一种离网型光伏发电系统新型充电管理方法

普平贵　王伟　傅洪波

摘 要：离网型光伏发电系统中，将光伏方阵分为多路接入光伏控制器，通过对每路光伏充电单元进行PWM控制对蓄电池充电，可以有效降低充电回路的发热量，降低充电过程中的电磁干扰。

关键词：离网型光伏发电系统；控制器；充电管理

中图分类号：TU39 文献标识码：B 文章编号：1671-2064（2017）22-0152-02

1 引言

随着人们低碳观念的逐渐增强、环境意识的日趋提高和对化石能源的担忧，以及光伏发电成本的迅速下降，太阳能电力已经被广泛利用，国内光伏太阳能的应用量也逐年倍增。除并网光伏系统快速增长外，离网光伏系统也被广泛应用于边远地区家用照明、通信电源、道路监控电源、国防通信、地震监测和海岛供电系统等常规电网难于进入或者其它电力投资不经济的地区。并且随着经济社会的不断发展，离网系统的容量也在增加，例如：由于通信基站容量的扩大，通信电源功率也在增加；家用照明配套的太阳能电源也从以往的数十至数百瓦，增加到数个千瓦甚至更高容量。

对于配套于传统离网系统的光伏控制器，小容量系统采用“PWM”方式充电管理，中大容量系统通常太阳电池多路接入控制器，控制器采用逐路切除或投入的“阶梯式”方式充电管理，该管理过于粗糙和简单。并且该类型控制器仍然停留在追求设备的稳定性和可靠性上，还没有从根本上考虑整个系统的效率问题和相关设备的使用寿命问题，导致离网光伏系统的效率极低，蓄电池实际使用寿命与设计寿命相差甚远。

离网型光伏发电系统中，控制器负责管理光伏方阵对蓄电池充电和对负载设备供电。传统控制器充电管理方式分别为：方式①一个光伏系统单路PWM控制对蓄电池充电；方式②采用MPPT技术实现对蓄电池充电；方式③一个光伏系统分为多路充电单元、逐级投切方式实现对蓄电池充电。

以上三种方式中，方式③为最原始的充电方式，其充电管理方式粗糙、控制精度低，充电效率低，充电过程中会造成蓄电池电压大幅度波动；方式②是近年来离网光伏系统的主流应用方式，该方式能够保证光伏方阵实时处于最大功率输出点，系统效率较高。但存在的问题是充电端增加了DC/DC模块，而且一个光伏系统采用单路PWM控制，造成系统发热量非常大，大电流充电过程中产生较大的电磁辐射；方式①是较为普遍的使用方式，其在小功率光伏系统中得到广泛应用。但使用于中大功率光伏系统时，单路上电流非常大，对控制功率器件性能要求很高，其工作过程中产生非常大的热量需要配置较大的散热装置。

基于以上控制器存在的问题，本方法提出了一种适用于海拔较高、散热难度大的地域，以及对电磁干扰较为敏感的负载设备领域的光伏控制系统，该设备发热量较小、充电管理精度较高、充电过程中电磁辐射量较小的新型充电方式。

2 实现方法

该控制器的设计如图1，将一个光伏方阵平均分为N个充电单元，每个充电单元顺序接入控制器的各路太阳电池方阵输入端，共计形成N个充电回路。

充电过程中，微电脑控制板和主控制板对采样数据进行分析处理并作出判断，将控制信号根据需求发送至各充电回路的开关器件上，最终实现整个充电控制过程。

当蓄电池电压上升至需要逐步切除光伏方阵容量时，各路开关器件动作方式如下：

（1）第2路至第N路开关器件处于完全导通状态，第1路充电开关以PWM方式，从100%导通逐步向0%导通步进。步进大小和速度快慢根据蓄电池电压状况判定。若该回路PWM已经调制为0%导通，蓄电池电压仍然有上升的趋势，则：

（2）第1路开关器件关闭，第3路至第N路开关器件处于完全导通状态，第2路充电开关以PWM方式，从100%导通逐步向0%导通步进。步进大小和速度快慢根据蓄电池电压状况判定。若该回路PWM已经调制为0%导通，蓄电池电压仍然有上升的趋势，则：

（3）第1、2路开关器件关闭，第4路至第N路开关器件处于完全导通状态，第3路充电开关以PWM方式，从100%导通逐步向0%导通步进。步进大小和速度快慢根据蓄电池电压状况判定。

（4）若该回路PWM已经调制为0%导通，蓄电池电压仍然有上升的趋势，则依次让后面各回路逐次执行以上控制方式，直至全部回路开关器件处于关闭状态。

当蓄电池电压处于下降趋势状态，需要逐步投入光伏方阵容量时，各路开关器件动作方式如下：

（1）第1路至第N-1路开关器件处于完全关闭状态，第N路充电开关以PWM方式，从0%导通逐步向100%导通步进。步进大小和速度快慢根据蓄电池电压状况判定。若该回路PWM已经调制为100%导通，蓄电池电压仍然有下降的趋势，则：

（2）第1路至第N-2路开关器件处于完全关闭状态、第N路开关器件处于完全导通状态，第N-1路充电开关以PWM方式，从0%导通逐步向100%导通步进。步进大小和速度快慢根据蓄电池电压状况判定。若该回路PWM已经调制为100%导通，蓄电池电压仍然有下降的趋势，则：

（3）第1路至第N-3路开关器件处于完全关闭状态、第N、N-1路开关器件处于完全导通状态，第N-2路充电开关以PWM方式，从0%导通逐步向100%导通步进。步进大小和速度快慢根据蓄电池电压状况判定。

（4）若该回路PWM已经调制为100%导通，蓄电池电压仍然有下降的趋势，则依次让后面各回路逐次执行以上控制方式，直至全部回路开关器件处于全导通状态。

通过将一个光伏方阵平均分配为N路独立充电，根据Q=I2R定理，充电过程中的发热量将大大降低。同时，由于功率开关器件在关断状态、无电流经过时自然不会产生热量；在全导通状态时，其内阻非常低，仅产生较少的热量，而且全导通状态恒流通电，本身不会生产电磁波；在PWM过程中，功率开关器件在导通/关闭节点会产生较大热量。

通过该种控制方式，单路PWM过程中产生的热量将大大降低。而且将发热量分配在N个回路上，通过N个回路轮流PWM运行，有利于功率开关器件在停止PWM控制时段的充分散热和休整，避免了单个功率开关器件一直处于PWM控制时发热量的快速上升，并长期处于异常温度中导致寿命缩短。同时，当某个充电回路出现故障时，其它回路也能够照常以PWM方式控制管理充电。

3 结语

中大型离网型光伏发电系统一般应用于电网无法延伸的环境较为恶劣的地域，主要应用领域包括移动通信、道路监控、森林防火、地震监测、国防通信等。对于目前国内应用较为广泛的移动通信电源系统，主要分布于西藏、青海等海拔很高的高原地区，该地区由于海拔较高、空气稀薄，导致功率器件自然散热条件大大下降，对于系统降温设计非常要必要。在以往该类型系统故障中，在散热方面出现的问题占比较高。该地域设备维修成本非常高，而且道路较为艰险，因此对于散热系统的创新设计是非常有必要的。

参考文献

[1]吴佳妮.离网光伏发电系统设计探讨[J].电子技术与软件工程，2015：140-143.

[2]程啟明.小型离网光伏发电系统的设计[J].上海电力学院学报，2014，30（3）：199-218.