獨立光伏系統(tǒng)的應(yīng)用及控制策略探討

本文分析了獨立光伏系統(tǒng)在解決邊防海島部隊供電難題和生態(tài)營區(qū)建設(shè)等方面的應(yīng)用，討論了獨立光伏系統(tǒng)存在的主要問題，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。實踐證明，分組充放電對于提高供電可靠性，延長蓄電池壽命有一定的現(xiàn)實意義。

　　關(guān)鍵詞：太陽能 生態(tài)營區(qū) 光伏系統(tǒng) 分組策略

一、引言

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

　　通過對光伏系統(tǒng)在部隊應(yīng)用的廣泛調(diào)研，分析整理資料和建議，得到三點啟示：一是光伏系統(tǒng)在部隊的應(yīng)用會越來越廣泛，以解決偏遠營區(qū)的供電為主，其他多種形式的應(yīng)用發(fā)展迅速；二是獨立光伏系統(tǒng)中的能量控制策略過于簡單，沒有根據(jù)系統(tǒng)的容量大小進行具體的設(shè)計，造成能量的利用效率較低，儲能蓄電池容易失效，運行成本較高；三是實行儲能系統(tǒng)的分組充放電，能夠有效地提高供電可靠性。

　　本文將對獨立光伏系統(tǒng)在軍營中的應(yīng)用進行研究分析，同時對系統(tǒng)的能量控制策略進行研究，提出一種分組充放電控制策略，為解決光伏系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題，提供了很好的參考。

　　二、光伏系統(tǒng)在軍營中的應(yīng)用

　　隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，現(xiàn)在戰(zhàn)爭對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；同時由于社會生活水平的不斷提高，官兵對于居住環(huán)境也有了更高的要求，環(huán)保、綠色的軍營更能營造一種積極健康的生活形態(tài)，同時激發(fā)官兵愛崗敬業(yè)的意識，而太陽能作為一種綠色能源，正好滿足了以上要求。太陽能作為一種清潔、環(huán)保、綠色能源，在部隊建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，通過對光伏系統(tǒng)的應(yīng)用調(diào)研，光伏發(fā)電在部隊主要的應(yīng)用和意義有以下五個方面：

　　1．解決了邊防和海島連隊的供電保障難題。我軍很多駐扎在邊防和海島的連隊，以及很多駐地遠離大電網(wǎng)的部隊營區(qū)，基本上都存在著供電保障難的問題。目前，其用電主要是通過自備的發(fā)電機（組）來解決。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，改善這些部隊平時和戰(zhàn)時的供電條件，已經(jīng)越來越重要，其中以獨立光伏發(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)一個小型的獨立光伏電站不但可以解決供電問題，同時可以減少運輸燃油的費用，降低對于燃油的依賴。

　　2．戶外獨立工作站點的供電。對于各種微波中繼站、戶外檢測點和航海燈塔等戶外獨立工作設(shè)備，常常遠離電網(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室外工作站點的電源供電問題。

　　3．在部隊“生態(tài)營區(qū)”建設(shè)中應(yīng)用廣泛。部隊營區(qū)的改造和建設(shè)都以生態(tài)營區(qū)、環(huán)保營區(qū)、綠色營區(qū)為目標，一般都會根據(jù)營區(qū)所在地的自然環(huán)境條件進行新能源項目的論證，主要包括太陽能路燈、太陽能景觀燈、光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電等，其中以太陽能景觀燈的應(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)用薄膜太陽能電池和新型儲能裝置（超級電容），開發(fā)小容量的移動太陽能發(fā)電裝置就具有重要的意義，而目前小型太陽能數(shù)碼充電器已經(jīng)在為手機、數(shù)碼相機、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，對于其他多能源的開發(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)境保護意識、節(jié)約資源意識。同時，對于開發(fā)和應(yīng)用其他新能源系統(tǒng)，如風(fēng)光互補系統(tǒng)，也可以提供很好的應(yīng)用參考。

　　三、獨立光伏系統(tǒng)的應(yīng)用分析

　　1．獨立光伏系統(tǒng)面臨的主要問題

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

　　獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)目前面臨以下兩個問題：一是能量密度不高，整體的利用效率較低，前期的投資較大；二是獨立發(fā)電系統(tǒng)的儲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，而對于蓄電池的充放電控制比較簡單，容易導(dǎo)致蓄電池提前失效，增加了系統(tǒng)的運行成本^[2]。蓄電池在20年的運行周期中占投資費用的43%，大多數(shù)蓄電池并不能達到設(shè)計的使用壽命，除了蓄電池本身的缺陷和管理維護不到位外，蓄電池運行管理不合理是導(dǎo)致蓄電池提前失效的重要原因^[3]。因此對于獨立發(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，可以降低獨立光伏系統(tǒng)的投資費用。

　　2．控制策略的現(xiàn)狀分析

　　在太陽能光伏系統(tǒng)的發(fā)展過程中，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。從近幾年國內(nèi)外公開發(fā)表比較典型的文獻來看^[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)計三個方面的獨立研究較多，存在的問題主要有以下三點：（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)系簡單，常用的階段性控制策略有待改進；（2）對于蓄電池的分組充放電管理，缺少詳細的設(shè)計；（3）獨立光伏系統(tǒng)蓄電池的充放電控制、功率跟蹤控制、控制器設(shè)計三者之間沒有公開發(fā)表的綜合性能量控制策略。

　　本文針對上面提出的第二個問題進行了分析研究，主要從獨立光伏系統(tǒng)在軍營電力供應(yīng)中的應(yīng)用入手，對分組的原則和控制進行了探討。實際系統(tǒng)中的負荷分為重要負荷和一般負荷，重要負荷對于供電的可靠性要求很高，而蓄電池的分組充放電策略對于電力負荷分級供電具有很大的現(xiàn)實意義。

四、分組充放電控制策略分析

　　1．分組策略的提出

　　為了加強對蓄電池的充放電管理，同時提高對負荷的供電可靠性，可以對光伏系統(tǒng)中的蓄電池進行分組管理，使其變成多個容量較小的蓄電池組，主要基于以下幾個原因：

　　（1）提高充電電流，有效地利用太陽能陣列的能量，減小長期的小電流放電和小電流充電對蓄電池帶來的不良影響，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，因此分組可以適當增加充電的效率；

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

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

　　2．分組管理的原則

　　蓄電池分組要考慮整個系統(tǒng)的設(shè)計容量，綜合考慮光伏陣列在最大太陽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：

　?。?）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。主要是針對蓄電池的荷電狀態(tài)較低時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；

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

　?。?）分組要考慮控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，不宜太多，一般不超過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)測容量，對于容量較小的蓄電池組先充電，同時允許另一組放電；在線判斷兩組容量的變化，當兩組容量相差達到30%以上時，進行充電和放電（或者靜置）狀態(tài)的切換；結(jié)合系統(tǒng)的控制策略，達到均衡充放電的目的，同時在系統(tǒng)的荷電狀態(tài)較低時，應(yīng)輸出低荷電狀態(tài)提示，結(jié)合負載的分級限制輸出電流，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，電路中接入常開觸點，KM3為輔助常閉觸點，電路主要是實現(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，對于千瓦級的系統(tǒng)，效果較好，對于容量較小的光伏系統(tǒng)，簡化系統(tǒng)中的控制環(huán)節(jié)，一種簡化的工作狀態(tài)如下圖3所示，簡化的分組充放電控制指令如表2所示。

　　在實際的系統(tǒng)中，應(yīng)該結(jié)合系統(tǒng)的實際設(shè)計容量和負載的要求，具體選擇合理的控制方案，分組控制策略在實際的控制中很容易實現(xiàn)。在某營區(qū)光伏電站的項目設(shè)計中，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

　　隨著軍隊后勤建設(shè)的不斷發(fā)展，官兵環(huán)保意識的不斷增強，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)必將在軍隊取得越來越多地應(yīng)用。本文提出的分組充放電管理，對于提高光伏系統(tǒng)供電可靠性具有現(xiàn)實意義。同時，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，對推動光伏系統(tǒng)的深入應(yīng)用具有重大的作用