CN100589306C - 光伏系统智能化互补控制充放电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏系统智能化互补控制充放电方法，该系统包括太阳电池组件，蓄电池，输入电子开关，控制器，输出电子开关，负载等部分。将太阳能光伏系统中的一组蓄电池，采用两组容量为1/2原系统蓄电池并联，太阳电池由充电控制器对两组电池进行脉冲方式充电，首先脉冲电流对一组电池充电，在脉冲的间歇期对另一组蓄电池充电，如此循环，则太阳电池的发电被100%利用，两组蓄电池又可以进行脉冲放电，形成智能化互补控制充放电。该法能改善蓄电池的使用维护条件，减轻酸雾对设施的腐蚀和对环境的污染，提高容量转换效率，两组蓄电池交替充放电，最大限度的增强了蓄电池的利用率，延长了蓄电池的使用寿命。

Description

光伏系统智能化互补控制充放电方法

一、技术领域：

本发明涉及一种光伏系统智能化互补控制充放电方法，属于一种光伏电子控制技术领域。

二、背景技术

蓄电池的充电，是从事通信电源维护一项重要工作，对电池充电工作做的如何，直接影响电池的使用寿命和供电安全。脉冲式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蓄电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。

脉冲充电使蓄电池充满电量，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。

脉冲放电方法是蓄电池放电时采用和充电时相同的脉冲放电方法，两组电池轮流放电，两组电池放电时间各为50％，合起来对负载放电时间为100％，从而实现了对蓄电池脉冲充放电，可以消除单组电池长时间放电产生的电池板极化和硫化，延长蓄电池寿命。对蓄电池充放电是通信电源维护工作的重要内容之一，蓄电池作为后备电源重要性是不言而喻的，要确保停电时对用电设备提供所需电力。只有正确的对蓄电池充放电才能有利于节约电能，延长电池的使用寿命，保障安全供电。

公知的太阳能光伏系统大多采用蓄电池作为贮能元件。而能够与光伏电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛使用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍锡蓄电池等。目前光伏系统中作为储能装置的是铅酸免维护蓄电池，因其维护方便，性能可靠，且对环境污染较小，特别是用于无人值守的光伏电站时，有着其他蓄电池所无法比拟的优越性。光伏系统中的蓄电池的工作条件与蓄电池在其他场合的工作条件不同，其充电率和放电率都非常小，且充电时间受到限制，即只有在日照时才能充电，所以不能按一固定的充电规律对其进行充电。由于蓄电池应用在这个特殊的环境下，致使其寿命比所预定的短，成为整个光伏系统中最易损坏的部分，其损坏的原因主要为“过充”与“过放”。过充是指蓄电池单格电压超过某一水平(一般为2.35V/单格一2.40V/单格)，此时蓄电池无法使产生的氧气充分再化合。充电电压过高，在负极上生成的氢很难在电池内部被吸收，在电池中因积累而产生压力并且导致水份损失。严重过充时，水分解，产生氢气和氧气，使得蓄电池底部浓度比其他地方高出许多，导致负极板底部硫酸盐化，正极板腐蚀和膨胀，造成容量损失。过放是指蓄电池放电超过了规定的放电终止电压，蓄电池放出了过量的容量。

采用脉宽调制的方法来控制蓄电池的充放电。脉冲控制“斩波”方式工作，对蓄电池进行脉冲充电，开始充电时，脉冲控制器以宽脉冲充电，随着充电电压的上升，充电脉冲宽度逐渐变窄，平均充电电流减小。当充电电压达到预置电压时，充电脉冲宽度变为零，充电结束。脉冲控制较传统的通过检测蓄电池端电压控制充放电无论是在性能还是在效率上都有很大的改观。

以单路恒压充放电为例，如图1所示，此种充放电控制主要是通过控制器实现对蓄电池的充放电控制。采用脉冲调宽来控制蓄电池的充放电，单片机充电控制系统通过监控铅酸蓄电池的电压、电流和温度在充电过程中的变化，当蓄电池的端电压大于某个限定值时，脉冲的宽度逐渐变窄，直至为零，就视为已充满，停止太阳电池向蓄电池充电。当控制器检测到蓄电池的端电压低于某个限定值时，脉冲的宽度就自动调节逐渐变宽，太阳电池开始向蓄电池充电。由于这种电路结构简单，价格低廉，目前应用最为广泛。但充、放电电压的急剧升高或骤降对蓄电池的使用寿命有严重影响，在光伏电源实际应用中特别是在独立系统中，一般情况下，蓄电池仅有一至两年的寿命就面临报废。

蓄电池的电压受很多因素的影响，例如温度、湿度等，特别是在充电过程中，蓄电池的端电压并不能很好地反映其容量。阶梯式充放电控制中蓄电池都与太阳电池直接相连，其端电压受太阳电池端电压制约，V0并不能准确的反映蓄电池的容量。这突出表现为当系统所处温度较高时，由于太阳电池板和蓄电池的端电压均受温度影响严重，太阳能板端电压随温度升高而降低，而蓄电池端电压则刚好相反，容易出现蓄电池容量未满却已不能充入的现象(常称之为“虚满”)。这在很大程度上影响了蓄电池容量检测的准确性，进而阻碍了整个系统的正常工作，造成能源的极大浪费。阶梯式充放电模式不能实现涓流充电，造成了能源的极大浪费，使得本来效率就不高的光伏系统性价比更低。

针对以上存在问题，本研究针对光伏系统中蓄电池阶梯式充放电模式的弊端提出一种新型的光伏系统充放电交替互补智能化控制技术。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种光伏系统智能化互补控制充放电方法，将系统中的蓄电池组，用两组容量为1/2蓄电池组的1号蓄电池组(5)和2号蓄电池组(6)并联，形成智能化互补控制充放电系统，首先太阳电池组件(1)通过控制器(4)构成的路径对1号蓄电池组(5)充电，此时1号蓄电池组输入电子开关(2)打开，1号蓄电池组输出电子开关(7)关闭，而2号蓄电池组输出电子开关(8)打开，2号蓄电池组(6)为负载供电，在脉冲的间歇期太阳电池组件(1)再通过控制器(4)构成的路径对2号蓄电池组充电，此时1号蓄电池组为负载供电，如此循环，则太阳电池组件(1)的发电被100％利用，形成智能化互补控制充放电系统，提高充电时容量转换效率。

首先对设置了优先的1号蓄电池进行正相脉冲控制充电，随着充电电压的上升，充电脉冲宽度逐渐变窄，平均充电电流减小。当充电电压达到予置电压时，充电脉冲宽度变为零，蓄电池1充电结束，对负载进行供电。继而控制器对2号蓄电池进行反相脉冲调宽充电，同时闭合1号蓄电池的充电回路；当2号蓄电池的电压在脉冲上升至予置电压时，充电脉冲宽度变为零，2号蓄电池充电结束，闭合2号蓄电池的充电回路，同时启动1号蓄电池的充电回路，采用2号蓄电池对负载进行供电。这种智能化脉冲充电方式改善了蓄电池的使用维护条件；降低充电时电解夜温度；提高充电时蓄电池的转换效率；延长电池的使用寿命。

在独立的光伏系统中，产生的电能不能一直满足用户负载的需求，需要用控制器对储能装置蓄电池组按照用户的需求进行充放电控制。在光伏系统中，控制器的主要作用是：①控制蓄电池组储存能量。在大部分独立光伏系统中，光伏阵列产能和负载用电不一致，在傍晚或多云等情况下，光伏阵列不能提供足够的能量而用电负载又必须工作时，对蓄电池组的充放电是必要的。②对太阳电池组件的工作电压的钳位作用。太阳电池组件的工作特性受太阳辐照度、温度等影响很大，太阳电池组件直接连接负载时，负载常常不能处在最佳工作点附近，系统效率低，而控制器控制蓄电池组对太阳电池组件的工作电压具有钳位作用，能够保证光伏阵列处在最佳工作点附近。③提供启动电流。由于受到最大短路电流的限制，光伏阵列可能不能满足负载的启动电流的需要，而控制器能够在短时间内控制蓄电池使其提供大电流给负载启动。

本发明按以下技术方案实施，图2、3分别为本发明流程匡图和智能化互补控制电路图。包括太阳电池组件(1)、1号蓄电池组输入电子开关(2)、2号蓄电池组输入电子开关(3)、控制器(4)、1号蓄电池组(5)、2号蓄电池组(6)、1号蓄电池输出电子开关(7)、2号蓄电池输出电子开关(8)、负载(9)。

所述的太阳电池组件(1)输出直流电压的输出端与1号蓄电池组输入电子开关(2)的源极端相连，另一个输出端与2号蓄电池组输入电子开关(3)的源极端相连，1号蓄电池组输入电子开关(2)的栅极端与控制器(4)的一个控制开关(p1)相连，2号蓄电池组输入电子开关(3)的栅极端与控制器(4)的另一个控制开关(p2)相连，1号蓄电池组输入电子开关(2)的漏极与1号蓄电池组的负极相连，2号蓄电池组输入电子开关(3)的漏极与2号蓄电池组(6)的负极相连，两蓄电池组的正极及负载的正极相连后接入公共正接地，1号蓄电池组输出电子开关(7)的源极端与1号蓄电池组的负极连接，2号蓄电池组输出电子开关(8)的源极端与2号蓄电池组的负极连接，1号蓄电池组输出电子开关(7)的栅极端与控制器的输出控制开关(p3)相连，2号蓄电池组输出电子开关(8)的栅极端与控制器的输出控制开关(p4)连接，1号蓄电池组输出电子开关(7)的漏极端与负载负极相连，2号蓄电池组输出电子开关(8)的漏极端与负载负极相连，控制器的控制开关(p5)接地。

电路工作原理为如图3所示。工作时，1号蓄电池组输入电子开关Q1打开，太阳电池组件对1号蓄电池组B1充电时，1号蓄电池B1的输出电子开关Q3关闭，此时2号蓄电池组输出电子开关Q4打开，2号蓄电池组B2为负载供电；当2号蓄电池组输入电子开关Q2打开，太阳电池组件对2号蓄电池B2充电，2号蓄电池B2输出电子开关Q4关闭，同时打开Q3，由1号蓄电池B1为负载供电。形成在一个充放电周期中总有一个蓄电池组在充电，同时由另一蓄电池组放电的光伏系统智能化互补充放电过程，实现负载不间断供电。

与公知技术相比的优点及积极效果

1)、能改善蓄电池的使用维护条件，对于蓄电池来说，采用脉冲充电方，在整个充电过程中减少充电过程中气体的析出量，降低电池酸雾溢出量，大大减轻酸雾对各种设施的腐蚀和对空气环境的污染。

2)、降低充电时电解液温升，无论是GGF型还是GFM型电池在充电时的电解液温度都有严格要求，由于电解液温度过高加快电解液对极板腐蚀和电解液的蒸发影响蓄电池的使用寿命，特别是GFM电池采用的是紧装配结构，散热性能差，又属于贫液电池，充电时电解液温度过高，不但加快电解液的蒸发造成电池失水，而且会使极板过热膨胀损坏极板和外壳变形，更重要的是产生热量积累性增强使电池热失控。

3)、提高充电时容量转换效率，在对电池进行充电过程中，整流设备充入电池的电能以三种方式被消耗：第一种：将电能转化为化学能储存起来；第二种：产生热量；第三种：分解水产生气体。第一种实现充电目的，后两种无谓的消耗电能，脉冲充电方试能有效的抑制产生热量和析气的产生，显然，在整个充电过程中充入电池的电能被有效的转化为化学能被储存，因而提高充电时容量转换效率。容量转换效率公式如下：

容量转换效率＝放电容量/充电容量×100％

4)、有利于延长蓄电池的使用寿命，在智能控制器控制下对两组蓄电池交替充放电，最大限度的增强了蓄电池的利用率，减少了蓄电池的使用时间，延长了蓄电池的使用寿命。

四、附图说明

图1为常规光伏发电系统控制框图；图2是本发明流程框图，图中1为太阳电池组件，2为1号蓄电池组输入电子开关，3为2号蓄电池组输入电子开关，4为控制器，5为1号蓄电池组，6为2号蓄电池组，7为1号蓄电池组输出电子开关，8为2号蓄电池组输出电子开关，9为负载；图3是本发明智能化互补控制电路图；图4为实施例2多路光伏系统智能化互补控制充放电流程框图。

五、具体实施方式：

实施例一：

如图2、3所示的单路光伏系统智能化互补控制充放电系统。其充电方式采用PWM脉宽调制方式，充电频率范围为30-100赫兹，在一个充电周期t内采用1/2t脉宽打开1号蓄电池组输入电子开关Q1；1/2t脉宽打开电子开关Q2，则太阳电池组件对两组蓄电池形成脉冲充电方式。

其包括太阳电池组件(1)、1号蓄电池组输入电子开关(2)、2号蓄电池组输入电子开关(3)、控制器(4)、1号蓄电池组(5)、2号蓄电池组(6])、1号蓄电池组输出电子开关(7)、2号蓄电池组输出电子开关(8)、负载(9)。

所述的太阳电池组件(1)输出直流电压的输出端与1号蓄电池组输入电子开关(2)的源极端相连，另一个输出端与2号蓄电池组输入电子开关(3)的源极端相连，1号蓄电池组输入电子开关(2)的栅极端与控制器(4)的一个控制开关(p1)相连，2号蓄电池组输入电子开关(3)的栅极端与控制器(4)的另一个控制开关(p2)相连，1号蓄电池组输入电子开关(2)的漏极与1号蓄电池组的负极相连，2号蓄电池组输入电子开关(3)的漏极与2号蓄电池组(6)的负极相连，两蓄电池组的正极及负载的正极相连后接入公共正接地，1号蓄电池组输出电子开关(7)的源极端与1号蓄电池组的负极连接，2号蓄电池组输出电子开关(8)的源极端与2号蓄电池组的负极连接，1号蓄电池组输出电子开关(7)的栅极端与控制器的输出控制开关(p3)相连，2号蓄电池组输出电子开关(8)的栅极端与控制器的输出控制开关(p4)连接，1号蓄电池组输出电子开关(7)的漏极端与负载负极相连，2号蓄电池组输出电子开关(8)的漏极端与负载负极相连，控制器的控制开关(p5)接地。

如图3所示，工作时，电子开关Q1打开，太阳电池对蓄电池B1充电时，蓄电池B1的输出电子开关Q3关闭，此时电子开关Q4打开蓄电池B2为负载供电；当电子开关Q2打开，太阳电池对蓄电池B2充电，蓄电池B2输出电子开关Q4关闭，同时打开电子开关Q3，由蓄电池B1为负载供电。形成在一个充放电周期中总有一个蓄电池在充电，同时由另一组蓄电池放电的光伏系统智能化互补充放电过程，实现负载不间断供电。采用两组蓄电池形成的脉冲充电方式可以最大程度利用太阳电池的发电，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。

实施例二：多路光伏系统智能化互补控制充放电系统，如图4所示。多路光伏系统并联能提高总功率，降低成本，提高性价比，减少光伏电在传送过程中的能耗。

Claims (1)

1、一种光伏系统智能化互补控制充放电方法，该系统包括太阳电池组件，电子输入开关，控制器，蓄电池组，电子输出开关及负载，打开电子输入开关，太阳电池组件向蓄电池组充电，打开电子输出开关，蓄电池组向负载供电，

其特征在于：其按以下技术方案实施，将系统中的蓄电池组，用两组容量为1/2蓄电池组容量的1号蓄电池组(5)和2号蓄电池组(6)并联，太阳电池组件由充电控制器对两电池组进行脉冲方式充电，首先脉冲电流对一组蓄电池充电，在脉冲的间歇期对另一组蓄电池充电，如此循环，则太阳电池组件的发电被100％利用，同时两蓄电池组又可以进行脉冲放电，形成包括太阳电池组件(1)、1号蓄电池组输入电子开关(2)、2号蓄电池组输入电子开关(3)、控制器(4)、1号蓄电池组(5)、2号蓄电池组(6)、1号蓄电池组输出电子开关(7)、2号蓄电池组输出电子开关(8)和负载(9)的智能化互补控制充放电系统，所述的太阳电池组件(1)输出直流电压的输出端与1号蓄电池组输入电子开关(2)的源极端相连，太阳电池组件(1)输出直流电压的另一个输出端与2号蓄电池组输入电子开关(3)的源极端相连，1号蓄电池组输入电子开关(2)的栅极端与控制器(4)的1号蓄电池组输入控制开关(p1)相连，2号蓄电池组输入电子开关(3)的栅极端与控制器(4)的2号蓄电池组输入控制开关(p2)相连，1号蓄电池组输入电子开关(2)的漏极与1号蓄电池组(5)的负极相连，2号蓄电池组输入电子开关(3)的漏极与2号蓄电池组(6)的负极相连，两蓄电池组的正极及负载的正极相连后接入公共正接地，1号蓄电池组输出电子开关(7)的源极端与1号蓄电池组的负极连接，2号蓄电池组输出电子开关(8)的源极端与2号蓄电池组的负极连接，1号蓄电池组输出电子开关(7)的栅极端与1号蓄电池组控制器的输出控制开关(p3)相连，2号蓄电池组输出电子开关(8)的栅极端与2号蓄电池组控制器的输出控制开关(p4)连接，1号蓄电池组输出电子开关(7)的漏极端与负载负极相连，2号蓄电池组输出电子开关(8)的漏极端与负载负极相连，控制器的控制开关(p5)接地，工作时，1号蓄电池组输入电子开关(2)打开，太阳电池组件(1)对蓄电池1号蓄电池组(5)充电时1号蓄电池组输出电子开关(7)关闭，此时2号蓄电池组输出电子开关(8)打开，2号蓄电池组(6)为负载供电，当2号蓄电池组输入电子开关(3)打开，太阳电池组件对2号蓄电池组(6)充电，此时2号蓄电池组输出电子开关(8)关闭，同时打开1号蓄电池组输出电子开关(7)，由1号蓄电池组(5)为负载供电，形成在一个充放电周期中总有一个蓄电池组在充电，同时由另一蓄电池组放电的光伏系统智能化互补充放电过程，实现负载不间断供电。

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