獨(dú)立光伏系統(tǒng)的應(yīng)用及控制策略探討

本文分析了獨(dú)立光伏系統(tǒng)在解決邊防海島部隊(duì)供電難題和生態(tài)營(yíng)區(qū)建設(shè)等方面的應(yīng)用，討論了獨(dú)立光伏系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題，分析了能量控制策略的現(xiàn)狀和蓄電池分組控制策略，給出了分組原則，研究了控制電路的結(jié)構(gòu)和原理。實(shí)踐證明，分組充放電對(duì)于提高供電可靠性，延長(zhǎng)蓄電池壽命有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

　　關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能 生態(tài)營(yíng)區(qū) 光伏系統(tǒng) 分組策略

一、引言

　　近年來(lái)隨著環(huán)境污染的不斷加劇，環(huán)保意識(shí)的不斷提高，人們對(duì)能源和環(huán)境問(wèn)題日益關(guān)注，新能源的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用取得了飛速的發(fā)展，其中以太陽(yáng)能在軍地的應(yīng)用最為廣泛。太陽(yáng)能發(fā)電在解決邊遠(yuǎn)山區(qū)和邊防海島連隊(duì)供電難題中發(fā)揮了很大的作用，尤其是在總部提出構(gòu)建“生態(tài)營(yíng)區(qū)”的要求以后，太陽(yáng)能同樣在部隊(duì)“生態(tài)營(yíng)區(qū)”建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，主要以光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)為主，包括太陽(yáng)能景觀燈、太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能海水淡化系統(tǒng)等，都取得了廣泛的應(yīng)用。

　　通過(guò)對(duì)光伏系統(tǒng)在部隊(duì)?wèi)?yīng)用的廣泛調(diào)研，分析整理資料和建議，得到三點(diǎn)啟示：一是光伏系統(tǒng)在部隊(duì)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，以解決偏遠(yuǎn)營(yíng)區(qū)的供電為主，其他多種形式的應(yīng)用發(fā)展迅速；二是獨(dú)立光伏系統(tǒng)中的能量控制策略過(guò)于簡(jiǎn)單，沒(méi)有根據(jù)系統(tǒng)的容量大小進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，造成能量的利用效率較低，儲(chǔ)能蓄電池容易失效，運(yùn)行成本較高；三是實(shí)行儲(chǔ)能系統(tǒng)的分組充放電，能夠有效地提高供電可靠性。

　　本文將對(duì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)在軍營(yíng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究分析，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的能量控制策略進(jìn)行研究，提出一種分組充放電控制策略，為解決光伏系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問(wèn)題，提供了很好的參考。

　　二、光伏系統(tǒng)在軍營(yíng)中的應(yīng)用

　　隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，現(xiàn)在戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)于后勤電力的保障提出了更高的要求，要求我們必須拓展多種供電渠道，研究多種供電保障方式，以滿足各種復(fù)雜條件下的供電要求；同時(shí)由于社會(huì)生活水平的不斷提高，官兵對(duì)于居住環(huán)境也有了更高的要求，環(huán)保、綠色的軍營(yíng)更能營(yíng)造一種積極健康的生活形態(tài)，同時(shí)激發(fā)官兵愛(ài)崗敬業(yè)的意識(shí)，而太陽(yáng)能作為一種綠色能源，正好滿足了以上要求。太陽(yáng)能作為一種清潔、環(huán)保、綠色能源，在部隊(duì)建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，通過(guò)對(duì)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用調(diào)研，光伏發(fā)電在部隊(duì)主要的應(yīng)用和意義有以下五個(gè)方面：

　　1．解決了邊防和海島連隊(duì)的供電保障難題。我軍很多駐扎在邊防和海島的連隊(duì)，以及很多駐地遠(yuǎn)離大電網(wǎng)的部隊(duì)營(yíng)區(qū)，基本上都存在著供電保障難的問(wèn)題。目前，其用電主要是通過(guò)自備的發(fā)電機(jī)（組）來(lái)解決。很顯然，這一方案存在發(fā)電成本較高、噪音大、污染環(huán)境、燃料運(yùn)輸成本高等的不足。隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，改善這些部隊(duì)平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)的供電條件，已經(jīng)越來(lái)越重要，其中以獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。建設(shè)一個(gè)小型的獨(dú)立光伏電站不但可以解決供電問(wèn)題，同時(shí)可以減少運(yùn)輸燃油的費(fèi)用，降低對(duì)于燃油的依賴。

　　2．戶外獨(dú)立工作站點(diǎn)的供電。對(duì)于各種微波中繼站、戶外檢測(cè)點(diǎn)和航海燈塔等戶外獨(dú)立工作設(shè)備，常常遠(yuǎn)離電網(wǎng)，電網(wǎng)的延伸供電困難重重，光伏系統(tǒng)能夠很好的解決這類(lèi)室外工作站點(diǎn)的電源供電問(wèn)題。

　　3．在部隊(duì)“生態(tài)營(yíng)區(qū)”建設(shè)中應(yīng)用廣泛。部隊(duì)營(yíng)區(qū)的改造和建設(shè)都以生態(tài)營(yíng)區(qū)、環(huán)保營(yíng)區(qū)、綠色營(yíng)區(qū)為目標(biāo)，一般都會(huì)根據(jù)營(yíng)區(qū)所在地的自然環(huán)境條件進(jìn)行新能源項(xiàng)目的論證，主要包括太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能景觀燈、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電等，其中以太陽(yáng)能景觀燈的應(yīng)用最廣泛。

　　4．為探索后勤供電保障的新方法提供了思路。拓展各種供電渠道，研究多種供電方式，光伏發(fā)電系統(tǒng)為現(xiàn)階段探索后勤供電保障的新方法提供了思路。例如綜合應(yīng)用薄膜太陽(yáng)能電池和新型儲(chǔ)能裝置（超級(jí)電容），開(kāi)發(fā)小容量的移動(dòng)太陽(yáng)能發(fā)電裝置就具有重要的意義，而目前小型太陽(yáng)能數(shù)碼充電器已經(jīng)在為手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本充電中取得了一定的應(yīng)用，成為戶外數(shù)碼產(chǎn)品輔助備用電源的首選。

　　5．為開(kāi)發(fā)其他新能源系統(tǒng)提供了很好的參考。光伏發(fā)電系統(tǒng)的投建，對(duì)于其他多能源的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用具有良好的參考作用，也可以不斷地提高官兵的環(huán)境保護(hù)意識(shí)、節(jié)約資源意識(shí)。同時(shí)，對(duì)于開(kāi)發(fā)和應(yīng)用其他新能源系統(tǒng)，如風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，也可以提供很好的應(yīng)用參考。

　　三、獨(dú)立光伏系統(tǒng)的應(yīng)用分析

　　1．獨(dú)立光伏系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題

　　一個(gè)典型的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1，包括太陽(yáng)能陣列、DC/DC變換器、控制器、蓄電池以及用于交流負(fù)載的逆變器，其中虛線所示為備選結(jié)構(gòu)，有交流負(fù)載時(shí)選用。根據(jù)系統(tǒng)的電壓設(shè)計(jì)要求，選擇合適的DC/DC變換電路，同時(shí)能夠跟蹤最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配。光伏系統(tǒng)的核心部件在于控制器，主要作用有兩點(diǎn)：一是防止蓄電池過(guò)充電和過(guò)放電，并對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)、管理、控制和保護(hù)；二是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能量控制策略，控制DC/DC變換電路工作^[1]。

　　獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)目前面臨以下兩個(gè)問(wèn)題：一是能量密度不高，整體的利用效率較低，前期的投資較大；二是獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置一般以鉛酸蓄電池為主，蓄電池成本占光伏電站初始設(shè)備成本的25％左右，而對(duì)于蓄電池的充放電控制比較簡(jiǎn)單，容易導(dǎo)致蓄電池提前失效，增加了系統(tǒng)的運(yùn)行成本^[2]。蓄電池在20年的運(yùn)行周期中占投資費(fèi)用的43%，大多數(shù)蓄電池并不能達(dá)到設(shè)計(jì)的使用壽命，除了蓄電池本身的缺陷和管理維護(hù)不到位外，蓄電池運(yùn)行管理不合理是導(dǎo)致蓄電池提前失效的重要原因^[3]。因此對(duì)于獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，提高能量利用率，研究科學(xué)的系統(tǒng)能量控制策略，可以降低獨(dú)立光伏系統(tǒng)的投資費(fèi)用。

　　2．控制策略的現(xiàn)狀分析

　　在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，從直接連接發(fā)展到應(yīng)用電能變換器、微處理器和電腦監(jiān)控的綜合控制系統(tǒng)，尤其是隨著微處理器技術(shù)和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，能量利用的效率逐漸提高。從近幾年國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表比較典型的文獻(xiàn)來(lái)看^[4-6]，主要研究光伏系統(tǒng)充放電控制策略和能量管理，其中蓄電池的充放電控制、功率跟蹤控制、控制器設(shè)計(jì)三個(gè)方面的獨(dú)立研究較多，存在的問(wèn)題主要有以下三點(diǎn)：（1）光伏組件的功率跟蹤與蓄電池荷電狀態(tài)之間的配合控制關(guān)系簡(jiǎn)單，常用的階段性控制策略有待改進(jìn)；（2）對(duì)于蓄電池的分組充放電管理，缺少詳細(xì)的設(shè)計(jì)；（3）獨(dú)立光伏系統(tǒng)蓄電池的充放電控制、功率跟蹤控制、控制器設(shè)計(jì)三者之間沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的綜合性能量控制策略。

　　本文針對(duì)上面提出的第二個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，主要從獨(dú)立光伏系統(tǒng)在軍營(yíng)電力供應(yīng)中的應(yīng)用入手，對(duì)分組的原則和控制進(jìn)行了探討。實(shí)際系統(tǒng)中的負(fù)荷分為重要負(fù)荷和一般負(fù)荷，重要負(fù)荷對(duì)于供電的可靠性要求很高，而蓄電池的分組充放電策略對(duì)于電力負(fù)荷分級(jí)供電具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

四、分組充放電控制策略分析

　　1．分組策略的提出

　　為了加強(qiáng)對(duì)蓄電池的充放電管理，同時(shí)提高對(duì)負(fù)荷的供電可靠性，可以對(duì)光伏系統(tǒng)中的蓄電池進(jìn)行分組管理，使其變成多個(gè)容量較小的蓄電池組，主要基于以下幾個(gè)原因：

　?。?）提高充電電流，有效地利用太陽(yáng)能陣列的能量，減小長(zhǎng)期的小電流放電和小電流充電對(duì)蓄電池帶來(lái)的不良影響，避免小電流放電產(chǎn)生大的結(jié)晶；

　?。?）蓄電池在大電流放電后的接收電流能力較強(qiáng)，因此分組可以適當(dāng)增加充電的效率；

　?。?）分組能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于蓄電池組的維護(hù)性充電，在光照條件和蓄電池容量允許的條件對(duì)于蓄電池進(jìn)行維護(hù)性的均衡充電，適當(dāng)?shù)倪^(guò)充能夠避免電池電解液的分層；

　?。?）能夠?qū)崿F(xiàn)充電的同時(shí)，又能為白天需要保證的重要負(fù)載放電。

　　2．分組管理的原則

　　蓄電池分組要考慮整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量，綜合考慮光伏陣列在最大太陽(yáng)輻射下的最大輸出電流與蓄電池組的最大可充電電流的關(guān)系，分組的主要原則如下：

　　（1）系統(tǒng)光伏陣列最大輸出電流要小于蓄電池組的最大可充電電流。主要是針對(duì)蓄電池的荷電狀態(tài)較低時(shí)的充電接收能力而言，可接受的充電電流稍微大于陣列的最大輸出電流；

　　（2）分組要考慮系統(tǒng)中負(fù)載的大小，放電電流在廠家規(guī)定的放電率附近，以一個(gè)工作日放電容量占蓄電池小組容量的20%左右為宜；

　　（3）分組要考慮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，不宜太多，一般不超過(guò)3組，以2~3組為宜。

　　3．分組控制電路的結(jié)構(gòu)分析

　　以分兩組為例，控制的策略如下：首先預(yù)測(cè)容量，對(duì)于容量較小的蓄電池組先充電，同時(shí)允許另一組放電；在線判斷兩組容量的變化，當(dāng)兩組容量相差達(dá)到30%以上時(shí)，進(jìn)行充電和放電（或者靜置）狀態(tài)的切換；結(jié)合系統(tǒng)的控制策略，達(dá)到均衡充放電的目的，同時(shí)在系統(tǒng)的荷電狀態(tài)較低時(shí)，應(yīng)輸出低荷電狀態(tài)提示，結(jié)合負(fù)載的分級(jí)限制輸出電流，分組控制電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2中KM1、KM2、KM3、KM4為充放電控制繼電器，電路中接入常開(kāi)觸點(diǎn)，KM3為輔助常閉觸點(diǎn)，電路主要是實(shí)現(xiàn)上面提出的控制策略，選擇電壓和電流滿足要求的繼電器可以實(shí)現(xiàn)控制的要求，控制指令如表1所示。

表1 分組充放電控制繼電器指令表

　　以上的控制系統(tǒng)雖然能夠考慮所有的工作情況，但是控制復(fù)雜，對(duì)于千瓦級(jí)的系統(tǒng)，效果較好，對(duì)于容量較小的光伏系統(tǒng)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)中的控制環(huán)節(jié)，一種簡(jiǎn)化的工作狀態(tài)如下圖3所示，簡(jiǎn)化的分組充放電控制指令如表2所示。

　　在實(shí)際的系統(tǒng)中，應(yīng)該結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)容量和負(fù)載的要求，具體選擇合理的控制方案，分組控制策略在實(shí)際的控制中很容易實(shí)現(xiàn)。在某營(yíng)區(qū)光伏電站的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)用了分組充放電控制策略，得到了很好的效果。

　　五、結(jié)論

　　隨著軍隊(duì)后勤建設(shè)的不斷發(fā)展，官兵環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，光伏系統(tǒng)工程技術(shù)水平的不斷提高，光伏發(fā)電系統(tǒng)必將在軍隊(duì)取得越來(lái)越多地應(yīng)用。本文提出的分組充放電管理，對(duì)于提高光伏系統(tǒng)供電可靠性具有現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，不斷優(yōu)化光伏系統(tǒng)的控制策略，研究光伏系統(tǒng)能量跟蹤的規(guī)律，研制智能化程度較高的光伏系統(tǒng)控制器，對(duì)推動(dòng)光伏系統(tǒng)的深入應(yīng)用具有重大的作用