太阳能光伏发电系统的控制问题研究

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　　摘要：太阳能光伏发电是一种新型的发电技术，本文通过对其系统原理、发电中存在的问题以及对太阳能光伏发电系统实施控制等方面做了一些探讨。
　　关键词：太阳能光伏发电 控制 研究
　　
　　一、光伏发电系统的组成
　　太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池方阵、控制器、逆变器和蓄电池组构成。各部分的功能如下：1)太阳能电池方阵。太阳能电池直接将太阳光转换成直流电，是光伏发电系统的最基本单元。在金属支架上用导线连在一起的多个太阳能电池组合成太阳能电池方阵，由其产生所需要的电压和电流；2)控制器。控制器通过对系统输人、输出功率的调节与分配，实现对蓄电池电压的调整；3)逆变器。逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，因此当为交流负载时，需要由逆变器将直流电源变换为50 Hz的交流电流；4)蓄电池组。由于日照的不恒定性，在光伏发电系统中，蓄电池对系统产牛的电能起着存储和调节作用。它将直流电能转换为化学能存储起来，需要时再把化学能转换为电能释放出来供负载使用。
　　二、光伏系统常见的问题
　　（一）太阳电池的常见故障
　　外电极断路，内部断路，旁路二极管接反，旁路二极管短路，热斑效应，接线盒脱落，导线老化，导线短路、断路，背膜开裂，EVA与玻璃分层进水，铝边框开裂，电池玻璃破碎，电池片或电极发黄（电阻增大），电池删线断裂，太阳电池被遮挡，太阳电池安装方向不对。
　　（二）蓄电池的常见故障
　　阀控密封电池：外壳开裂，极柱断裂，螺丝断裂，失水，漏液，胀气，不可逆硫酸盐化（充不进电，放不出电），电池内部短路。气阀质量不好，自放电率高。
　　固定式铅酸电池：外壳开裂，失水率高，结冰冻裂（电液浓度低），不可逆硫酸盐化（充不进电，放不出电），电池内部短路，活性物质脱落（容量降低、造成短路）。
　　（三）控制器的常见故障
　　运输损坏，高压损坏（太阳电池开路电压），蓄电池极性反接损坏，电源（开关电源）失效，雷击损坏，工作点设置不对或漂移，空气开关或继电器触点拉弧，无触点开关的晶体管损坏（耐压），霍尔传感器损坏，温度补偿失控。
　　（四）逆变器的常见故障
　　运输损坏，极性反接损坏，内部电源（开关电源）失效，雷击损坏，功率晶体管损坏（短路、冲击性负载、过热），输入电压不正常（过压、欠压），输出保险损坏（负载短路，线路短路），输入输出接头发热。
　　三、光伏发电系统的控制要求
　　光伏发电系统的控制主要体现在对充电器和逆变器的控制上。由于光伏并网发电系统包含光伏独立系统的功能，因此以光伏并网发电系统为例分析其控制技术。
　　独立光伏系统的技术性能指标有太阳能电池额定功率、蓄电池额定容量、逆变器输出电压、频率范围及电流总谐波畸变率、太阳能光伏发电系统的总效率(包括电池组件的PV转换率、控制器的效率、蓄电池的效率、逆变器的效率)等。在光伏发电系统中，电池处于浮充放电状态。白天太阳能电池方阵给蓄电池充电，同时方阵还要给负载供电，晚上负载用电全部由蓄电池供给。因此，要求蓄电池的自放电小、深放电能力强、充电效率高、少维护或免维护、工作温度范围宽等。
　　另外，在充放电控制技术中，还应包括短路保护、击穿保护、反向放电保护等保护功能。光伏并网发电系统并网控制的关键和难点在于如何维持太阳能电池的最大功率输出，同时又能够达到低谐波失真的输出电流同步控制，因此是一项如何将功率变换器的动态性能、系统干扰、输出波形失真综合考虑的系统控制技术。在光伏并网发电系统中，必须保证使发电系统的输出电压与电网电压在频率、相位、幅值上保持一致，而且发电系统和电网间功率能够双向调节。这涉及到功率因数校正、大功率变换以及高稳定性系统等技术问题。
　　四、光伏发电系统中的控制解决方案
　　（一）最大功率点跟踪
　　光伏电池的工作受日照强度和环境温度的影响，输出功率有很大的波动，因此光伏电池本身是一种波动范围很大的电源。光伏方阵最大功率点跟踪的原理是：通过检测光伏方阵在不同工作点下的输出功率，经过比较寻优，找到光伏方阵在确定日照和温度条件下输出最大功率时对应的工作电压。
　　（二）光伏发电系统的储能及其充放电控制
　　控制器要完成光伏电池最大输出功率的跟踪，使其一直处于最大功率输出，有效地防止蓄电池过充电和深度放电，并使蓄电池使用达到最佳状态。
　　充电控制模块性能取决于其电压外环检测的精确度。一般的在线式电压检测方法主要是在充电过程中不断地对蓄电池的端电压进行检测。当蓄电池的端电压大于某个限定值时，就视为已充满，停止太阳电池向蓄电池充电。由于蓄电池的工作机理，充电时的蓄电池端电压可达限定值，但停止充电后，则端电压下降，实际上并未充足。因而，这种方法无法完全满足蓄电池的充电特性，造成在提高蓄电池充电器的整体效能以及蓄电池寿命方面的瓶颈。采用一种新的离线式检测，使一个太阳电池对多个蓄电池模块轮换进行充电，每个蓄电池的端压在充电电路断开后都有足够的时间恢复正常，使测得电压值能更加准确地反映蓄电池容量。
　　在原有电路的基础上加上放电自锁功能，增加下限自锁电路等。增加放电自锁功能，禁止蓄电池对负载进行小电流放电，避免蓄电池深度放电，从而保护蓄电池。自锁电路的原理是：利用集成运算放大电路的电压深度正反馈特性，当下限电压比较电路有信号送入下限自锁电路后，电压深度正反馈将集成运算放大电路输出端电位锁定不变，使放电开关保持关闭状态，即保持切断负载状态。当蓄电池充满电后，触发集成运算放大电路输入端，使其退出电压深度正反馈，从而改变集成运算放大电路输出端电位，放电开关被重新打开，负载得到供电。
　　在光伏系统中，太阳电池的输出、蓄电池的负载及蓄电池的自放电均为不确定量，因此也可采用模糊控制方法。
　　参考文献：
　　【1】崔岩，蔡炳煌 太阳能光伏系统MPPT控制算法的对比研究-太阳能学报 2006(06)
　　【2】孙超，陈有素 模糊控制在光伏系统充电控制中的应用-太阳能学报 2007(05)

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