太阳能光伏发电储能系统

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1、太阳能光伏发电储能系统介绍 * 离 网 系 统 结 构除 了 太 空 电 站 外 ， 其 它 光 伏 发 电 系 统 的 应 用 都 受 到 白 天 有 日 照 和 夜晚 无 日 照 的 影 响 。 而 对 于 其 负 载 无 论 白 天 和 晚 上 都 可 能 要 运 行 。 对于 这 一 类 负 载 在 整 个 系 统 中 就 要 选 用 蓄 电 池 作 为 能 源 存 贮 单 元 。 通常 的 独 立 光 伏 系 统 结 构 如 下 图 所 示 。 电 能 的 储 存 及 管 理 在 光 伏 发 电 系 统 中 很 重 要 。 目 前 ，在 光 伏 发 电 系 统 中 常 用 的 储 能

2、 装 置 是 铅 酸 蓄 电 池 ， 但它 存 在 如 循 环 寿 命 短 ， 功 率 密 度 低 ， 维 护 量 大 等 一 些难 以 克 服 的 缺 点 ， 并 且 占 整 个 发 电 系 统 的 成 本 很 高 ，而 光 伏 发 电 系 统 存 在 输 入 能 量 极 不 稳 定 ， 间 隙 性 大 等特 性 ， 会 导 致 蓄 电 池 过 早 失 效 或 容 量 损 失 ， 进 一 步 加大 了 发 电 系 统 的 成 本 ， 这 是 光 伏 发 电 系 统 亟 待 解 决 的问 题 。储 能 系 统 的 现 状 及 主 要 问 题 蓄 电 池 充 放 电 循 环 次 数 与 放 电

3、深 度 的 关 系 蓄 电 池 电 量 的 测 量蓄 电 池 的 容 量 就 是 蓄 电 池 的 蓄 电 能 力 。 通 常 以 充 足 电 后 的 蓄 电池 ， 放 电 至 其 端 电 压 到 终 止 电 压 时 ， 电 池 所 放 出 的 总 电 量 。 当蓄 电 池 以 恒 定 电 流 放 电 时 ， 它 的 容 量 (Ah)等 于 放 电 电 流 (A)与 其持 续 时 间 (h)的 乘 积 。即 ： Q=It 1.测 量 内 阻 (电 导 )法在 蓄 电 池 的 老 化 过 程 中 ， 其 内 阻 的 上 升 明 显 早 于 充 电 时 端 电 压 的 提高 ， 直 到 内 阻 上

4、升 了 60%以 上 时 ， 端 电 压 才 有 明 显 的 增 大 ， 而 端 电压 的 增 大 正 是 电 解 液 干 涸 的 表 现 ， 因 此 ， 内 阻 具 有 很 好 的 预 测 性 ，其 与 容 量 的 关 系 如 图 所 示 。蓄 电 池 内 部 温 度 对 其 性 能 有 很 大 的 影 响 ， 当 电 解 液 的 温 度 在 1035 的 范 围 内 变 化 时 ， 每 变 化 1 ， 则 其 容 量 变 化 约 0.8%。 所 以 在判 断 蓄 电 池 的 性 能 时 ， 要 考 滤 温 度 的 影 响 ， 故 温 度 测 量 不 可 少 。 2.安 时 (AH)方 法当

5、 电 池 处 于 放 电 工 作 时 ， 对 于 很 多 场 合 都 需 要 知 道 电 池 的 剩 余 容 量及 供 电 时 间 ， 根 据 电 池 的 额 定 容 量 和 放 电 电 流 的 监 测 ， 不 难 实 时 计算 出 剩 余 容 量 ， 假 定 负 载 相 对 稳 定 ， 则 换 算 出 供 电 时 间 。 一 般 情 况下 ， 电 池 制 造 厂 都 给 出 在 不 同 放 电 倍 率 下 的 电 池 容 量 。 3.电 压 法这 种 方 法 主 要 用 在 简 单 测 量 ， 它 是 通 过 测 量 开 路 电 压 和 负 载 电压 的 大 小 ， 开 路 电 压 以 及

6、负 载 电 压 的 减 少 ， 都 表 明 容 量 的 不 足。 蓄 电 池 的 开 路 电 压 与 容 量 有 密 切 的 关 系 。 这 里 指 的 开 路 电 压是 在 蓄 电 池 内 部 完 全 稳 定 时 测 量 的 电 压 。 虽 然 开 路 电 压 的 测 量是 一 种 非 在 线 的 (断 开 了 所 有 的 负 载 )且 需 要 长 的 稳 定 时 间 ， 但可 以 利 用 它 与 容 量 的 良 好 关 系 来 了 解 容 量 。 对 于 连 续 使 用 的 蓄电 池 在 初 始 使 用 时 得 到 初 始 容 量 。 光 伏 系 统 蓄 电 池 充 电 控 制 及 分 析

7、在 能 量 管 理 系 统 中 ， 蓄 电 池 的 充 放 电 控 制 技 术 直 接 影 响 到 系 统的 性 能 。 充 电 控 制 方 法 的 优 劣 ， 一 方 面 影 响 到 蓄 电 池 的 荷 电 量的 大 小 ， 另 一 方 面 关 系 到 其 使 用 寿 命 。 对 铅 酸 蓄 电 池 的 充 电 方法 有 很 多 ， 包 括 恒 流 充 电 、 恒 压 充 电 、 恒 压 限 流 充 电 、 两 阶 段充 电 、 三 阶 段 充 电 、 快 速 充 电 、 智 能 充 电 、 均 衡 充 电 等 方 法 。光 伏 系 统 由 于 考 虑 到 能 源 有 限 、 成 本 投 资

8、 有 限 及 充 电 电 源 特 殊等 特 点 ， 因 此 在 光 伏 系 统 的 充 电 控 制 有 其 特 殊 性 。 1.恒 流 充 电恒 流 充 电 就 是 以 一 定 的 电 流 进 行 充 电 ， 在 充 电 过 程 中 随 着 蓄 电 池 电 压 的 变 化 要 进行 电 流 调 整 使 之 恒 定 不 变 。 这 种 方 法 特 别 适 合 于 又 多 个 蓄 电 池 串 联 的 蓄 电 池 组 进行 充 电 ， 能 使 落 后 的 蓄 电 池 的 容 量 易 于 得 到 恢 复 ， 最 好 用 于 小 电 流 长 时 间 的 充 电模 式 。这 种 充 电 方 式 的 不 足

9、 之 处 是 ， 蓄 电 池 开 始 充 电 电 流 偏 小 ， 在 充 电 后 期 充 电 电 流 又偏 大 ， 充 电 电 压 偏 高 ， 整 个 充 电 过 程 时 间 长 ， 特 别 在 充 电 后 期 ， 析 出 气 体 多 ， 对极 板 冲 击 大 ， 能 耗 高 ， 其 充 电 效 率 不 足 65%。 由 于 析 气 较 多 ， VRLA蓄 电 池 不 宜 使用 此 法 。 2.恒 压 充 电恒 压 充 电 就 是 指 以 一 恒 定 电 压 对 蓄 电 池 进 行 充 电 。 因 此 在 充 电 初 期 由 于 蓄 电 池 电压 较 低 ， 充 电 电 流 很 大 ， 但 随

10、 着 蓄 电 池 电 压 的 渐 渐 升 高 ， 电 流 逐 渐 减 小 。 在 充 电末 期 只 有 很 小 的 电 流 通 过 ， 这 样 在 充 电 过 程 中 就 不 必 调 整 电 流 。 相 对 恒 流 充 电 来说 ， 此 法 的 充 电 电 流 自 动 减 小 ， 所 以 充 电 过 程 中 析 气 量 小 ， 充 电 时 间 短 ， 能 耗 低， 充 电 效 率 可 达 80%， 如 充 电 电 压 选 择 适 当 ， 可 在 8小 时 内 完 成 充 电 。 此 法 的 充 电特 性 曲 线 如 图 所 示 ， 此 法 也 有 其 不 足 之 处 ：1)在 充 电 初 期

11、， 如 果 蓄 电 池 放 电 深 度 过 深 ， 充 电 电 流 会 很 大 ， 不 仅 危 及 充 电 控 制器 的 安 全 ， 而 且 蓄 电 池 可 能 因 过 流 而 受 到 损 伤 ；2)如 果 蓄 电 池 电 压 过 低 ， 后 期 充 电 电 流 又 过 小 ， 充 电 时 间 过 长 ， 不 适 合 串 联 数 量多 的 电 池 组 充 电 ; 3)蓄 电 池 端 电 压 的 变 化 很 难 补 偿 ， 充 电 过 程 中 对 落 后 电 池 的 完 全 充 电 也 很 难 完 成。 3.三 段 式 充 电 恒 流 充 电 阶 段 ， 充 电 器 充 电 电 流 保 持 恒

12、定 ， 充 入 电 量 快 速 增 加 ， 电 池 电 压 上升 ； 恒 压 充 电 阶 段 ， 充 电 器 充 电 电 压 保 持 恒 定 ， 充 入 电 量 继 续 增 加 ， 电 池 电 压 缓慢 上 升 ， 充 电 电 流 下 降 ； 蓄 电 池 充 满 ， 充 电 电 流 下 降 到 低 于 浮 充 转 换 电 流 ， 充 电 器 充 电 电 压 降 低 到 浮 充 电 压 ； 浮 充 充 电 阶 段 ， 充 电 器 充 电 电 压 保 持 为 浮 充 电 压 ；效 果 ： 蓄 电 池 这 样 蓄 电 池 在 初 期 充 电 不 会 出 现 很 大 的 电 流 ， 在 后 期 也 不

13、 会 出 现 高电 压 ， 使 蓄 电 池 产 生 析 气 。 充 电 电 路 拓 扑 与 控 制 框 图 超 级 电 容 器超 级 电 容 器 又 叫 法 拉 电 容 ， 通 过 极 化 电 解 质 来 储 能 。 它 是 一种 电 化 学 元 件 ， 但 在 其 储 能 的 过 程 并 不 发 生 化 学 反 应 ， 这 种储 能 过 程 是 可 逆 的 ， 也 正 因 为 此 超 级 电 容 器 可 以 反 复 充 放 电数 十 万 次 。 超 级 电 容 器 可 以 被 视 为 悬 浮 在 电 解 质 中 的 两 个 无反 应 活 性 的 多 孔 电 极 板 ， 在 极 板 上 加 电

14、 ， 正 极 板 吸 引 电 解 质中 的 负 离 子 ， 负 极 板 吸 引 正 离 子 ， 实 际 上 形 成 两 个 容 性 存 储层 ， 被 分 离 开 的 正 离 子 在 负 极 板 附 近 ， 负 离 子 在 正 极 板 附 近。 结 构 分 类超 级 电 容 器 的 结 构 形 式 大 致 分 为 两 种 ,其 一 是 柱 状 电 容 器,即 把 基 片 卷 绕 起 来 装 进 园 形 金 属 外 壳 内 ,这 种 电 容 器 适用 于 低 电 压 大 电 流 充 放 电 的 情 况 ； 另 一 种 是 叠 层 式 的 ,即将 电 极 基 片 叠 起 来 ,组 装 在 塑 料 或

15、 金 属 壳 内 ,这 种 电 容 器用 在 高 电 压 小 电 流 充 放 电 的 情 况 下 比 较 合 适 。 超 级 电 容 器 的 优 缺 点 ：优 点在 很 小 的 体 积 下 达 到 法 拉 级 的 电 容 量 ； 无 须 特 别 的 充 电电 路 和 控 制 放 电 电 路 ； 和 电 池 相 比 过 充 、 过 放 都 不 对 其寿 命 构 成 负 面 影 响 ； 从 环 保 的 角 度 考 虑 ， 它 是 一 种 绿 色能 源 ； 超 级 电 容 器 可 焊 接 ， 因 而 不 存 在 像 电 池 接 触 不 牢固 等 问 题 ；缺 点如 果 使 用 不 当 会 造 成 电

16、 解 质 泄 漏 等 现 象 ； 和 铝 电 解 电 容器 相 比 ， 它 内 阻 较 大 ， 因 而 不 可 以 用 于 交 流 电 路 ； 与 蓄 电 池 的 比 较1.超 级 电 容 器 在 其 额 定 电 压 范 围 内 可 以 被 充 电 至 任 意 电 位 ，且 可 以 完 全 放 出 。 而 电 池 则 受 自 身 化 学 反 应 限 制 工 作 在 较 窄的 电 压 范 围 ， 如 果 过 充 过 放 可 能 造 成 永 久 性 破 坏 。2.超 级 电 容 器 的 荷 电 状 态 （ SOC） 与 电 压 构 成 简 单 的 函 数 ， 而电 池 的 荷 电 状 态 则 包

17、括 多 样 复 杂 的 换 算 。3.超 级 电 容 器 可 以 反 复 传 输 能 量 脉 冲 而 无 任 何 不 利 影 响 ， 相反 如 果 电 池 反 复 传 输 高 功 率 脉 冲 其 寿 命 会 大 打 折 扣 。4.超 级 电 容 器 可 以 快 速 充 电 而 电 池 快 速 充 电 则 会 受 到 损 害 。5.超 级 电 容 器 可 以 反 复 循 环 数 十 万 次 ， 而 电 池 寿 命 仅 几 百 个循 环 。 光 伏 系 统 使 用 超 级 电 容 的 可 行 性文 献 表 明 ， 无 论 是 将 蓄 电 池 与 超 级 电 容 直 接 连 接 还 是 通 过无 源

18、 或 有 源 方 式 相 连 接 ， 超 级 电 容 均 可 补 偿 蓄 电 池 的 输 出电 流 ， 缓 解 蓄 电 池 输 出 大 电 流 的 压 力 并 使 得 蓄 电 池 端 电 压下 降 减 少 ， 电 源 系 统 内 部 损 耗 减 少 ， 改 善 蓄 电 池 的 特 性 ，延 长 其 寿 命 。 超 级 电 容 器 蓄 电 池 混 合 储 能 方 案充 电 控 制 器 对 光 伏 阵 列 的 输 出 能 量 进 行 控 制 ,根 据 系 统 的 实 际 状 态 ,以 一 定 的 方 式 向 后 级 供 电 ,包 括 MPPT方 式 、 限 流 方 式 和 恒 压 方 式 。系 统 中 配 置 一 定 容 量 的 超 级 电 容 器 ,除 了 作 为 能 量 储 备 装 置 外 ,还 对光 伏 的 输 出 能 量 进 行 滤 波 ,优 化 蓄 电 池 的 工 作 环 境 (包 括 充 电 电 流 和放 电 电 流 )。 蓄 电 池 直 接 接 负 载 ,作 为 系 统 主 要 的 能 量 储 备 装 置 。 并联 控 制 器 是 超 级 电 容 器 向 蓄 电 池 传 递 能 量 的 控 制 环 节 ,对 其 控 制 的目 的 ,就 是 使 蓄 电 池 处 于 较 理 想 的 工 作 状 态 ,并 使 充 放 电 循 环 次 数 最 少 。 Thank you