一種離網型光伏發電系統新型充電管理方法

普平貴　王偉　傅洪波

摘 要：離網型光伏發電系統中，將光伏方陣分為多路接入光伏控制器，通過對每路光伏充電單元進行PWM控制對蓄電池充電，可以有效降低充電回路的發熱量，降低充電過程中的電磁干擾。

關鍵詞：離網型光伏發電系統；控制器；充電管理

中圖分類號：TU39 文獻標識碼：B 文章編號：1671-2064（2017）22-0152-02

1 引言

隨著人們低碳觀念的逐漸增強、環境意識的日趨提高和對化石能源的擔憂，以及光伏發電成本的迅速下降，太陽能電力已經被廣泛利用，國內光伏太陽能的應用量也逐年倍增。除并網光伏系統快速增長外，離網光伏系統也被廣泛應用于邊遠地區家用照明、通信電源、道路監控電源、國防通信、地震監測和海島供電系統等常規電網難于進入或者其它電力投資不經濟的地區。并且隨著經濟社會的不斷發展，離網系統的容量也在增加，例如：由于通信基站容量的擴大，通信電源功率也在增加；家用照明配套的太陽能電源也從以往的數十至數百瓦，增加到數個千瓦甚至更高容量。

對于配套于傳統離網系統的光伏控制器，小容量系統采用“PWM”方式充電管理，中大容量系統通常太陽電池多路接入控制器，控制器采用逐路切除或投入的“階梯式”方式充電管理，該管理過于粗糙和簡單。并且該類型控制器仍然停留在追求設備的穩定性和可靠性上，還沒有從根本上考慮整個系統的效率問題和相關設備的使用壽命問題，導致離網光伏系統的效率極低，蓄電池實際使用壽命與設計壽命相差甚遠。

離網型光伏發電系統中，控制器負責管理光伏方陣對蓄電池充電和對負載設備供電。傳統控制器充電管理方式分別為：方式①一個光伏系統單路PWM控制對蓄電池充電；方式②采用MPPT技術實現對蓄電池充電；方式③一個光伏系統分為多路充電單元、逐級投切方式實現對蓄電池充電。

以上三種方式中，方式③為最原始的充電方式，其充電管理方式粗糙、控制精度低，充電效率低，充電過程中會造成蓄電池電壓大幅度波動；方式②是近年來離網光伏系統的主流應用方式，該方式能夠保證光伏方陣實時處于最大功率輸出點，系統效率較高。但存在的問題是充電端增加了DC/DC模塊，而且一個光伏系統采用單路PWM控制，造成系統發熱量非常大，大電流充電過程中產生較大的電磁輻射；方式①是較為普遍的使用方式，其在小功率光伏系統中得到廣泛應用。但使用于中大功率光伏系統時，單路上電流非常大，對控制功率器件性能要求很高，其工作過程中產生非常大的熱量需要配置較大的散熱裝置。

基于以上控制器存在的問題，本方法提出了一種適用于海拔較高、散熱難度大的地域，以及對電磁干擾較為敏感的負載設備領域的光伏控制系統，該設備發熱量較小、充電管理精度較高、充電過程中電磁輻射量較小的新型充電方式。

2 實現方法

該控制器的設計如圖1，將一個光伏方陣平均分為N個充電單元，每個充電單元順序接入控制器的各路太陽電池方陣輸入端，共計形成N個充電回路。

充電過程中，微電腦控制板和主控制板對采樣數據進行分析處理并作出判斷，將控制信號根據需求發送至各充電回路的開關器件上，最終實現整個充電控制過程。

當蓄電池電壓上升至需要逐步切除光伏方陣容量時，各路開關器件動作方式如下：

（1）第2路至第N路開關器件處于完全導通狀態，第1路充電開關以PWM方式，從100%導通逐步向0%導通步進。步進大小和速度快慢根據蓄電池電壓狀況判定。若該回路PWM已經調制為0%導通，蓄電池電壓仍然有上升的趨勢，則：

（2）第1路開關器件關閉，第3路至第N路開關器件處于完全導通狀態，第2路充電開關以PWM方式，從100%導通逐步向0%導通步進。步進大小和速度快慢根據蓄電池電壓狀況判定。若該回路PWM已經調制為0%導通，蓄電池電壓仍然有上升的趨勢，則：

（3）第1、2路開關器件關閉，第4路至第N路開關器件處于完全導通狀態，第3路充電開關以PWM方式，從100%導通逐步向0%導通步進。步進大小和速度快慢根據蓄電池電壓狀況判定。

（4）若該回路PWM已經調制為0%導通，蓄電池電壓仍然有上升的趨勢，則依次讓后面各回路逐次執行以上控制方式，直至全部回路開關器件處于關閉狀態。

當蓄電池電壓處于下降趨勢狀態，需要逐步投入光伏方陣容量時，各路開關器件動作方式如下：

（1）第1路至第N-1路開關器件處于完全關閉狀態，第N路充電開關以PWM方式，從0%導通逐步向100%導通步進。步進大小和速度快慢根據蓄電池電壓狀況判定。若該回路PWM已經調制為100%導通，蓄電池電壓仍然有下降的趨勢，則：

（2）第1路至第N-2路開關器件處于完全關閉狀態、第N路開關器件處于完全導通狀態，第N-1路充電開關以PWM方式，從0%導通逐步向100%導通步進。步進大小和速度快慢根據蓄電池電壓狀況判定。若該回路PWM已經調制為100%導通，蓄電池電壓仍然有下降的趨勢，則：

（3）第1路至第N-3路開關器件處于完全關閉狀態、第N、N-1路開關器件處于完全導通狀態，第N-2路充電開關以PWM方式，從0%導通逐步向100%導通步進。步進大小和速度快慢根據蓄電池電壓狀況判定。

（4）若該回路PWM已經調制為100%導通，蓄電池電壓仍然有下降的趨勢，則依次讓后面各回路逐次執行以上控制方式，直至全部回路開關器件處于全導通狀態。

通過將一個光伏方陣平均分配為N路獨立充電，根據Q=I2R定理，充電過程中的發熱量將大大降低。同時，由于功率開關器件在關斷狀態、無電流經過時自然不會產生熱量；在全導通狀態時，其內阻非常低，僅產生較少的熱量，而且全導通狀態恒流通電，本身不會生產電磁波；在PWM過程中，功率開關器件在導通/關閉節點會產生較大熱量。

通過該種控制方式，單路PWM過程中產生的熱量將大大降低。而且將發熱量分配在N個回路上，通過N個回路輪流PWM運行，有利于功率開關器件在停止PWM控制時段的充分散熱和休整，避免了單個功率開關器件一直處于PWM控制時發熱量的快速上升，并長期處于異常溫度中導致壽命縮短。同時，當某個充電回路出現故障時，其它回路也能夠照常以PWM方式控制管理充電。

3 結語

中大型離網型光伏發電系統一般應用于電網無法延伸的環境較為惡劣的地域，主要應用領域包括移動通信、道路監控、森林防火、地震監測、國防通信等。對于目前國內應用較為廣泛的移動通信電源系統，主要分布于西藏、青海等海拔很高的高原地區，該地區由于海拔較高、空氣稀薄，導致功率器件自然散熱條件大大下降，對于系統降溫設計非常要必要。在以往該類型系統故障中，在散熱方面出現的問題占比較高。該地域設備維修成本非常高，而且道路較為艱險，因此對于散熱系統的創新設計是非常有必要的。

參考文獻

[1]吳佳妮.離網光伏發電系統設計探討[J].電子技術與軟件工程，2015：140-143.

[2]程啟明.小型離網光伏發電系統的設計[J].上海電力學院學報，2014，30（3）：199-218.