风光对蓄电池设计.docx

1 绪论1.1 能源状况能源是人类赖以生存的五大元素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物质，是经济发展的“火车头”，能源已成为制约国民经济发展的重要因素。当前在生产和生活中起重要作用的能源主要有五大类：煤炭、石油，天然气水和核裂变能。这些能源被称为常规能源，目前世界上能源的消耗几乎全靠这五大能源来供应。随着世界经济的深入发展和国际工业化的进程，世界各国对能源的需求越来越大。虽然，人类的技术进步旨在提高能源的利用效率、减少能源的消耗，但现今的能源生产量依然满足不了人类发展的需求，全球范围内的能源危机也日益突出。经过第一次世界范围内“石油危机”的冲击，人类认识到地球蕴藏的矿物资源是有限的，总有一天会被耗尽，现实也告诫人们，要生存就必须寻求开发新能源。和常规能源相比，可再生资源不污染环境，更不会破坏生态，取之不尽，用之不竭。为了缓解能源危机，随着环境保护的呼声不断高涨，世界各国政府都在从社会经济发展的战略角度对能源结构进行调整。纷纷制定自己的能源政策，除了充分利用现有的传统能源外，都在大力研究开发新能源，给新能源开发以特殊优惠政策和政府税收补贴，从而使风能、太阳能、潮汐能、地热能等的开发利用得以迅速发展。在众多的可再生能源中，光伏发电及风力发电是最有发展前景的两种能源技术。这是基于太阳能和风能的五个优点：(1)取之不尽，用之不竭；(2)就地取材，不需运输：(3)分布广泛，分散使用；(4)不污染环境，不破坏生态：(5)周而复始，可以再生。太刚能是地球上一切能源的来源，太阳照射着地球的每一片土地。风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态(如沙土地面、植被地面和水面)对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。1.2 风、光发电的发展状况1.2.1 风力发电和太阳能发电的特点光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统可靠性高，运行维护成本低，缺点是系统造价高。风电系统是利用风力发电机，将风能转换成电能，然而通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电的一套系统。该系统的优点是系统日发电量大，造价低，运行维护成本低。但是风电和光伏发电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态，这也是引起蓄电池组使用寿命降低的主要原因。1.2.2 风光互补发电的提出上述分析了风能、太阳能的特点，作为可利用的自然可再生能源，二者在转换过程中都受季节、地理和天气气候等多种因素的制约。但是，二者的变化趋势基本相反，扬其两者各自之长，补其各自之短，相互配合利用，因地制宜，能发挥出各自最大的作用。在以电能为主要的能源消耗方式的当今社会，人们对电的依赖越来越强。特别是在远离电网的地区，独立供电系统成为人们最需要的动力源。结合风能、太阳能的特点，综合利用风力发电和太阳能光伏发电技术而建立的风光互补发电系统无疑是解决这一重大问题的最佳方案。对于偏远地区生活和工作的人们而言，一般情况下用电负荷不大，所以采用电网输送电力就不合理，应当选择在当地直接发电，现在常用的供电方案就是采用柴油发电机，但是柴油的储运相对于偏远地区来讲成本太高，而且难以保障持续供电。所以柴油发电机只能作为一种短时的应急电源，要解决长期稳定可靠的供电问题，只能依靠当地的自然资源。太阳能和风能是最普遍的自然资源，也是取之不尽的可再生能源，而且两者在时间变化分布上有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，到了晚上，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能有所加强；在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使得风光互补发电系统在资源分布上具有很好的匹配性。图1.1 风光互补发电系统在风能、太阳能单独用于发电的系统中，由于风能、太刚能的稳定性较差，为了能够提供连续稳定的能量输出，无论是光伏发电系统还是风力发电系统都要引入能量储存环节用以调节系统的能量供求平衡。能量储存的方式有很多种，如机械储能、化学储能和热储能等，其中，最适合的，也是应用最为广泛的是利用蓄电池的化学储能方式。虽然，目前风电和光电系统通过引入蓄电池储能设备后能够稳定供电，但是系统每天的发电量受天气的影响很大，会引起系统的供电和用电负荷的不平衡，从而导致蓄电池处于亏电状态或过充电状态，长期运行会降低蓄电池的使用寿命，增加系统的维护投资。考虑到风电和光电系统在蓄电池组的管理和能量控制环节是可以通用的，所以风光互补电源系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。风光互补发电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，即可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和怎样的用电要求，风光互补电源系统都可做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。应该说，风光互补发电系统是合理的独立发电系统。1.3 选题意义和国内外研究状况在我国的某些偏远山区，由于经济的落后和交通的制约，至今都还没有实现通电，这里的人们对电的渴望极其迫切。因此解决他们的用电问题对稳固地方经济建设、增进国家稳定等具有重要的意义。如在已经实现通电的很多山区大多采用电网送电和当地柴油或汽油机组发电。然而由于地理位置原因，架线送电路程遥远、用户用电量小、线路电能损耗大，而且山区电网的线路维护费用也很高，使得线路运行成本很高。如果靠当地柴油或汽油机组发电的话，由于目前能源紧张，燃料费用较高，再加上地处偏远，燃料运输费用高，难以保障持续供电。因此，柴油或汽油机组发电只能作为紧急的电源使用。因此，利用有限的自然资源，研究小功率、低成本的风光互补电源对解决偏远山区的家庭用户和其他独立电源工作站的用电问题都具有非常重要的现实意义。2 蓄电池蓄电池是一种储能元件，用于储存电能，对外放电后以对内部电能进行补充(充电)，而且充电过程可以反复多次进行。蓄电池的种类很多，目前性能比较好的有铅酸蓄电池、镍氢蓄电池(NiMH)和锂离子蓄电池。其中铅酸蓄电池因其性能价格比较高，容量大，放电性能好，无记忆效应，原材料来源丰富，可循环使用等优点，而得到了广泛的应用。2.1 蓄电池的类型（1）蓄电池的分类蓄电池根据极板材料及电解液的不同可分为碱性蓄电池、铅酸蓄电池、锂蓄电池和锂离子蓄电池。a.碱性蓄电池：碱性蓄电池采用碱性溶液作为电解液，根据极板材料的不同分为：镍隔、铁镍、镍氢、锌银等系列，有高、中、低放电率等品种。b.铅酸蓄电池：铅酸蓄电池采用铅钙合金作为极板，用酸性溶液作电解液。按用途分有：启动型、固定型、牵引型和便携型等。c.锂蓄电池和锂离子蓄电池：锂电池是把性能优良的金属锂作为负极材料，正极材料可以从各种正电性较高的化合物中选。锂离子电池的正极材料采用含锂的层间化合物材料，负极材料采用碳或石墨。电解液可用无机盐有机溶剂体系或是固体、胶态电解质。一些电池由于环保原因如铁镍、镍镉己被淘汰，一些电池由于工业化问题还不能应用，所以，目前阀控式密封铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池是三元争秀。(2）不同蓄电池的优缺点比较a.镍氢蓄电池优缺点：优点：能量功率平衡，功率高，充电接受性能好，循环寿命长。缺点：搁置寿命短，温度性能差：低温时容量损失，高温时充电、充电接受能力差，成本高。b.锂离子电池优缺点：锂离子电池优点：能量功率平衡与镍氢相似，质量体积值高于镍氢蓄电池和阀控式密封铅酸蓄电池，放电功率高，充电接受能力极好，循环寿命长，成本较低。锂离子电池的弱点：搁置寿命短，温度性能差：低温时容量损失，高温时充电、充电接受能力差。c.密封铅酸蓄电池电池优缺点：密封铅酸蓄电池(VRLA)通常被称为免维护蓄电池。其特点：密封，安全，环保，对充电工艺要求严格。若蓄电池充放电适当，可以工作510年的时间。其“免维护”是指使用过程中不需要加水，调节电解液的比重。密封铅酸蓄电池的优点：容量大，能量功率平衡性好，运行温度范围广：在低温和高温时，在镍氢蓄电池、锂离子蓄电池、VRLA三种化学体系中VRLA有最广泛的正常工作温度范围；搁置寿命好，放电功率和电压稳定性好，材料可再生，成本低。密封铅酸蓄电池的弱点：总能量输出不足、循环寿命较短。通过对以上三种蓄电池的比较，可以看出它们各有优缺点以及各自不同的适用领域，其中密封铅酸蓄电池总体性能好：具有较好的能量、功率和寿命特性，因而得到了广泛的应用。而镍氢蓄电池、锂离子蓄电池，虽然能够克服铅酸电池诸多不足，但由于成本高、价格贵、建设投入大，目前还无法大面积推广。电力系统和通讯系统一般配备的是密封铅酸蓄电池。2.2 铅酸蓄电池充放电原理（1）构成铅酸蓄电池的主要部分 正极板(过氧化铅. )- 活性物质 负极板(海绵状铅. ) - 活性物质 电解液(稀硫酸) - 硫酸 + 水 (约37%) 电池外壳 、隔离板、其它(液口栓.盖子等) 图2.1 铅酸蓄电池的构成（2）原理与动作铅蓄电池内的阳极(PbO2及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化：(阳极) (电解液) (阴极) +2 + +2+ (放电反应) (过氧化铅) (硫酸) (海绵状铅) (阳极) (电解液) (阴极) +2+2+ (充电反应) (硫酸铅) (水) (硫酸铅) 2.3 蓄电池的充放电特性（1）充电特性充电过程中，初始阶段，蓄电池端电压上升较快（图2-2中曲线oa段）；充电中期，端电压上升缓慢（曲线 ab 段）；充电后期，由于蓄电池内阻增加等原因，端电压继续上升（曲线 bd 段）；当蓄电池端电压到达c点以后，如果继续充电，则蓄电池将会由于过充电而损坏，影响蓄电池的使用寿命。特性曲线如图2-2所示：图2.2 充电过程中端电压的变化曲线（2）放电特性放电过程中，放电初期，蓄电池端电压会迅速下降（图2-3中曲线oa段）；随着放电的继续进行，进入放电中期，端电压呈缓慢下降趋势（曲线ab 段）；到放电末期，由于电极板上的活性物质已大部分变为硫酸铅，致使内阻增加，蓄电池端电压下降很快（曲线bd段）；放电至c点时，蓄电池的放电便已结束，如果继续放电，蓄电池端电压急剧下降，蓄电池将由于过放电而被损坏。特性曲线如图2-3所示：图2.3 放电过程中端电压变化曲线2.4 蓄电池充放电方式（1）蓄电池的充电方式a恒流充电法恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚。b恒压充电法充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。 鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。c阶段充电法 此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。 1）二阶段法 采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。2）三阶段充电法 在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。d脉冲式充电法 这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。综上所述，采用恒压充电法，操作简单，便捷，可对蓄电池进行快速充电，所以采用恒压充电法。（2）蓄电池的放电方式一个直流电源有两种工作状态，一种是恒压状态，按照恒压电源的特征在工作，一种是恒流状态，按照恒流电源的特征在工作。这种电源内部有两个控制单元，一个是稳压控制单元，在负载发生变化的情况下，努力使输出电压保持稳定，前提是输出电流必须小于预先设定的恒流值。实际上在恒压状态时，恒流控制单元处于休止状态，它不干扰输出电压和输出电流。当由于负载电阻逐步减小，使得负载电流增加到预先设定的恒流值时，恒流控制单元开始工作，它的任务是在负载电阻继续减小的情况下，努力使输出电流按预定的恒流值保持不变，为此需要使输出电压随着负载电阻的减小而随之降低，在极端情况下，负载电阻阻值降为零（短路状态），输出电压也随之降到零，以保持输出电流的恒定7。2.5 风光互补发电系统构成及原理系统结构图如图2-4所示,本系统由风力单元、光伏单元、逆变单元以及蓄电池、直流母线、交流母线和交流负载构成，该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统，其各部分原理如下：（1）风力单元是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；（2）光伏单元利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电； 图2.4系统结构框图（3）逆变单元由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；（4）蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用3 光伏单元充电电路设计3.1 充电电路拓扑结构及方案选择光伏单元充电电路一般采用直流斩波电路，直流斩波电路的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。常用的斩波电路8：（1）Buck电路：降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，输出电压与输入电压极性相同。图3.1 降压斩波电路图（2）Boost电路：升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，输出电压与输入电压极性相同。图3.2升压斩波电路图（3）Buck-Boost电路：降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，输出电压与输入电压极性相反，电感传输。图3.3 Buck-Boost电路图（4）Cuk电路：降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，输出电压与输入电压极性相反，电容传输。图3.4 Cuk电路图在本论文中采用降压斩波电路对光伏单元进行设计。降压斩波电路工作原理（分为两个阶段）：t=0时V导通，E向负载供电，uo =E，io按指数曲线上升 t=t1时V关断，io经VD续流，uo近似为零，io呈指数曲线下降，为使io连续且脉动小，通常使L值较大 。电流连续时，负载电压平均值 式中 导通占空比，简称占空比或导通比 Uo最大为E，减小，Uo随之减小降压斩波电路。也称为Buck变换器（Buck Converter）。 负载电流平均值3.2 主电路的设计基于直流降压斩波主电路使用一个全控电压驱动器件IGBT。用控制电路和驱动电路来控制IGBT的导通或关断。当t=0时，VT管被激励趋于导通，VD管要承受反压。在VT管接通的t1时间内，开关管VT流过的电流就是电感电流，电感L中电流直线上升，能量存储于电感中。其电路工作时波形图如下图3-6所示：当时刻VT管关断，由于电感储能作用，电感电流必须要按某一路径流通，能量要释放。其中二极管VD势必导通，电感电流可通过蓄电池，VD形成通电回路。电流经二极管VD续流，电路中电压uo近似为零，电路中电流指数曲线下降。为了使电路中电流连续且脉动小，故应串联较大的电感L。至一个周期T结束，再驱动IGBT导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为Uo=KE,ton为IGBT处于通态的时间； 图3.5 主电路图图3.6 电路工作时的电流波形图toff为处于断态的时间；T为开关周期；K为导通占空比。但是普遍采用的是脉冲宽调制工作方式。因为采用频率调制工作方式，容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。此电路就是采用脉冲宽调制控制IGBT的通断。3.3 控制电路原理与设计3.3.1 控制电路方案比较及选择控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小。IGBT控制电路的功能有：给逆变器的电子开关提供控制信号；以及对保护信号作出反应，关闭控制信号。脉宽调节器的基本工作原理是用一个电压比较器，在正输入端输入一个三角波，在负输入端输入一直流电平，比较后输出一方波信号，改变负输入端直流电平的大小，即可改变方波信号的脉宽10。对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因为斩波电路有三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。SG3525是定频PWM电路，采用16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图3-7所示，内部框图如图3-8所示。 图3.7 SG3525的引脚图3.8 内部框图3.3.2 SG3525各引脚具体功能其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。脚6、脚7 内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1 及脚2 分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出11。3.4 驱动电路设计 由于SG3525的振荡频率可表示为 ：式中 Ct、Rt分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；Rd是与脚7相连的放电端电阻值。 SG3525有保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护。当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而13脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波12。由此可以得出控制电路的电路图如图3-9所示：图3.9 控制电路图其中第十脚过流过压还有欠电压保护输入端。 3.4.1 驱动电路方案比较与选择该驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功能：(1)提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT可靠的开通和关断；(2)提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使IGBT能迅速建立栅控电场而导通；(3)尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率；(4)足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；(5)具有灵敏的过流保护能力。针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方式：由于这次设计的需要，所以选择光耦隔离。3.4.2 驱动电路工作原理驱动电路的电路图如图3-10所示：由图知，IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。采用推挽电路进行放大的原因是因为驱动IGBT的电压叫高，约为12V左右，而SG3525芯片提供的电压只有5V左右，直接连入无法驱动IGBT。并且推挽式电路简单实用，故用推挽式进行电压放大。图3.10 驱动电路原理图IGBT是电压控制型器件，在它的栅极-发射极