是目前全世界面临的重大问题，许多国家采取了提高能源 利用率、改善能源结构、探索新能源和可再生能源等措旌，以达到可持续发展的目的。开 发利用新能源和可再生能源是2 1 世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术之一，充分开 发利用太阳能是世界各国可持续发展的能源战略决策。其中光伏发电最受瞩目。 光伏利用以电能作为最终表现形式，具有传输方便、无污染、取之不竭、可存储性安 全可靠，无噪声，能量随处可得，不受地域限制，无需消耗燃料，无机械转动部件，故障 率低，维护简便，可以无人值守，建设周期短，规模大小随意，无需架设输电线路，可以 方便地与建筑物相结合等方面的强劲优势，这些优点都是常规发电和其它发电方式所不及 的。由于太阳能电池的原料一硅的储量十分丰富，所以随着太阳电池转换效率的不断提 高，生产成本的不断下降，太阳能光伏发电将在能源、环境和人类社会未来发展中占据重 要地位。 太阳能光伏发电就是将由太阳电池阵列产生的电能加以应用，有直流和交流应用两种 方式如图1 - 1 所示： 直接传输给直流负载直接使用或利用蓄电池存贮供以后使用； 直接通过逆变电路变换为交流电供给负载或并入电网。 图1 1 太阳能发电及应用系统框图 从目前使用情况及今后一段时期发展来看，大部分光伏发电应用不是在并网，而是作 为独立的光伏电站。这主要是由于光伏发电的设备成本较高，目前太阳能光伏发电装置价 2 第一章绪言 钱太高，每k w 装机是常规火电的l o 倍以上【2 0 】，其发电成本为常规发电的2 5 倍【3 i ，如 果没有得到政府的资助，并网发电是亏本的，因而影响了其大量推广应用。而对于无电的 偏僻地区，用户少且分散，架设的电网供电路途遥远，初期投资与运营成本也很高。采用 光伏电站发电相对成本较低，而且配置灵活( 电站容量可大可小) ，无污染，使用维护简单， 不受距离的限制，只要有阳光就有电，因而光伏发电在偏僻地区作为户用电源和无人值守 的通讯站、灯塔、航标、阴极保护等的电源得到大量的应用j ，也是光伏发电市场增长的 重要组成部分“。如我国致力于两部大开发，中部和西部有着很大的用电市场，西部太阳 能丰富，大规模使用光伏电池是火有前途的，对于这些地区的经济发展和人民生活提高有 很大作用口，另外，国家继续建设“送电到乡”工程，以告别我国有无电乡的历史，现在 正启动“全球环境基金世界银行可再生能源发展项目”5 年中推广约2 3 万套光伏户用电 源系统和约i o m p w 光伏发电”j 。 1 2 独立光伏系统蓄电池管理的研究 1 2 1 研究内容 除了太空电站外其它光伏发电系统的应用都受到白天有日照和夜晚无日照的影响。 而对于其负载无论白天和晚上都可能要运行。对于这一类负载在整个系统中就要选用蓄电 池作为能源存贮单元。通常的独立光伏系统结构如下图所示。当今国内外在光伏系统中主 要使用的蓄电池有【2 】： 图1 - 2独立光伏电源系统框图 开口铅酸蓄电池( v e n t l e a d a c i d b a t t e r y ) 阀控铅酸蓄电池( v a l v er e g u l a t i o nl e a d a c i db a t t e r y v r l a ) 镍钙、镍氢、镉镍电池( n i c k e l c a l c i u m ，n i c k e l h y d r o g e n b a t t e r y ) 在这三大类电池中，开口铅酸蓄电池由于在其使用过程中存在水的易挥发、易泄漏、 比容量低等缺点，而镍钙、镍氢电池容量虽大，但价格昂贵，免维护蓄电池( v r l a ) 由 于其容量大、价格低、自放电率低、结构紧凑、不存在镉镍电池的“记忆效应”、寿命氏、 基本免维护等优越性【2 9 】【3 0 】h 4 心心1 ，对于无人值守或缺少技术人员的偏远地区使用特别 有利，因而在独立光伏系统中大量应用h 5 】1 4 6 】，而且将在今后一段时期继续大量使用9 “1 在独立光伏系统中蓄电池起着至关重要的作用：白天它既能作为太阳能不足的补充， 合肥工业大学博士学位论文 又能作为多余太阳能的存贮：夜晚它是负载的唯一能源。虽然在不同地方( 光照、温度不 同) ，不同要求( 负载、可靠性等) 的独立光伏系统中蓄电池配置的容量有较大不同，但对 于使用v r l a 蓄屯池的系统来说，在系统的初期投资中它一般占到i 4 i 2 4 1 ，而蓄电池又 是整个光伏系统中较薄弱的环节【“1 ，使在独立光伏系统整个运行寿命中蓄电池成为最昂贵 的部件【1 0 1 ，这主要由丁二许多蓄电池达不到其使用寿命，而提前失效，系统不得不更换。这 些问题的解决除了对蓄电池本身进行性能提高外，系统能量管理的好坏对评价整个系统的 性价比影响重大【”1 ，特别是对蓄电池的充、放电控制。而蓄电池的寿命和性能容易受到下 列因素的影响： 环境温度一般在0 4 0 2 2 之间。过低使蓄电池输出容量大大降低，容易使蓄电池过早 无输出：高温虽然使它的输出容量能增加，但加快了它的极板的硫化。 充电电压太高使蓄电池产生过充；太低，蓄电池充电不足，充电达不到蓄电池容量 并结束充屯过程，这样会使蓄屯池加速老化，降低蓄电池的使用容最和寿命0 7 1 1 4 3 1 m 1 。 放电深度太深，容易加快电池的老化 不同的充电方式 放电电流大小 荷电状态的高低 对以上影响蓄电池的因素进行控制，在独立光伏系统有不同于其它系统蓄电池管理的 特点，其特殊性表现在： 充电电源来自于太阳能阵列，能源不用则失，而且系统设计的太阳能阵列容量有限， 并“限时不定量供应”。 放电深度必须适中，太浅蓄电池容量要大，投入就大。太深蓄电池寿命缩短，发电 成本增加。 每天得进行放电和充电： 容易造成：低光照时，蓄电池欠充：高光照时，蓄电池过充”1 ： 有时由于蓄电池充电速度慢，虽然有足够太阳能，但蓄电池不能全部接受，造成欠 充。 为充分利用太阳能，必须高效充电方式。 如何降低这些因素对蓄电池的影响，采用合理优化的算法，保证系统供电和延长蓄电 池的使用寿命兼顾，使整个光伏系统的运行及性能指标达到最佳，将是管理系统的研究 内容。正如文献 28 提出能量管理系统就是设计出软件和硬件使系统中蓄电池的使用寿命 最大化的同时，使它在每一个放电周期有最大能量输出。因而应从蓄电池管理入手主要做 到： 了解蓄电池的健康状态s o h ( s t a t e o f h e a l t h ) 根据s o h 以及其它参数，确定蓄电池的荷电状态s o c ( s t a t eo f c a p a c i t y ) 根据蓄电池的s o h 与s o c ，确定合适的充电策略，提高蓄电池的s o c 。 根据蓄电池的s o c ，制定放电策略 4 第一章绪言 1 2 2 国内外研究现状 独立光伏系统从单一的直流供电输出到现在的交、直流并存输出，经历了几十年的发 展。每一个独立光伏系统都是根据具体要求进行设计，其中包括： i 使用地点( 考虑日照大小、温度变化及时间或太阳能阵列每天的能产生的电量) i i 负载特性( 大小以及电源要求等) i i i 使_ f ； j 要求( 可靠供电率包括太阳能阵列和蓄电池容量大小选择) 系统使用寿命 v 充电器与逆变器选择 初期成本等。 对于具体的光伏系统来说，大部分从可靠性和经济性两方面综合考虑，其中许多参数 是基于经验给出的：如太阳能电池板的安装倾角【6 1 1 1 1 8 料】、每天太阳能阵列发出电量的平均 安时( a h ) 数、充电器效率、逆变器效率1 8 j f 9 】以及蓄电池寿命等。而对于实际应用的某一 系统，各种设备都有其各自的固定参数值( 太阳能阵列的功率、蓄电池安时能最等) 。虽然 能量存贮系统性能随着蓄电池的发展而不断得到提高，但提高这个系统的性价比始终是研 究的永恒的主题。 正如前所述在独立光伏系统的蓄电池是系统中最薄弱的环节，而且它在系统中的作用 不可替代的，因而针对大多系统中采用的免维护铅酸蓄电池的管理研究成为研究中的重点。 而对蓄电池来说充电控制和容量预测是其核心。正如文献【1 l 】指出：有个好的充电器将 对提高系统性能起重要作用。对于充电控制器，国外研究比较深入，已经有不少的充电器 产品具有很高的性能【1 3 1 ：( 1 ) 内部温度补偿、( 2 ) 动态过充保护、( 3 ) 智能充电控制策 略( 太阳能阵列输出最大功率点跟踪技术等) 、( 4 ) 抗操作错误【1 3 】。而蓄电池的当前容量 和还能充入的容量是充电控制必须考虑的一个因素，因为当蓄电池容量损失后如果充电 控制不知道容晕损失为多少，则充电策略为使蓄电池尽快充满而不停地努力着，甚至在实 际已经充满的情况下，还不停进行充电操作，容易造成过充的现象。而且它也是用户想了 解的一个重要参数：当前负荷下电源还能维持多长时间，特别是对于某些有重要负荷的场 所，为保证重要负荷的运行，在一定的容量下必须切断其它负荷来保证其重要负荷的继续 运行。因而对于容量的预测也是相当重要。正如文献 2 7 】指出在光伏系统中最重要的设备 是能使蓄电池保持长寿命、高性能、少维护，因而它不仅能控制充电，而且能在蓄电池放 电期间给出剩余容量信息，为避免在蓄电池低荷电状态下的硫化和产生其他危害t 它能警 告用户，并在一个安全的状态下切除负载。在国外许多产品中将容量预测及显示以及充电 控制器集中在一个控制器中，把它作为一个能量管理系统控制器。 在我国由于光伏利用起步较晚，早期国家投入较少，针对光伏系统的充电的产品技术 主要还是沿用其它系统的充电方式，因而性能还不够完善。这主要是因为对于其它蓄电池 应用场合，蓄电池在其系统的重要性( 特别是性价比) 不像独立光伏系统中那么大，而且 合肥工业大学博士学位论文 其蓄电池循环使用次数( 充、放电次数) 没有在光伏系统中多，充电电源来源于电网，因 而对蓄电池的充电关心更多的是充电效率和速度，对循环使用寿命的考虑就不是的很多。 也就使它不能在光伏系统中很好的应用。值得庆幸的是，这些年我国加大了对新能源的开 发利用，进行这方面的研究人员也越来越多，技术也越来越先进，开始制定了一些有关光 伏电源的技术要求，提出控制器：1 、能为用户提供蓄电池荷电状况的指示，包括：( a ) 充满指示，当蓄电池被充满，太阳电池方阵充电电流被减少或太p h 电池方阵被切离时的指 示；( b ) 欠压指示，当蓄电池电压已经偏低，需要用户节约用电时的指示：( c ) 负载切离 指示，当蓄电池已经欠压，应将负载切离时的指示；2 、控制器应具有温度补偿，其温度系 数应是每节电池一3 m v 7m y ：3 、当蓄电池电压降到过放点( 1 8 v _ + 2 7 只) 时，控 制器应能自动切断负载；4 、控制器的展大自身耗电不得超过其额定充电电流的1 ：5 、充 电或放电通过控制器的电压降不得超过系统额定电压的5 ；6 、当蓄电池从电路中去掉时， 控制器在1 小时内必须能够承受高于太阳电池组件标称开路电压1 2 5 倍的冲击：7 、太阳电 池方阵功率大于2 0 w 的系统，控制器应具有蓄电池充满断开及欠压断开装置及电路保护；8 、 控制器应具有如下保护功能：( a ) 防止任何负载短路的电路保护：( b ) 防止负载、太阳电池 组件或蓄电池极性反接的电路保护；( c ) 防止控制器、逆变器和其它设备内部短路的电路保 护；( d ) 在多雷区防止雷击引起的击穿保护；( e ) 防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放 电的保护。 除对上述控制器的技术要求外，我国科研人员在学习国外先进技术的同时对我国的光 伏电源技术进行了有益的实践和探索。 ( a ) 对蓄电池容量进行预测”“ 文献 2 3 2 4 提出了基于开路电压和环境温度的铅酸蓄电池充电状态的数学模型来预 测蓄电池的荷电状态( s o c ) 从而有效地保护蓄电池过放。文献 2 4 还提出通过找到在不 同放电电流下，蓄电池过放保护电压与容量的计算关系，来设置过放保护电压。在文献 3 2 提出采用线性方程来代替p e u k e r t 方程对蓄电池容量进行预测，在小电流放电时得到较 p e u k a r t 更为准确结果，且算法简单，文献 4 0 提出采用神经网络技术对容量进行预测而 文献 4 1 提出采用模糊辨识方法技术进行预测，并说明比文献 4 0 有更高的预测精度a ( b ) 充电控制 文献 3 3 提出采用寻优方式充电。使太阳电池阵列和蓄电池之间的匹配变得简单。文献 3 5 儿3 6 提出采用恒压充电，充电初期充电电流较大，充电末期电流较小，就不会因充电末 期电池内阻较大而使电池过热，因而对延长电池的使用寿命十分有利。也有提出采用均衡充 电技术来实现对蓄电池的维护。文献 4 0 提出系统中每个蓄电池( 组) 加一个充放电控制 电路，这样的好处是蓄电池充放电电流能得到控制，同时还能实现均充。由于充电终止电 压和环境温度、充电电流以及蓄电池容量得便感的关系难以用一确切的数学模型描述，有 文献提出采用模糊逻辑技术建立模型“，其输入为蓄电池容量和充电电流大小，输出为充 电终止电压，来对充电进行控制。 6 第一章绪言 1 3 本文所做的研究工作 本论文以使用最为普遍及优选的阀控铅酸蓄电池( v r l a ) 的独立光伏系统为研究对 象，为提高系统的性价比，从蓄电池的充电、放电、容量预测及维护等方面进行深入探讨 和研究。主要进行以下的研究工作： 分析了蓄屯池充、放电过程中电化学反应机理。 对各种铅酸蓄电池充电方式结合光伏系统应用进行了分析。 分析了蓄电池容量影响的因素，对蓄电池容量预测方法( 模型) 进行探讨。 在独立光伏系统提出采用“马斯定律”可接受充电电流和太阳能光伏阵列最大功 率跟踪相结合的方法，对系统中v r l a 蓄电池进行高效充电管理，并采用模糊递阶 控制技术来实现去极化控制，实现系统能量最大利用。采用此技术有效地降低了 多模糊输入变量规则过多的问题，并且控制效果不降低。在还其中提出了阵列n p p t 控制简便的测试方法。 提出了在独立光伏系统中采用开路电压预测和基于蓄电池“健康状态”的模糊预 测相结合的容量预测方法使容量预测速度和精度比传统的预测方法都得到提高， 为充电管理提供可靠的充电依据。 结合独立光伏系统中蓄电池工作特点，提出了对蓄电池组的充、放电管理的有效 方法：采用分小组方法实现蓄电池小组进行均充、均放和快速充电；在光伏 发电充足时对落后蓄电池进行容量恢复维护；给出在当前环境与负载条件下， 蓄电池组所能持续工作的时间：同时适当时候采用维护充电，以延长电池寿命。 设计出用于阵列m p p t 的d c d c 电路和具有蓄电池分组充、放电电路。 设计出基于一片m s p 4 3 0 f 1 4 7 单片机为核心集阵列m p p t 控制、蓄电池容量预测及 充、放电控制器于一体的独立光伏系统能量管理系统。 给出了对阵列m p p t 控制、蓄电池容量预测及充、放电控制等功能及控制策略的实 现程序设计。 鱼! ! 三些查兰堕圭兰焦堡塞 ! 参考文献 1 殷志强、孟宪 向太阳索取一中国太阳光热与光一电应用现状与展望 太阳能学报 v 0 1 2 42 0 0 3 1 0 ：5 7 5 - 5 8 8 2 】于泽力、李中奇、伊晓波从第八届亚洲电池会议看蓄电池下业研究现状8 a b c 文献综述蓄电池1 9 9 9 4 ：4 3 4 7 【3 杨金焕、陈中华2 1 世纪太阳能发电的展望上海电力学院学报2 0 0 1 1 2 ：2 3 、2 8 4 】n a p p vs y s t e m s i z i n gt o o l s o l a r e xc o u r t 5 d 巴甫洛夫新千年前十年铅酸蓄电池的发展方向，电源技术。v 0 1 2 5n o 22 0 0 1 。4 6 】杨金焕、毛家俊、陈中华不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算上海交 通大学学报v 0 1 36n o 7 j u l 200 2 ：1 0 3 2 1 0 3 6 7 h a yj e c a l c u l a t i n g s o l a rr a d i a t i o nf o ri n c l i n e ds u r f a c e s ：p r a c t i c a la p p r o a c h e s j r e n e w a b l e e n e r g y1 9 9 3 ，3 ( 4 ，5 ) ：3 7 3 3 8 0 【8 】s o l a rs y s t e md e s i g ng u i d e h t t p ：w w w b p s o l a r c o m 9 杨金焕、汪征淀、陈中华、杨琦负载缺电率用于独立光伏系统的最优化设计太阳 能学报1 9 9 9 年第1 期n o 11 9 9 9 1 0 】j a m e sp d u n l o pb r i a nn f a r h i r e c o m m e n d a t i o n s f o rm a x i m i z i n g b a t t e r yl i f ei np h o t o v o l t a i cs y s t e m s ：ar e v i e wo fl e s s o n s l e a r n e d p r o c e e d i n g s o f f o r u m2 0 0 1s o l a r e n e r g y ：t h ep o w e r t oc h o o s e a p r i l2 1 2 5 ， 2 0 0 1w a s h i n g t o n d c ：1 7 【1 1 l e a d - a c i db a t t e r y g u i d ef o rs t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i cs y s t e m s r e p o r ti e ap v p st a s k l l id e c e m b e r1 9 9 9 ：1 3 3 1 2 】t h o m a sd h u n d b r u c e t h o m p s o n a m p - h o u r c o u n t i n gc h a r g ec o n t r o lf o r p h o t o v o l t a i ch y b r i dp o w e rs y s t e m s p r e s e n t e da tt h e2 6 【hi e e e p h o t o v o l t a i cs p e c i a l i s t sc o n f e r e f i c e ，s e p t e m b e r2 9 一o c t o b e r3 ，1 9 9 7 ，a n a h e i m ， c a l i f o m i a ：l 4 ( 13 】h t t p ：w w w s t e c a s o l a r c o m e n g l i s h c h s t e c a h t m 【1 4 】王长贵、黄路影 家用太阳能光伏电源系统太阳能 2 0 0 2 4 ：3 6 15 】d i r kg u t z e i t ( d i p l i n gf h ) ，c h r i s t i a ni l l n e r ( d i p l i n gf h ) ，j o r g e nr a a c h ( d i p l ，b t r wf h ) s t e c ag m b h n e ws o l a rc h a r g ec o n t r o l l e rt e c h n o l o g yf o rh y b r i ds y s t e m s 【1 6 e r i ce u s h e ra n dm i c h a e lm d r o s s r e c o m m e n d e dp r a c t i c e sf o rc h a r g ec o n t r o l l e r s r e p o r ti e a p v p st 3 - 0 5 ：1 9 9 8r e n e w a b l ee n e r g ya n dh y b i r ds y s t e m sg r o u pc a n m e t e n e r g yd i v e r s i f i c a t i o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y a u g u s t ，1 9 9 8 ：1 f 1 7 g r i d c o n n e c t e dm u l t i m o d e p o w e rc o n v e r s i o ns y s t e mw w w a d v a n c e d e n e r g y ，c o m 1 8 j a m e s pd u n l o p ，p e b a t t e r i e sa n dc h a r g ec o n t r o li ns t a n d - a l o n ep h o t o v o l t a i c s y s t e m s ：f u n d a m e n t a l sa n d a p p l i c a t i o n s a n d i an a t i o n a ll a b o r a t o