1、毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 小型独立光伏发电系统蓄电池控制电路的设计 1 选题的背景、意义 十八世纪的工业革命，大大推动了人类社会的生产力水平，使人类进入了机器大生产的工业时代。从此，人类大规模地开采矿产、石油、砍伐森林、开垦草原，满足世界经济的发展。可以说，世界经济的现代化，得益于传统能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建筑在传统能源基础之上的一种经济。然而，这一经济的资源载体将在 21 世纪上半期迅速地接近枯竭。目前工业带来的环境污染问题也也是人们普遍关注的焦点。例如，由于 化石燃料的燃烧，大气中的颗粒物和二氧化硫浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，
2、同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失；工业废水和生活污水的排放，使人体体质恶化，危及水生生物的生存，使水体失去原有的生态功能和使用价值，给生态系统造成直接的破坏和影响。除此之外，污染物的积累和迁移转化还会引起多种衍生的环境效应，给生态系统和人类社会造成间接的危害，有时这种间接的环境效应的危害比直接危害更大。因此人类开始将目光转向可再生能源的发展。大规模地开发利用可再生洁净能源，以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性的能源结 构代替以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构已成为人们关注的焦点 13。 太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比利用最大，是最理想的可再生能源。
3、光伏发电是当前利用太阳能的主要方式。光伏电站系统可分为并网型系统和独立供电型系统 2种。前者可以看作集中式或者分布式的太阳能电站 ； 而后者则不与电网相连 ， 直接向负载提供电力 ， 为了提供持续的能量供应必须使用储能装置。阀控铅酸蓄电池 （ VRLA） 广泛应用于独立光伏电站中 ， 它是光伏发电中及其重要的一部分， 其能量是由太阳能提供 ， 白天由太阳能转化为电能给蓄电 池充电 ， 夜间则由蓄电池给用户提供所需的电能 45。 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
4、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 67。 2 相关研究的最新成果及动态 独立光伏系统的蓄电池是系统中最薄弱的环节，而且它在系统中的作用是不可替代的。而对蓄电池来说充电控制和容量预测是其核心。 有一个好的充电器将对提高系统性能起重要作用。对于充电控制器，国外研究比较深入，已经有不少的充电器产品具有很高的性能： （ 1） 内部温度补偿、（ 2）动态过充保护、（ 3）智能充电控制策略（太阳能阵列输出最大功率点跟踪技术等）、（ 4）抗操作错误。 而蓄电池的当前容量和还能充入的容量是充电
5、控制必须考虑的一个因素，因为当蓄电池容量损失后，如果充电控制不知道容量损失为多少，则充电策略为使蓄电池尽快充满而不停地努力着，甚至在实际已经充满的情况下，还不停进行充电操作，容易造成过充的现象。而且它也是用户想了解的一个重要参数：当前 负荷一下电源还能维持多一长时间，特别是对于某些有重要负荷的场所，为保证重要负荷的运行，在一定的容量下必须切断其它负荷来保证其重要负荷的继续运行。因而对于容量的预测也是相当重要。在光伏系统中最重要的设备是能使蓄电池保持长寿命、高性能、少维护，因而它不仅能控制充电，而且能在蓄电池放电期间给出剩余容量信息，为避免在蓄电池低荷电状态下的硫化和产生其他危害，它能警告用户，
6、并在一个安全的状态下切除负载。在国外许多产品中将容量预测及显示以及充电控制器集中在一个控制器中把它作为一个能量管理系统控制器。 在我国由于光伏利用起 步较晚，早期国家投入较少，针对光伏系统的充电的产品技术主要还是沿用其它系统的充电方式，因而性能还不够完善 89。值得庆幸的是，这些年我国加大了对新能源的开利用，进行这方面的研究人员也越来越多，技术也越来越先进，开始制定了一些有关光电源的技术要求，提出控制器，1、能为用户提供蓄电池荷电状况的指示，包括：（ a）充满指示，当蓄电池被充满，太阳电池方阵充电电流被减少或太阳电池方阵被切离时的指示；（ b）欠压指示，当蓄电池电压己经偏低，需要用户节约用电时
7、的指示；（ c）负载切离指示，当蓄电池已经欠压，应将负载切离时的 指示； 2、控制器应具有温度补偿， 3、当蓄电池电压降到过放点时，控制器应能自动切断负载； 4、控制器的最大自身耗电不得超过其额定充电电流的 1%、充电或放电通过控制器的电压降不得超过系统额定电压的 5%； 6、当蓄电池从电路中去掉时，控制器在 1 小时内必须能够承受高于太阳电池组件标称开路电压 1.25 倍的冲击； 7、太阳电池方阵功率大于20W 的系统，控制器应具有蓄电池充满断开及欠压断开装置及电路保护； 8、控制器应具有如下保护功能： （ a） 防止任何负载短路的电路保护；（ b）防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电
8、路保护；（ c）防止控制器、逆变器和其它设备内部短路的电路保护；（ d）在多雷区防止雷击引起的击穿保护；（ e）防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电的保护。 除对上述控制器的技术要求外，我国科研人员在学习国外先进技术的同时对我国的光伏电源技术进行了有益的实践和探索 1013。 在对蓄电池容量进行预测方面，（ 1）、提出了基于开路电压和环境温度的铅酸蓄电池充电状态的数学模型来预测蓄电池的荷电状态（ Soc），从而有效地保护蓄电池过放。（ 2）、还提出通过找到在不同放电电流下，蓄电池过放保护电压与容量的计算关系，来设置过放保护电 压。（ 3）、采用线性方程来代替 Peukert方程对蓄电池容量进
9、行预测，在小电流放电时得到较 Peukert 更为准确结果，且算法简单。（ 4）、采用神经网络技术对容量进行预测，（ 5）、采用模糊辨识方法技术进行预测，有更高的预测精度。 在对充电控制方面，（ 1）、提出采用寻优方式充电，使太阳电池阵列和蓄电池之间的匹配变得简单。（ 2）、采用恒压充电，充电初期充电电流较大，充电末期电流较小，就不会因充电末期电池内阻较大而使电池过热，因而对延长电池的使用寿命十分有利。（ 3）、采用均衡充电技术来实现对蓄电池的维护。（ 4）、系 统中每个蓄电池 (组 )加一个充放电控制电路，这样的好处是蓄电池充放电电流能得到控制，同时还能实现均充。（ 5）、由于充电终止电压和
10、环境温度、充电电流以及蓄电池容量得便感的关系难以用一确切的数学模型描述，提出采用模糊逻辑技术建立模型，其输入为蓄电池容量和充电电流大小，输出为充电终止电压，来对充电进行控制 1415。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 主要内容：设计一个应用于小型独立光伏发电系统的蓄电池控制电路，将蓄电池的充电过程分为恒流充电、恒压均充和恒压浮充三个阶段。 同时，根据电池温度对浮充电压进行实时补偿，避免高温过充电和低温欠充电。 基本要求： （ 1） 、采用分段式充电策略优化电池管理； （ 2） 、以单片机为控制和检测单元，实现 PWM 控制； （ 3） 、利用 IGB
11、T 作为斩波器件； 难点： （ 1）、在独立光伏电站系统中 ， 不仅关心蓄电池的充电速度 ， 而更关心如何在充电的过程中既能最大限度地利用光伏电池 ， 又能实现充电的最小损耗和蓄电池的最长寿命。 （ 2）、 温度和浮充电压的变化会给铅酸蓄电池带来严重危害。在适当的浮充状态下 ， 阀控铅酸蓄电池能够稳定工作 6 10 年。而浮充电压即使只 有 5 % 的偏差 ，也会使蓄电池的寿命减半。因此 ， 要求控制器必须根据电池温度对蓄电池的浮充电压进行实时补偿 ， 避免高温过充电和低温欠充电 ， 使蓄电池在各种温度环境下都能保持满容状态。 本题目的目标是设计一个应用于小型独立光伏发电系统的蓄电池控制电路，
12、能够实现独立光伏电站系统中蓄电池的优化管理，有效地延长其工作寿命。 4 研究工作详细进度和安排 2010.11 2011.2 充分检索资料的基础上完成课题开题报告、文献综述、外文翻译。 2011.2. 2011.3 设计控制电路的硬件电路 2011.3 2011.4 对控制电路编程，实现软件功能 2011.4 2011.5 整理毕业设计的资料，完成毕业论文的撰写 2011.5.27 2011.2.29 毕业答辩 5 参考文献 1裴郁 .我国可再生能源发展战略研究 D.辽宁 :辽宁师范大学， 2004， 5. 2秦伟李国强光伏太阳能 21世纪的能源之星 J.新经济产业， 2003:44-46.
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