1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 小型独立光伏发电系统蓄电池控制电路的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 当今社会能源枯竭而且环境污染问题日益严重，对光伏的利用如光伏发电已成为世界各国争相发展的热点。因而光伏并网发 电与独立光伏系统得到迅速地发展，特别是为那些偏远地区用户提供电力的独立光伏系统成为国家投资的重点。本文用最为普遍的阀控式铅酸蓄电池（ VRLA)的独立光伏系统为研究对象，为了提高系统的性价比，从蓄电池的充电、放电、容量检测等方面进行深入的探讨和研究。本文简述了国内外独立光伏系统发展现状，对各种铅酸蓄
2、电池充电方式进行了分析，同时对光伏系统中的充电控制技术进行了研讨，详细分析了蓄电池容量影响的因素，对各种蓄电池容量预测方法进行探讨，结合独立光伏系统中蓄电池工作特点，提出了对蓄电池组的充、放电管理的有效方法。 关键 词 :独立光伏系统，蓄电池，充电 ，放电，剩余容量 II Small independent photovoltaic power generation system design of battery control circuit Abstract Nowadays,with the increasing of energy exhaustion and environment
3、 Pollution，the application of Photovoltaic technology has become a hotspot of the whole world .So the grid-connected Photovoltaic system and the stand-alone Photovoltaic system develop quickly,Especially,it has become the national emphasis of investment to develop the stand-alone photovoltaic system
4、s.It can supply residents which live in remote and/or far from utility grid area with Power.This paper focuses on the stand-alone photovoltaic system using valve regulated lead-acid battery(VRLA).In order to improve the performance and reduce cost of the system,we pay our emphases on the implementat
5、ion about the charging， discharging， capacity prediction， and so on . An overview on developing actuality of management of storage batteries in the stand-alone photovoltaic system at home and abroad is discussed,Various charging models of lead-acid storage battery are analyzed. Simultaneously， the c
6、harging control technology in photovoltaic system is studied,The factors affecting the capacity of the storage battery are detailed and various methods or models predicting the capacity of the storage battery are presented, Integrated the characteristic of storage battery in the stand-alone photovol
7、taic system,the paper produces a valid method for the charging and discharging management. Keywords: Stand-alone Photovoltaic System， storage battery， charging， discharging，fuzzy control III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1光伏发电系统的发展 . 1 1.2蓄电池管理的研究内容 . 1 1.3国内外发展现状 . 2 1.4课题研究的主要内容 . 3 2独立光伏系统的
8、基本特性 . 4 2.1 光伏阵列 . 4 2.2蓄电池的电特性 . 5 2.3影响蓄电池输出容量的因素 . 7 2.3.1 不 可恢复性影响因素 . 7 2.3.2 可恢复性影响因素 . 7 2.4光伏系统蓄电池特殊性 . 8 3蓄电池剩余容量检测 . 10 3.1判别容量的方法 . 10 3.1.1 测量内阻法 . 10 3.1.2 安时法 . 11 3.1.3 电压法 . 11 3.1.4 组合方法 . 11 3.2本文所采用的蓄电池容量测量装置 . 12 3.2.1 系统组成 . 12 3.2.2 测试方法 . 13 4光伏系统中蓄电池的充、放电控制 . 15 4.1一般铅酸蓄电池充电
9、控制方法 . 15 4.2恒压限流控制 . 17 4.3放电控制 . 17 5硬件与软件设计 . 19 5.1硬 件设计 . 19 5.1.1 MSP430F147 性能 . 19 5.1.2 系统硬件结构框图 . 错误 !未定义书签。 5.1.3 蓄电池的测量电路 . 20 5.1.4 充、放管理的实现 . 22 5.2软件设计 . 23 IV 5.2.1 主程序 . 24 5.2.2 限流恒压充电 . 24 5.2.3 放电管理 . 25 6结论 . 27 参考文献 . 28 致谢 . 错误 !未定义书签。 小型独立光伏发电系统蓄电池控制电路的设计 1 1 绪论 1.1 光 伏发电系统的发
10、展 现今社会环境污染严重而且能源的也日益减少，为此许多国家采取了提高能源的利用率和调整能源结构、开发新型可再生能源等措施，以达到可持续发展的目的。开发利用可再生洁净能源是当今世界最为重要的技术，充分开发的利用光伏发电技术是各国可持续发展的战略。光伏发电是利用电能作为它的表现形式，具有输送方便、无污染、安全可靠，无噪声，不受地方限制，不用消耗燃料等多方面优点，这些独特的优点使其具有正常发电所没有的便利之处。由于太阳能电池的原料 硅的储量十分丰富，所以随着太阳电池转换效率的不断提高，生产成本的不断 下降，太阳能光伏发电将在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位 1。 根据系统与电网的关系，太阳
11、能光伏发电系统可以分为独立系统和并网系统两种 2。 从目前使用情况及今后一段时期发展来看，光伏发电主要是作为独立的光伏系统存在。主要的原因是由于并网光伏系统的设备成本很高，是火力发电的10倍以上，它的发电成本是目前其他常规发电数倍，对目前的技术而言并网发电是亏本的。而对于我国西部等地区，由于地广人稀，架设电网供电线路太长，其投入与产出不成正比，而采用独立光伏发电则相对成本较低，而且建设速度看，无污染，无需 架设输电线路，不受距离控制。 我国太阳电池的生产能力从1984年以前的年产 200千瓦跃到 1988年的 4 5兆瓦。目前太阳电池主要应用于通信系统和边远无电县、无电乡村、无电岛屿等边远偏辟
12、无电地区，年销售约 1.1兆瓦，成效显著 3。 1.2 蓄电池管理的研究内容 光伏发电系统的发电需要有日照所以目前只能在白天进行发电，但是在任何时间负载都可能需要要运行，所以蓄电池是光伏发电中不可缺少的。通常的独立光伏系统结构如下图 1-1 所示。目前在光伏系统中被采用的蓄电池大致可分为两大类 4:碱性蓄电池和铅酸蓄电池。碱性蓄电池 在充、放性能、循环寿命等等方面都比铅酸蓄电池好，但是其价格昂贵，除了在高寒环境等特殊场合外，其目前的应用远不如铅酸蓄电池广泛。 小型独立光伏发电系统蓄电池控制电路的设计 2 图 1-1 独立光伏系统结构图 在独立光伏系统中蓄电池起着至关重要的作用 :白天它既能作为
13、太阳能不足的补充，又能作为多余太阳能的存贮 ;夜晚它是负载的唯一能源。 从已建光伏电站的调查分析发现 ， 蓄电池是导致光伏电站系统故障和失效的主要原因之一。导致蓄电池提前失效的原因很多 ， 除设计不合理、维护管理不到位外 ， 蓄电池的控制方式不合理是导致其提前失效的重要原因。因此 ， 建立合理的蓄电池控制方式 ， 可延 长蓄电池使用寿命 ， 降低系统运行成本并保证独立光伏电站的安全可靠运行 。 蓄电池的寿命和性能容易受到下列因素的影响 5: （ 1）环境温度维持在 0 40。不能过低也不能过高，温度太低会使输出容量降低，太高则会使极板损耗加快； （ 2）充电电压过低会过早结束充电，过高的充电电
14、压则会过充 6； （ 3）放电深度； （ 4）充电方式的区别； （ 5）放电电流的大小； （ 6）荷电状态的高低。 1.3 国内外发展现状 常规能源资源的有限性和环境压力的增加，使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。近几年， 国际光伏发电迅猛发展。 1973年，美国制定了政府级阳光发电计划； 1980 年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达 8 亿多美元； 1994年度的财政预算中，光伏发电的预算达 7800多万美元，比 1993 年增加了 23.4%； 1997年美国和欧洲相继宣布 “ 百万屋顶光伏计划 ” ，美国计划到 2010年安装 1000 3000MW
15、太阳电池。日本不甘落后，1997年补贴 “ 屋顶光伏计划 ” 的经费高达 9200 万美元，安装目标是 7600Mw。印度计划 1998 002 年太阳电池总产量为 150MW，其中 2002年为 50MW。国际光伏发电 正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。到目前为止，世界太阳电池年销售量己超过 60兆瓦，电池转换效率提高到 15%以上，系统造价和发电成本已分别降小型独立光伏发电系统蓄电池控制电路的设计 3 至 4美元 /峰瓦和 25 美分 /度电；在太阳热利用方面，由于技术日趋成熟，应用规模越来越大，仅美国太阳能热水器年销售额就逾
16、 10亿美元。太阳能热发电在技术上也有所突破，目前已有 20余座大型太阳能热发电站正在运行或建设。 煤炭巨量消费已成为我国大气污染的主要来源。我国具有丰富的太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等 新能源和可再生能源资源，开发利用前景广阔。太阳能光伏发电应用始于 70年代，真正快速发展是在 80年代。在 1983年 1987年短短的几年内先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线，使我国太阳电池的生产能力从 1984年以前的年产 200千瓦跃到 1988 年的 4 5兆瓦。目前太阳电池主要应用于通信系统和边远无电县、无电乡村、无电岛屿等边远偏辟无电地区，年销售约 1.1兆瓦，成效显著。 虽
17、然近年来我国光伏电池的产量有了大幅的提升，但目前我国对于光伏发电关键技术 掌握还远远落后于德国、日本、美国等传统强国，比如对电池 原材料 高纯多晶硅的提纯技术等等。目前我国光伏电池的原料绝大多数依赖进口，而产品也主要用于出口，也就是说研发和应用都在外面，我国是“来料加工”。这一问题已经成为我国光伏产业发展的对打瓶颈 79。 1.4 课题研究的主要内容 本文以使用最为普遍的阀控铅酸蓄电池 (VRLA)的独立光伏系统为研究对象，从蓄电池的 电量、电压、放电深度、循环寿命、冲放电性能等方面 进行研究。 主要进行以下的研究工作 : （ 1）对铅酸蓄电池充电方式结合光伏系统应用进行了分析。 （ 2）分析
18、蓄电池的容量影响因素，对蓄电池容量预测方法进行探讨。 （ 3）结合独立光伏系统中蓄电池工作特点，提出了对蓄电池组的充、放电管理的有效方法。 （ 4）基于一片 MSP430F147 单片机为核心对蓄电池的控制进行硬件与软件的设计。 小型独立光伏发电系统蓄电池控制电路的设计 4 2 独立光伏系统的基本特性 一般的独立光伏系统的结构框图如 1-1 所示，包括光伏电池阵列、充电控制器以及用于交流负载的逆变器。本章主要是介绍光伏阵列与蓄电池的电特性。 2.1 光伏阵列 光伏阵列是将太阳能转换成电能，下图 2-1就是其等效电路。 图 2-1光伏阵列单元等效电路 对图中电压、电流方向，得出光伏阵列的输出电流
19、 -电压 (I-V)方程为 : ShSSL R IRVA K TIRVqIII 1)( e x p 0 (2-1) IL 光电流； I0 反向饱和电流； Q 电子电荷； K 玻尔兹曼常数； T 绝对温度； A 二极管因子； RS 串联电阻； RSh 并联电阻； 太阳能电池阵列的 I-V 特性在系统分析中具有极其重要的作用，因此采用非线性拟合方法对其做拟合处理，以期得到更好的利用 10 11。 由于光伏阵列的输出特性受到光照及阵列温度的影响，下面来分别分析在这两种条件变化下光伏阵列的 I-V特性。 （ 1）光伏阵列在相同温度不同日照下 I-V特性 图 2-2 是光伏阵列在 温度为 25时，不同日
20、照 (S)下表现出的电流 -电压(I-V)特性。 小型独立光伏发电系统蓄电池控制电路的设计 5 图 2-2不同日照下的 I-V曲线图 （ 2）光伏阵列在相同日照不同温度下的 I- V特性 图 2-3给出了光伏阵列在日照射为 1000W/m2和在变化温度 (T)的情况下，表现出 I-V特性。 图 2-3不同温度下的 I-V曲线图 2.2 蓄电池的电特性 （ 1）内阻 铅酸蓄电池的内阻 (R 内 )包括欧姆内阻和极化阻，统称全内阻。电池在充、放电过程中有电压 V，它的组成如下 : )l n ()l n (0IInFRTIId IdnFRTIRVVO (2-1) 式中的 IR 。称为极化内阻； )ln( IIdIdnFRT 称浓差极化； )ln( 0IInFRT 称为电化学极化。
