独立光伏系统的应用及控制策略探讨

2009 年 8Bj独立光伏系统的应用及控制策略探讨发布时间：2009-5-25字号：大中小一、引言近年来随着环境污染的不断加剧，环保意识的不断提高，人们对能源和环境问题日益关注，新能源的开发和应用取得了飞速 的发展，其中以太阳能在军地的应用最为广泛。太阳能发电在解决边远山区和边防海岛连队供电难题中发挥了很大的作用， 尤其是在总部提出构建 生态营区”的要求以后，太阳能同样在部队 生态营区建设中发挥了重要作用，主要以光伏发电系统和 太阳能热水系统为主，包括太阳能景观灯、太阳能路灯、太阳能发电系统、太阳能热水器、太阳能海水淡化系统等，都取得 了广泛的应用。通过对光伏系统在部队应用的广泛调研，分析整理资料和建议，得到三点启示：一是光伏系统在部队的应用会越来越广 泛，以解决偏远营区的供电为主，其他多种形式的应用发展迅速；二是独立光伏系统中的能量控制策略过于简单，没有根据 系统的容量大小进行具体的设计，造成能量的利用效率较低，储能蓄电池容易失效，运行成本较高；三是实行储能系统的分 组充放电，能够有效地提高供电可靠性。本文将对独立光伏系统在军营中的应用进行研究分析，同时对系统的能量控制策略进行研究，提出一种分组充放电控制 策略，为解决光伏系统应用中存在的问题，提供了很好的参考。二、光伏系统在军营中的应用随着科学技术水平的不断发展，现在战争对于后勤电力的保障提出了更高的要求，要求我们必须拓展多种供电渠道，研究多 种供电保障方式，以满足各种复杂条件下的供电要求；同时由于社会生活水平的不断提高，官兵对于居住环境也有了更高的 要求，环保、绿色的军营更能营造一种积极健康的生活形态，同时激发官兵爱岗敬业的意识，而太阳能作为一种绿色能源， 正好满足了以上要求。太阳能作为一种清洁、环保、绿色能源，在部队建设中发挥着越来越重要的作用，通过对光伏系统的 应用调研，光伏发电在部队主要的应用和意义有以下五个方面：1 .解决了边防和海岛连队的供电保障难题。我军很多驻扎在边防和海岛的连队，以及很多驻地远离大电网的部队营区，基本 上都存在着供电保障难的问题。目前，其用电主要是通过自备的发电机（组）来解决。很显然，这一方案存在发电成本较高、 噪音大、污染环境、燃料运输成本高等的不足。随着新能源技术的不断发展，改善这些部队平时和战时的供电条件，已经越 来越重要，其中以独立光伏发电系统和小型风力发电系统应用最为广泛。建设一个小型的独立光伏电站不但可以解决供电问 题，同时可以减少运输燃油的费用，降低对于燃油的依赖。2 .户外独立工作站点的供电。 对于各种微波中继站、户外检测点和航海灯塔等户外独立工作设备，常常远离电网，电网的延 伸供电困难重重，光伏系统能够很好的解决这类室外工作站点的电源供电问题。3 .在部队生态营区”建设中应用广泛。部队营区的改造和建设都以生态营区、环保营区、绿色营区为目标，一般都会根据营 区所在地的自然环境条件进行新能源项目的论证，主要包括太阳能路灯、太阳能景观灯、光伏发电系统、风力发电等，其中 以太阳能景观灯的应用最广泛。4 .为探索后勤供电保障的新方法提供了思路。拓展各种供电渠道，研究多种供电方式，光伏发电系统为现阶段探索后勤供电保障的新方法提供了思路。例如综合应用薄膜太阳能电池和新型储能装置（超级电容），开发小容量的移动太阳能发电装置 就具有重要的意义，而目前小型太阳能数码充电器已经在为手机、数码相机、笔记本充电中取得了一定的应用，成为户外数码产品辅助备用电源的首选。5 .为开发其他新能源系统提供了很好的参考。光伏发电系统的投建，对于其他多能源的开发和应用具有良好的参考作用，也可以不断地提高官兵的环境保护意识、节约资源意识。同时，对于开发和应用其他新能源系统，如风光互补系统，也可以提供很好的应用参考。三、独立光伏系统的应用分析1 .独立光伏系统面临的主要问题一个典型的独立光伏发电系统结构框图如图1,包括太阳能阵列、DC/DC变换器、控制器、蓄电池以及用于交流负载的逆变器，其中虚线所示为备选结构，有交流负载时选用。根据系统的电压设计要求，选择合适的DC/DC变换电路，同时能够跟踪最大功率点，实现负载匹配。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。图1独立光伏发电系统络构框图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I21。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23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分组充放电控制原理图KM3为辅助常闭触点，电路主要是实现图2中KM1、KM2、KM3、KM4为充放电控制继电器，电路中接入常开触点,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电路状态KM1KM2KM3KM4A组充电，B组放电合合分分A组充电，B组静置合分分/合分A组放电，B组充电分合合合A组放电，B组静置分分分/合合A组静置，B组充电分合合分A组静置，B组放电分合分分A组静置，B组静置分分分/合分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节，一种简化的工作状态如下图3所示，简化的分组充放电控制指令如表 2所示。表2简化的分组充放电控制继电器指令表电路状态KM1KM2A组充电或者放电，B组静置合分A组静置，B组充电或者放电分合在实际的系统中，应该结合系统的实际设计容量和负载的要求，具体选择合理的控制方案，分组控制策略在实际的控制 中很容易实现。在某营区光伏电站的项目设计中，我们应用了分组充放电控制策略，得到了很好的效果。五、结论随着军队后勤建设的不断发展，官兵环保意识的不断增强，光伏系统工程技术水平的不断提高，光伏发电系统必将在军 队取得越来越多地应用。本文提出的分组充放电管理，对于提高光伏系统供电可靠性具有现实意义。同时，不断优化光伏系 统的控制策略，研究光伏系统能量跟踪的规律，研制智能化程度较高的光伏系统控制器，对推动光伏系统的深入应用具有重 大的作用。参考文献1太阳光发电协会.太阳能光伏发电系统的设计与施工M.北京：科学出版社，20062 EftichiosKoutroulis.Development of a Microcontroller-Based, Photovoltaic Maximum Power Point Tracking ControlSystemJ. IEEE TRANSACTIONSON POWER ELECTRONICS, JANUARY 2001,VOL. 16, NO. 1, pp:46-543Antonio Luque, Steven Hegedus.Handbook of Photovoltaic Science and EngineeringM.page:334陈慧玲.独立光伏电站铅酸蓄电池的运行管理参数J,可再生能源，2006 (5) : 77-785吴理博，赵争鸣，刘建政等.独立光伏照明系统中的能量管理控制J,中国电机工程学报，2005, 25 (22) : 68706任柱，陈渊睿.独立光伏系统中蓄电池充电控制策略J,控制理论与应用，2008, 25 (2) : 361363作者简介：董宁铸(1985 ),男，甘肃宁县人，硕士研究生，主要研究方向为独立光伏系统的设计与控制。E-mail ：dongzhe001001 王维彳铁(1964-),女，重庆市人，教授，博导，主要研究方向为移动电源与多能源发电技术。 E-mail:wjwang866联系方式：地址：重庆市长江二路174号研究生2队(400016 )电话：(董宁铸)一、引言近年来随着环境污染的不断加剧，环保意识的不断提高，人们对能源和环境问题日益关注，新能源的开发和应用取得了飞速 的发展，其中以太阳能在军地的应用最为广泛。太阳能发电在解决边远山区和边防海岛连队供电难题中发挥了很大的作用， 尤其是在总部提出构建 生态营区”的要求以后，太阳能同样在部队生态营区建设中发挥了重要作用，主要以光伏发电系统和太阳能热水系统为主，包括太阳能景观灯、太阳能路灯、太阳能发电系统、太阳能热水器、太阳能海水淡化系统等，都取得 了广泛的应用。通过对光伏系统在部队应用的广泛调研，分析整理资料和建议，得到三点启示：一是光伏系统在部队的应用会越来越广 泛，以解决偏远营区的供电为主，其他多种形式的应用发展迅速；二是独立光伏系统中的能量控制策略过于简单，没有根据 系统的容量大小进行具体的设计，造成能量的利用效率较低，储能蓄电池容易失效，运行成本较高；三是实行储能系统的分 组充放电，能够有效地提高供电可靠性。本文将对独立光伏系统在军营中的应用进行研究分析，同时对系统的能量控制策略进行研究，提出一种分组充放电控制 策略，为解决光伏系统应用中存在的问题，提供了很好的参考。二、光伏系统在军营中的应用随着科学技术水平的不断发展，现在战争对于后勤电力的保障提出了更高的要求，要求我们必须拓展多种供电渠道，研究多 种供电保障方式，以满足各种复杂条件下的供电要求；同时由于社会生活水平的不断提高，官兵对于居住环境也有了更高的要求，环保、绿色的军营更能营造一种积极健康的生活形态，同时激发官兵爱岗敬业的意识，而太阳能作为一种绿色能源， 正好满足了以上要求。太阳能作为一种清洁、环保、绿色能源，在部队建设中发挥着越来越重要的作用，通过对光伏系统的 应用调研，光伏发电在部队主要的应用和意义有以下五个方面：1 .解决了边防和海岛连队的供电保障难题。我军很多驻扎在边防和海岛的连队，以及很多驻地远离大电网的部队营区，基本上都存在着供电保障难的问题。目前，其用电主要是通过自备的发电机（组）来解决。很显然，这一方案存在发电成本较高、 噪音大、污染环境、燃料运输成本高等的不足。随着新能源技术的不断发展，改善这些部队平时和战时的供电条件，已经越 来越重要，其中以独立光伏发电系统和小型风力发电系统应用最为广泛。建设一个小型的独立光伏电站不但可以解决供电问 题，同时可以减少运输燃油的费用，降低对于燃油的依赖。2 .户外独立工作站点的供电。 对于各种微波中继站、户外检测点和航海灯塔等户外独立工作设备，常常远离电网，电网的延 伸供电困难重重，光伏系统能够很好的解决这类室外工作站点的电源供电问题。3 .在部队生态营区”建设中应用广泛。部队营区的改造和建设都以生态营区、环保营区、绿色营区为目标，一般都会根据营 区所在地的自然环境条件进行新能源项目的论证，主要包括太阳能路灯、太阳能景观灯、光伏发电系统、风力发电等，其中 以太阳能景观灯的应用最广泛。4 .为探索后勤供电保障的新方法提供了思路。拓展各种供电渠道，研究多种供电方式，光伏发电系统为现阶段探索后勤供电保障的新方法提供了思路。例如综合应用薄膜太阳能电池和新型储能装置（超级电容），开发小容量的移动太阳能发电装置 就具有重要的意义，而目前小型太阳能数码充电器已经在为手机、数码相机、笔记本充电中取得了一定的应用，成为户外数 码产品辅助备用电源的首选。5 .为开发其他新能源系统提供了很好的参考。光伏发电系统的投建，对于其他多能源的开发和应用具有良好的参考作用，也可以不断地提高官兵的环境保护意识、节约资源意识。同时，对于开发和应用其他新能源系统，如风光互补系统，也可以提 供很好的应用参考。三、独立光伏系统的应用分析1 .独立光伏系统面临的主要问题一个典型的独立光伏发电系统结构框图如图1,包括太阳能阵列、DC/DC变换器、控制器、蓄电池以及用于交流负载的逆变器，其中虚线所示为备选结构，有交流负载时选用。根据系统的电压设计要求，选择合适的DC/DC变换电路，同时能够跟踪最大功率点，实现负载匹配。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。攵比侏电也图1独立光伏发电系统结构框图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23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。变换中潞图2分组充放电控制原理图口图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电路状态KM1KM2KM3KM4A组充电，B组放电合合分分A组充电，B组静置合分分/合分A组放电，B组充电分合合合A组放电，B组静置分分分/合合A组静置，B组充电分合合分A组静置，B组放电分合分分A组静置，B组静置分分分/合分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节，一种简化的工作状态如下图3所示，简化的分组充放电控制指令如表 2所示。九伏阵列主控制瑞菖电怛Afi图3简化的分组充放电控制原理图表2简化的分组充放电控制继电器指令表电路状态KM1KM2A组充电或者放电，B组静置合分A组静置，B组充电或者放电分合在实际的系统中，应该结合系统的实际设计容量和负载的要求，具体选择合理的控制方案，分组控制策略在实际的控制 中很容易实现。在某营区光伏电站的项目设计中，我们应用了分组充放电控制策略，得到了很好的效果。五、结论随着军队后勤建设的不断发展，官兵环保意识的不断增强，光伏系统工程技术水平的不断提高，光伏发电系统必将在军 队取得越来越多地应用。本文提出的分组充放电管理，对于提高光伏系统供电可靠性具有现实意义。同时，不断优化光伏系 统的控制策略，研究光伏系统能量跟踪的规律，研制智能化程度较高的光伏系统控制器，对推动光伏系统的深入应用具有重 大的作用。参考文献1太阳光发电协会.太阳能光伏发电系统的设计与施工M.北京：科学出版社，20062 EftichiosKoutroulis.Development of a Microcontroller-Based, Photovoltaic Maximum Power Point Tracking ControlSystemJ. IEEE TRANSACTIONSON POWER ELECTRONICS, JANUARY 2001,VOL. 16, NO. 1, pp:46-543Antonio Luque, Steven Hegedus.Handbook of Photovoltaic Science and EngineeringM.page:334陈慧玲.独立光伏电站铅酸蓄电池的运行管理参数J,可再生能源，2006 (5) : 77-785吴理博，赵争鸣，刘建政等.独立光伏照明系统中的能量管理控制J,中国电机工程学报，2005, 25 (22) : 68706任柱，陈渊睿.独立光伏系统中蓄电池充电控制策略J,控制理论与应用，2008, 25 (2) : 361363来源：中国新能源