【文章內(nèi)容簡介】 ． 電導(dǎo)增量 由光伏電池的 PV 曲線可以看出，對于光伏電池的輸出功率函數(shù)，如果 ，則此時(shí)系統(tǒng)工作最大功率點(diǎn)處；若，則系統(tǒng)工作于最大功率點(diǎn)左側(cè)；若 ，則系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)右側(cè)。對于工作最大功率點(diǎn)處的光伏電池，有，所以： （） （）電導(dǎo)增量法通過比較光伏陣列的電導(dǎo)增量與瞬間電導(dǎo)的關(guān)系判斷下一步的控制策略。和擾動(dòng)觀察法相比，該算法對電壓的調(diào)整不再像擾動(dòng)觀察法那樣具有盲目性、隨機(jī)性，而是通過每次的測量和比較，計(jì)算出最大功率點(diǎn)的輸出電壓，之后再對工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。電導(dǎo)增量法的控制流程圖如下：圖29電導(dǎo)增量法的控制流程圖 其他常用 MPPT算法 查表法：所謂查表法是指將光伏陣列所在地區(qū)的光照條件和環(huán)境溫度以及相對應(yīng)的最大功率點(diǎn)儲(chǔ)存在控制系統(tǒng)中，根據(jù)工作中檢測到的實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度進(jìn)行查表，確定該環(huán)境下最大工作點(diǎn)所對應(yīng)的輸出電壓，并以此作為參考，使系統(tǒng)工作于最大功率點(diǎn)。查表法簡單可靠，反應(yīng)速度很快，但它需要事先了解光伏陣列安裝地點(diǎn)的光照和溫度因素，通用性不強(qiáng)，且在系統(tǒng)設(shè)備老化后原表單數(shù)據(jù)會(huì)逐漸失準(zhǔn)，靈活性差。 二次插值法：二次插值法常用于一元函數(shù)在某個(gè)初始區(qū)間內(nèi)搜索極點(diǎn)的一種算法，一般用于曲線擬合。光伏陣列的PV曲線是一個(gè)非線性函數(shù)，且只有一個(gè)極點(diǎn)，即最大功率點(diǎn)。因此可以利用二次插值法搜尋到該極點(diǎn)，調(diào)整控制器從而使光伏陣列實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。 模糊控制：光伏系統(tǒng)中的許多參數(shù)是難以精確測量的，實(shí)際操作時(shí)很難建立比較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。而模糊控制是以人的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的模糊推理系統(tǒng)。把光伏陣列的系統(tǒng)輸出功率相對于電壓的變化量作為模糊邏輯的輸入量，進(jìn)行模糊化處理后利用專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，從而得到一個(gè)隸屬度，將該隸屬度進(jìn)行反模糊化處理后調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制器，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最大功率輸出。模糊控制的設(shè)計(jì)靈活，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，但是模糊推理和反模糊化的過程比較繁瑣。綜合上述方法特點(diǎn)，結(jié)合南寧的天氣不會(huì)發(fā)生光照強(qiáng)度和溫度快速劇烈變化的情況，本文設(shè)計(jì)使用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。 本章小結(jié)對太陽能光伏電池的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了分析，了解光伏電池的等效電路圖，研究和討論光伏電池的電氣特性；針對環(huán)境因素對太陽能電池特性的影響，研究光伏電池最大功率的跟蹤原理和方法。第三章 儲(chǔ)能系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì) 蓄電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池輸出功率隨太陽輻射強(qiáng)度的變化而變化。太陽輻射強(qiáng)度受氣候、晝夜和季節(jié)等因素影響較大。在白天，太陽輻射強(qiáng)度大的時(shí)候，太陽能電池輸出功率大；在陰雨天或夜間，太陽輻射強(qiáng)度很小，太陽能電池輸出功率隨之很小或者沒有功率輸出。因此，儲(chǔ)能環(huán)節(jié)對于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。目前獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能部件一般采用蓄電池。蓄電池在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中所起的作用主要有三點(diǎn)：(1)儲(chǔ)存能量，為負(fù)載提供可持續(xù)供電電源。由于白天和黑夜的交替出現(xiàn)，另外，陰雨、大霧等天氣條件的限制，太陽光的照射強(qiáng)度變化較大，同時(shí)輻射也是不連續(xù)的。所以當(dāng)白天太陽光強(qiáng)度較大時(shí)，光伏電池陣列產(chǎn)生的電能大于負(fù)載消耗的要求時(shí)，將剩余的電能儲(chǔ)存起來，當(dāng)夜晚沒有光照或者陰雨天光照較弱時(shí)使用，所以蓄電池的一個(gè)重要作用就是儲(chǔ)存能量。(2)穩(wěn)壓和鉗位作用。由于太陽光輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度時(shí)常發(fā)生變化，光伏電池的工作特性受其影響，這樣就使負(fù)載不能穩(wěn)定工作在最佳工作點(diǎn)附近，從而降低了系統(tǒng)的工作效率。如果利用蓄電池給負(fù)載供電，對太陽能電池和負(fù)載起到了隔離作用，消除了電壓變化對負(fù)載的影響，使負(fù)載穩(wěn)定在最佳工作點(diǎn)附近，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。(3)提供啟動(dòng)電流的作用。由于很多電機(jī)類設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)需要大的啟動(dòng)電流，通常是額定工作電流的51O倍，然而受到最大短路電流和太陽光輻照強(qiáng)度的限制，光伏電池陣列可能無法滿足負(fù)載對于啟動(dòng)電流的需求。這就要求蓄電池在短時(shí)間內(nèi)提供大的啟動(dòng)電流給負(fù)載。蓄電池有不同類型和大小。通常手電筒用的干電池，稱為一次電池（原電池）。還有一類可充電電池，稱為二次電池，例如：汽車起動(dòng)用的鉛酸電池，手電筒、收音機(jī)使用的鎘鎳充電電池等。目前光伏系統(tǒng)仍然大量使用。 蓄電池分為酸性蓄電池(即鉛酸蓄電池)和堿性蓄電池兩大類。其中鉛酸蓄電池主要產(chǎn)品已成系統(tǒng)，按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以把鉛酸蓄電池系列產(chǎn)品分為很多的種類。表31列出了分類標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品系列種類。表31酸蓄電池的系統(tǒng)產(chǎn)品分類分類標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品種類按用途分類起動(dòng)用、固定型防酸式、牽引用、鐵路客車用、內(nèi)燃機(jī)車用、按用途分類摩托車用、航空用、潛艇用、魚雷用坦克用、礦燈用按極板結(jié)構(gòu)分類涂膏式、管式、形成式按電解液和充電維護(hù)分類干放電態(tài)、干荷電態(tài)、帶液充電態(tài)、濕荷電態(tài)、免維護(hù)蓄電池、少維護(hù)蓄電池按電池蓋和排氣栓結(jié)構(gòu)分類開口式、排氣式、防酸隔爆式、防酸消氫式、閥控式密閉蓄電池（1）鉛蓄電池。用鉛和二氧化鉛作為負(fù)極和正極的活性物質(zhì)（即參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)），以濃度為27%～37%的硫酸水溶液作為電解液的電池，稱為鉛蓄電池（俗稱。鉛酸蓄電池。）。鉛蓄電池不僅具有化學(xué)能和電能轉(zhuǎn)換效率較高、充放電循環(huán)次數(shù)多、端電壓高，容量大（高達(dá)3000Ah）的特點(diǎn)，而且還具備防酸、防爆、消氫、耐腐蝕的性能。同時(shí)隨著工藝技術(shù)的提高，鉛蓄電池的使用壽命也在不斷提高。近年來還開發(fā)出具有免維護(hù)特點(diǎn)的密封式鉛蓄電池。密封式鉛酸電池，維護(hù)簡便，運(yùn)輸方便，但價(jià)格較貴，一般是開口鉛電池的2～3倍。密封式鉛電池在高溫的氣候條件下，容易因過充而損壞。（2）堿性蓄電池。堿性蓄電池按其極板材料，可分為鎘鎳蓄電池、鐵鎳蓄電池等。堿性蓄電池與鉛蓄電池相比具有體積小，可深放電，耐過充和過放電，以及使用壽命長，維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。堿性蓄電池的主要缺點(diǎn)是內(nèi)阻大，電動(dòng)勢較低，造價(jià)高。同低成本的鉛電池比較，鎘鎳電池初始成本比鉛電池高4～5倍，因此在光伏系統(tǒng)中較少采用。由于鉛蓄電池的性能價(jià)格比仍優(yōu)于鎘鎳電池，目前在光伏系統(tǒng)中鉛蓄電池仍在大量使用。用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池與普通蓄電池有一定的差異，與光伏電池配套使用的蓄電池充放電非常頻繁，充放電電流隨外部條件的變化而不斷變化，使得蓄電池的實(shí)際使用壽命比在常規(guī)條件下大大縮短，蓄電池的故障在整個(gè)系統(tǒng)故障中所占的比重也非常大。因此，要解決這個(gè)問題，必須根據(jù)光伏電池和負(fù)載的特性來選用與系統(tǒng)相匹配的蓄電池，以保證整個(gè)光伏系統(tǒng)具有較高的可靠性和合理的經(jīng)濟(jì)性。鑒于負(fù)載特點(diǎn)和小型戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文系統(tǒng)選用閥控式密封免維護(hù)鉛酸蓄電池(Valve Regulated Lead—Acid Battery， VRLA)作為儲(chǔ)能元件。它與傳統(tǒng)的蓄電池相比容量大、價(jià)格低廉、壽命長、免維護(hù)、自放電率低，在使用、維護(hù)和管理上有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。以下是市場上幾種鉛酸蓄電池的特性參數(shù)情況表32 AISTAR蓄電池品牌：AISTAR型號(hào)：12V38AH化學(xué)類型：鉛酸蓄電池電壓：12（V）類型：儲(chǔ)能用蓄電池荷電狀態(tài)：干放電態(tài)蓄電池電池蓋和排氣拴結(jié)構(gòu)：閥控式密閉蓄電池額定容量：38Ah外型尺寸：165*195*175（mm）產(chǎn)品認(rèn)證：CE適用范圍：太陽能蓄電池蓄電池價(jià)格：350元/個(gè)表33 風(fēng)帆蓄電池品牌：風(fēng)帆型號(hào)：6QA195AH類型：起動(dòng)型蓄電池電池蓋和排氣拴結(jié)構(gòu)：排氣式蓄電池化學(xué)類型：鉛酸蓄電池額定容量：195Ah荷電狀態(tài)：帶液充電態(tài)蓄電池電壓：12（V）蓄電池價(jià)格：1100元/個(gè)產(chǎn)品認(rèn)證：CCC表34 賽格威蓄電池品牌：賽格威類型：儲(chǔ)能用蓄電池電池蓋和排氣拴結(jié)構(gòu)：閥控式密閉蓄電池化學(xué)類型：鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)：免維護(hù)蓄電池電壓：12（V）型號(hào)：12V55AH外型尺寸：228*137*210(225)（mm）額定容量：55Ah產(chǎn)品認(rèn)證：ISO9001 CE適用范圍：安防防盜報(bào)警主機(jī)，門禁控制器，電梯控制器，ATM自動(dòng)取款機(jī)后備電池等蓄電池價(jià)格：310元/只表35 WESD蓄電池品牌：WESD荷電狀態(tài)：免維護(hù)蓄電池類型：儲(chǔ)能用蓄電池型號(hào)：WD10012電池蓋和排氣拴結(jié)構(gòu)：閥控式密閉蓄電池化學(xué)類型：鉛酸蓄電池電壓：12（V）額定容量：100Ah適用范圍：UPS蓄電池產(chǎn)品認(rèn)證：CE蓄電池價(jià)格：560元/個(gè)表36 昕能蓄電池品牌：昕能型號(hào)：12V40AH電壓：12（V）化學(xué)類型：鉛酸蓄電池類型：儲(chǔ)能用蓄電池荷電狀態(tài)：免維護(hù)蓄電池電池蓋和排氣拴結(jié)構(gòu)：閥控式密閉蓄電池外型尺寸：195*164*176（mm）額定容量：40Ah產(chǎn)品認(rèn)證：CQC蓄電池價(jià)格：370元/個(gè) SOC 估計(jì)及其容量的計(jì)算鉛酸蓄電池工作原理 鉛酸蓄電池由正、負(fù)極板(活性物質(zhì))和電解液組成。它的正極活性物質(zhì)是二氧化鉛()，負(fù)極活性物質(zhì)是海綿狀金屬鉛()，電解液是稀硫酸()。正常充放電化學(xué)方程式為：正極： （）負(fù)極： （） 總反應(yīng)： （）圖31 閥控密封式鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)當(dāng)鉛酸蓄電池在充電時(shí)，正極由轉(zhuǎn)化為肋后，電能轉(zhuǎn)化為了化學(xué)能，然后儲(chǔ)存在正極板中；而負(fù)極的硫酸鉛()轉(zhuǎn)化為海綿狀鉛()，然后電能轉(zhuǎn)化為了化學(xué)能儲(chǔ)存在負(fù)極板中，完成了蓄電池的充電。鉛酸蓄電池放電時(shí)，正極F{n氧化鉛()變成硫酸鉛()，這樣化學(xué)能就轉(zhuǎn)換成了電能；負(fù)極由海綿狀鉛()變成硫酸鉛()，同樣是將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，這樣正負(fù)極產(chǎn)生的電能向負(fù)載供電。鉛酸蓄電池在充電過程的后期，一部分水會(huì)被電解而生成氫氣和氧氣，一般的開口式鉛酸蓄電池在長期的使用過程中存在水的消耗問題，閥控式鉛酸蓄電池在充電時(shí)正極板上產(chǎn)生的氧氣，通過化合反應(yīng)在負(fù)極板上還原成水，使用時(shí)在規(guī)定浮充壽命期內(nèi)不必加水維護(hù)，所以又稱為免維護(hù)鉛酸蓄電池。特性參數(shù)、SOC 估計(jì)及其容量的計(jì)算(1)容量鉛酸蓄電池的容量，是指完全處于充滿狀態(tài)的鉛酸蓄電池，按一定的放電條件，放電到所規(guī)定的終止電壓時(shí)，能夠釋放的總電量，其單位用安時(shí)()或瓦時(shí)()表示。蓄電池容量一般以充足電后的蓄電池，放電至其端電壓到終止電壓時(shí)，電池所放出的總電量。當(dāng)鉛酸蓄電池以恒定電流放電時(shí)，其容量等于放電流與其持續(xù)放電時(shí)間的乘積 （）式中：表示容量()；表示放電電流(A)；t表示放電時(shí)間(h)。在蓄電池的使用過程中，它的容量不是一個(gè)恒定不變的數(shù)值，可分為理論容量、實(shí)際容量和額定容量。根據(jù)活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計(jì)算而得的最高值稱為理論容量。實(shí)際容量是指電池在一定條件下能輸出的電能，低于理論容量。而額定容量則是按國家或有關(guān)部門的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定的放電條件下，應(yīng)該放出的最低限度的容量值。 （）(2)荷電狀態(tài)鉛酸蓄電池某一時(shí)刻t的荷電狀態(tài)SOC指該時(shí)刻蓄電池實(shí)際容量Q(f)與額定容量Q的比值，用來反映蓄電池在放電過程中還可以繼續(xù)釋放出多少電能。其計(jì)算公式： （）(3)放電深度鉛酸蓄電池的放電深度(Depth of Discharge，DOD)是蓄電池放出容量與額定容量的比值。 （）(4)放電率蓄電池的放電率可以通過“小時(shí)率”和“電流率”兩種表示方式。小時(shí)率以規(guī)定的電流放完蓄電池額定容量所需要的時(shí)間來表示，又稱時(shí)率；電流率(倍率)是以蓄電池的額定容量與將全部容量放完所需時(shí)間的比值來表示。(5)轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率是指蓄電池能放出的全部電能與充滿電所耗的全部電量的比值，有：“安時(shí)效率”和“瓦時(shí)效率”兩種表示方法。 （）式4(6)中：—瓦時(shí)效率，—安時(shí)效率；：放電電壓，：電流平均值，：放電時(shí)間；：充電電壓，：電流平均值，：充電時(shí)間。(6)壽命蓄電池經(jīng)過長期使用，充放電次數(shù)的增加，會(huì)使其容量逐漸減小，如果蓄電池充滿電后的容量小于規(guī)定的最小容量也就是終結(jié)容量，就表示蓄電池的使用壽命己經(jīng)終結(jié)。蓄電池的壽命有兩種表示方法：浮充壽命，在規(guī)定浮充電壓和電解液溫度條件下使用的壽命，單位為“年”；循環(huán)壽命，達(dá)到其終結(jié)容量前的充放電循環(huán)使用次數(shù)，單位為“次”。 光伏系統(tǒng)對蓄電池性能要求分析1．光伏發(fā)電系統(tǒng)用蓄電池的工作條件在光伏電站使用環(huán)境中，光照條件好時(shí)（白天），太陽能電池組件接收太陽光，輸出電能，一部分直流和交流負(fù)載工作，另一部分供給蓄電池充電；光照條件不好時(shí)（夜晚或陰雨天），太陽能電池組件無法工作，蓄電池組供電，供給直流或交流負(fù)載，蓄電池是處于循環(huán)狀態(tài)，所以，在這種使用環(huán)境下，蓄電池的壽命為循環(huán)壽命。應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中的蓄電池的工作條件和蓄電池應(yīng)用在其它場合的工作條件不同。其主要區(qū)別可以概括為以下幾點(diǎn)：（1）充電率非常小， 由于成本，位置空間等問題，太陽電池投入數(shù)量會(huì)受到很大的限制，為了保證電力系統(tǒng)的正常使用，往往提供給蓄電池的充電電力變得十分有限