6-光伏系统之储能电池及充放电控制器.docx

书目1绪论21.1 探讨背景212探讨意义32.各种储傕技术在光伏系统中的应用42.1 储能单元的概念42.2 飞轮储能技术4飞轮储能原理5飞轮储能优势6飞轮储能局限性62.3 抽水储能技术6抽水储能原理6抽水储能优势7抽水储能局限性72.4 压缩空气储能技术7压缩空气技术原理7压缩空气技术优势7压缩空气技术用限性72.5 超侬电容器储能技术8结构和工作原理9超级电容器的简化等效电路模型11超级电容器的充电特性12优点13缺点14留意事项1426锂电池15期电池工作原理16电池特点16电池映点17电池特征182.6 胶体铅酸荒电池19工作原理19胶体蓄电池优异特性202.7 充放电限制器222.7.1限制器充放电原理23光伏充电限制器25光伏放电限制器292.8 带电池的荷电状态（StateOfCharge,SOO29荷电状态的概念292.8.2SOC估算方法简介301绪论.探讨背景为r缓解和改善如今过度依奉化石燃料的局面，世界各国都在节约能源消耗、提高能源效率、改善能源结构，并寻求化石燃料以外的替代能源，其中包括太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等可再生能源。这些可再生能源在自然界中可以不断再生，因此它们的储存量巨大，且分布广泛，适合用于开发利用，目前已成为电力系统中探讨的热点问题之一。然而，可再生能源也有一些缺点：1）输出的能量具有不稳定性。例如，太阳能会随着白天、夜晚、天气以及季节的变更而变更，风力具有季节性和随机性，海洋能也存在着周期性的变更，风力具有季节性和随机性，海洋能也存在着周期性的变更。这些能源用于发电时输出的功率具有明显的波动性和间歇性。2）接入电网具有不行靠性。例如，风力发电系统在夜间常处于良好的发电运行状态，但经常因为电网负荷的昼峰夜谷问题被迫从电网脱离，造成资源的严峻奢侈。3）相比常规能源发电，可再生能源发电的装机容量小，负荷调控手段简洁，易受冲击性负荷的影响等。于是，分布式发电系统中储能系统的探讨问题就日益凸显。随着分布式发电技术的发展，大规模储能技术联峰好用化己经成为制约可再生能源广泛应用的关键技术和重要前提。对于可再生能源发电方式，系统的优化输配电显得特别重要，可以显著提高电网的牢靠性、稳定性以及清洁性。例如，用西部地区的风力发电和太阳能发电解决东部地区的工业用电需求等。这种分布式可再生能源发电的资源互补技术与大规模储存电能技术相结合，使得分布式电源不再单纯给特定地区供电，具有可调度性，将是将来智能电网的核心技术之一。1.2探讨意义光伏发电具有间接性、波动性，为了保证对负荷的稳定、连续供电，就必需在其发电系统中安装储能单元。储能系统在光伏发电系统中的功能特点主要体现在以下两个方面：1）平衡发电量和用电量一个地区的全部负荷总量往往是不断变更的，而分布式电源的输出功率也是间歇性的，两者之间是一个动态变更关系，当系统发电量大于系统总负荷时.，过剩的发电电量可以通过并网送回到公共电网供其他地区运用，也可以通过储能单元将其存储起来；当系统发电电量小于系统总负荷时.，不足的能量可以从公共电网中汲取，也可以从储能单元中吸取。通过储能单元的汲取和释放能量，就可以是实现光伏系统中发电量与负荷用电量之间的需求关系，维持系统供电的稳定性。2）充当备用或应急电源2.各种储能技术在光伏系统中的应用2.1 储能单元的概念电力系统引入储能单元后，可以有效地消退昼夜峰谷差，可以提高系统的稳定运行、补偿负载波动，还可以降低分布式供电成本。由于储能系统的重要性以及适用范围的增加，储能技术的发展快速，储能方式也越来越多样化，一般地，储能方式主要有以卜几种：D物理储能方式：包括飞轮储能、抽水储能等；2）电化学储能方式：即蓄电池储能方式，包括铅酸蓄电池、银镉蓄电池、银氢蓄电池、锂离干电池等；3）电磁储能方式：包括超导线圈储能、高能量电容储能等。2.2飞轮储能技术E轮储能技术是一种机械储能方式。早在20世纪70年头就有人提出利用高速旋转的飞轮来储存能量，并应用于电动汽车的构想。由于飞轮材料和轴承问题等关键技术始终没有解诀而停滞不前，20世纪90年头以来，由于高强度的碳纤维材料、低损耗磁悬浮轴承、电力电子学三方面技术的发展，匕轮储能器才得以重提，并且得到了快速的发展。电力也子1一e电能出飞轮储能原理一电力电子MlAtt入他飞是佳能京窿名图1飞轮储能原理图图1是飞轮储能的原理图，外部输入的电能通过电力电子装置驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮将电能储存为机械能，当外部负载须要能量时，匕轮带动发电机旋转，将动能变换为电能，并通过电力电子装置对输出电能进行频率、电压的变换，满意负载的需求。实际的匕轮储能系统（EESS）基本结构由以下5个部分组成:“承、真空客耳电机1）飞轮转子-，-一般采纳高强度复合纤维材料组成。2）轴承，用来支承高速旋转的飞轮转子。3）电动/发电机，般采纳电流永磁无刷电动/发电互逆式双向电机。4）电力转换器，这是将输入沟通电转化为直流电供应电机，将输出电能进行调频、整流后供应负载的部件。5）真空室，为了减小损耗，同时防止高速旋转的K轮发生事故,飞轮系统必需放置于高真空密封爱护套筒内。另外在飞轮储能装置中还必需加入监测系统，监测飞轮的位置、振动和转速、真空度、电机参数等运行参数。飞轮储能优势技术成熟度高、高功率密度、长寿命、充放电次数无限以及无污染等特性。飞轮储能局限性飞轮储能须要电能的持续输入，以维持转r的转速恒定。一旦断电，飞轮储能通常只能维持一两分钟。这就是说，飞轮储能的优势不在于时间的长短，而在于充放的快捷。2.2 抽水储能技术抽水储能原理抽水储能是在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库，将电能转化成重力势能储存起来，在电网负荷高峰期释放上池水库中的水发电。抽水储能优势抽水储能目前技术成熟，容量大，是一种牢靠的储能方式。抽水储能局限性受地理位置影响较大，工期H大，效率不高，且影响生态环境，须要牢靠平安系统保证。2.3 压缩空气储能技术压缩空气技术原理压缩空气技术在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩的空气推动汽轮机发电。压缩空气技术优势压缩空气储能电站建设投资和发电成本均低于抽水储能电站，储气库漏气开裂可能性微小，平安系数高，寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快，效率高，主要用于峰谷电能回收调整、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用。压缩空气技术局限性其能量密度低，并受岩层等地理条件的限制，须要占用大面积土地，且工程费用较高。2.4 超级电容器储能技术超级电容电池它通过极化电解质来储能，属于双层电容的一种。由于其储能的过程并不发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，正因为此超级电容器可以反夏充放电数十万次。超级电容一般运用活性碳电极材料，具有吸附面积大，静电储存多的特点，在新能源汽车中有广泛运用。超级电容器电池是一种新型储能装置，它具有充电时间短、运用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器用途广泛。用作起重装置的电力平衡电源，可供应超大电流的电力：用作车辆启动电源，启动效率和牢靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池：用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车；用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺当启动（尤其是在寒冷的冬季）、作为激光武器的脉冲能源。此外还可用于其他机电设备的储能能源。双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻状况下干脆充电，假如出现过电压充电的状况，双电层电容器将会开路而不致损坏器件，这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电层电容器与可充电电池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达10E6次以上，因此双电层电容不但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型特别元器件。结构和工作原理其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，双电层电容器是依据电化学基本原理而工作,即导体与电解质(液体与固体)接触后会在其表面(即界面)产生移定而符号相反的双层电荷,称为双电层,这些电解质表面的电荷在肯定的电压下是不能被双电层电荷所产生的电场拉到紧嵬它且符号相反的电极上,因此,形成了事实上电容器的两个电极传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分别,两块极板之间为真空或一层介电物质(相对介电常数为£)所隔离,电容为：C=U4)(3.6)1O6()其中A为极板面积,d为介质厚度。所储存的能量为：E=C(V)22其中C为电容值QV为极板间的电压降.可见,若想获得较大的电容量，储存更多的能量,必需增大面积A或削减介质厚度d,但这个伸缩空间有限，导致它的储电量和储能量较小。超级电容采纳活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界而上,从而形成两个集电层,相当于两个电容器串联,由于活性碳材料具有21200m2g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积A）,而且电解液与多孔电极间的界而距离不到Inm（即获得了微小的介质厚度d）,依据前面的计算公式可以看出,这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上，从而使单位重量的电容量可达100Fg,并且电容的内阻还能保持在很低的水平，碳材料还具有成本低，技术成熟等优点。从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能，且在实际运用时，可以通过串联或者并联以提高输出电压或电流。电极,超级电容器的简化等效电路模型简化电阻电容模型将超级电容器等效为一个志向电容器C与一个阻值较大的电阻Rep（等效并联电阻）相并联,再与一个阻值较小的电阻Res（等效串联电阻）相串联的结构,如图所示。由电路原理知道,由于ReS的存在,充放电时电流流经Reg会产生能耗并引起超级电容器发热,因此,超级电容器的能效小于1;在放电过程中,由于Res的分压作用而削减了放电电压范围,尤其当放电电流较大时,Res会消耗较大的能氧降低超级电容器实际可用的有效储能率;超级电容器处于静置储能状态时,等效并联电阻Rep与等效志向电容器C之间会形成回路,随着静止时间变长,超级电容器所存储的能量会渐渐消耗在等效并联电阻Rep上,因此,处于储能保持态的超级电容器,通常要加能量保持电路,补偿由于Rep引起的静置能量损耗,维持肯定的备用储能量。在实际应用中,超级电容器通常并于较快的和常见的充放电循环过程中,Rep的影响可以忽视。因此,可进一步将超级电容器模型简化为志向电容器C和等效串联内阻Res的串联结构。Re.超级电容器在运用过程中老化现象不明显,同时超级电容器对充电储能没有记忆效应,理论上可以充放电多数次。此外,超级电容器储存的电荷及储能量可以通过检测电压值的方式来近似确定,推断充电储能过程是否结束特别便利。基于以上这些特点,超级电容器充电限制既可以借鉴蓄电池等电化学储能器件的充电储能方式,同时乂由于其具有优越的大物理电容特性,对大脉动电流具有较好的汲取实力,能够简化充电限制要求,目前常用的超级电容器充电储能方式介绍如下:恒流充电恒流充电的主要特点是适应性好,可以随意选择充电电流。对超级电容器进行恒流充电,超级电容器的端电压随时间按宜线规律上升。由于超级电容器的充电电流选择范围较大,因此可结合不同应用需求以及超级电容器自身状态进行优化限制。(2)浮充充电浮充充电属于一种连续的、长时间的恒电压充电方法。关于超级电容器的浮充充电,浮充电压的选择是很重要的。浮充电过程中,超级电容器的浮充电压不能太低,否则不能补偿超级电容端的漏电流损耗,仍旧会造成超级电容器的储能量流失;也不能过高,否则会过多地增加能量损耗,或者因严峻过充电缩短超级电容的运用寿命。因此,在超级电容器的浮充充电储能过程中要留意对电压的监测。(3)脉冲充电超级电容器具有可以瞬时大功率充放电特性,能够平滑高峰脉冲功率,因此,超级电容器具有良好的脉冲充电特性。目前,在很多电动车储能系统中,超级电容器与蓄电池协作构成的混合储能单元就是利用超级电容器瞬时大功率特性扩大混合储能单元的尖峰功率范围,既保证了电动车对于加速和制动瞬时功率的需求,又削减了瞬时大功率对蓄电池的冲击,延长了蓄电池的运用寿命。（4）组合充电为了充分利用超级电容器的储能特性,同蓄电池充电一样,目前对于超级电容器采纳敏捷的组合充电方式,例如在低压时采纳大电流恒流充电,随着超级电容器端电压的上升变更为递减恒流充电或恒压限流等充电方式,宜至超级电容器的最高额定电压。蓄电池的一些充电限制方法,如恒功率充电方式、电压负增量限制方式、电压二次导数限制等方式在超级电容器的充电储能限制中也可以借鉴。超级电容器进行充电时产生的能量损耗主要是由等效内阻引起的,系统的充电效率也与其有关。优点（1）充电速度快，只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95%以上：而现在运用面积最大的铅酸电池充电通常须要几个小时。（2）循环运用寿命长，深度充放电循环运用次数可达50万次，假如对超级电容每天充放电20次，连续运用可达68年假如相应地和铅酸电池比较，它的运用寿命可达68年，且没有"记忆效应”。（3）大电流放电实力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率290%；（4）功率密度高，可达3OOWkg5OOOWkg,相当于一般电池的数十倍；比能量大大提高，铅酸电池一般只能达到002kWhkg,而超级电容电池目前研发已可达10KWhkg.（5）能量管理简洁精确:超级电容器储存的能量与端电压有确定的vv=lc2关系,即2,因而对荷电状态（SoQ推断精确且简洁,只需检测端电压就可以确定所储存的能量,使系统的能量管理简便易行。（6）产品原材料构成、生产、运用、储存以及拆解过程均没有污染，是志向的绿色环保电源；缺点假如运用不当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比,它内阻较大,因而不行以用于沟通电路；留意事项1）超级电容器具有固定的极性。在运用前，应确认极性。2）超级电容器应在标称电压下运用。当电容器电压超过标称电压时，将会导致电解液分解，同时电容器会发热，容量下降，而且内阻增加，寿命缩短，在某些状况下，可导致电容器性能崩渍。3）超级电容器不行应用于高频率充放电的电路中，高频率的快速充放电会导致电容器内部发热，容量衰减，内阻增加，在某些状况下会导致电容器性能崩溃。4）安装超级电容器后，不行强行倾斜或扭动电容器，这样会导致电容器引线松动，导致性能劣化。5）在焊接过程中避开使电容器过热。若在焊接中使电容器出现过热现象，会降低电容器的运用寿命，例如：假如运用厚度为l6mm的印刷线路板，焊接过程应为260C,时间不超过5s。6）将电容器串联运用时。当超级电容器进行串联运用时，存在单体间的电压均衡问题，单纯的串联会导致某个或几个单体电容器过压,从而损坏这些电容器，整体性能受到影响。另外，超级电容器在变配电站直流系统中、税控机、税控收款机上、摇摆式手电筒上（免换电池，只要摇摆30秒钟，即可发光5分钟；照耀距离1公尺）、智能表类（如智能水表和煤气表）上、计算机UPS电源方面亦多有应用。2.5锂电池锂电池是一类由锂金屈或锂合金为负极材料、运用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于宏大的独创家爱迪生，运用以下反应：1.i+MnO2=1.iMnO2该反应为氧化还原反应，放电。由于锂金屈的化学特性特别活泼，使得锂金属的加工、保存、运用，对环境要求特别高。所以，锂电池长期没有得到应用。现在锂电池已经成为了主流。锂电池工作原理锂离子电池：锂离子电池一般是运用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、运用非水电解质的电池。正极正极材料：可选的正极材料很多，主流产品多采纳锂铁磷酸盐。正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。充电时：1.iFePO41.iI-XFePO4+x1.i+xe-放电时:1.iIFePQt+x1.i'+Xe1.iFePOa负极负极材料：多采纳石墨。新的探讨发觉钛酸盐可能是更好的材料。负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。充电时：X1.i'+xe+6C>1.iC6放电时：1.i,Cf,>x1.+xe+6C电池特点锂电池主要优点:1 .能量比较高。具有高储存能量密度，已达到460-600Whkg,是铅酸电池的约6-7倍：2 .运用寿命长，运用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池IC（100%DOD）充放电,有可以运用10,000次的记录;3 .额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V）,约等于3只银镉或银氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组：4 .具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-3OC充放电的实力，便于高强度的启动加速；5 .自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，一般可做到1%/月以下，不到锲氢电池的1/20；6 .雨量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5；7 .凹凸温适应性强，可以在-201-60的环境下运用，经过工艺上的处理，可以在-45C环境下运用；8 .绿色环保，不论生产、运用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。9 .生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，特别有利。比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Whkg或Wh/1.来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是克（重量单位），1.是升（体积单位）。电池缺点1 .锂原电池均存在平安性差，行发生爆炸的危急。2 .钻酸锂的锂离子电池不能大电流放电，价格昂贵，平安性较差。3 .锂离子电池均需爱护线路，防止电池被过充过放电。4 .生产要求条件高，成本高。5 .运用条件有限制，凹凸温运用危急大。电池特征1 .高能量密度锂离子电池的重量是相同容量的银镉或银氢电池的一半，体积是银镉的20-30%,像氢的35-50%o2 .高电压一个锂离子电池单体的工作电压为37V（平均值），相当于三个串联的银镉或银氢电池。3 .无污染锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。4 .不含金属锂锂离子电池不含金属锂，因而不受匕机运输关于禁止在客机携带锂电池等规定的限制。5 .循环寿命高在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可超过500次，磷酸亚铁锂（以下称磷铁）则可以达到2000次。6 .无记忆效应记忆效应是指银镉电池在充放电循环过程中，电池的容量削减的现象。锂离子电池不存在这种效应。7 .快速充电运用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器，可以使锂离子电池在个小时内就充溢电：而新开发的磷铁锂电，已经可以在35分钟内充溢电。2.6 胶体铅酸蓄电池胶体铅酸蓄电池是对液态电解质的一般铅酸蓄电池的改进，用胶体电解液代换了硫酸电解液，在平安性、蓄电量、放电性能和运用寿命等方面较一般电池有所改善。胶体铅酸蓄电池采纳凝胶状电解质,内部无游离液体存在，在同等体积下电解质容量大，热容量大，热消散实力强，能避开一般蓄电池易产生热失控现象；电解质浓度低，对极板的腐蚀作用弱；浓度匀称，不存在电解液分层现象。2.6.1 工作原理胶体蓄电池的电化学反应时如下：PbOz+Pb+IH2SO1。IPbSOi+IHzO放电反应：负极(+)：P*+HSO；TPbSOCFT+及一正极(一)：ph°+3*+HSoA+2ePbSO4+2/,0总反应：Pb+PbO,+2H2SO42PbSOl+IHiO充电反应:负极（一）：PbSQ+HWP%>+HSO;正极（+）"SCA+2H/；PbOi+3T+HSO；+2e总反应：Mbs。、+2HiOPb+PhO2+2H2SO4胶体电解液的主要成份为一种粒在近乎于纳米级的功能化合物，流变性较好，简洁实施对铅蓄电池的配液灌装。胶体电解液进入蓄电池内部或充电若干小时后，会渐渐发生胶凝，使液态电解质转态为胶状物，胶体中添加有多种表面活性剂，有助于灌装蓄电池前抗胶凝,而且有助于灌装蓄电池后防止极板硫酸盐化，减小对板栅的腐蚀，提高极板活性物质的反应利用率。2.6.2 胶体蓄电池优异特性独特的胶体蓄电池生产工艺设计，提高了产品的抗凹凸温性能。在蓄电池的电解液中增加粒径近似纳米级的硅胶化合物，待充电若干小时后会发生凝胶现象，原液态电解质将转变为胶状态电解质，使胶体电解质蓄电池具备了一般铅酸电解质蓄电池所不能比拟的优良抗温特性，胶体蓄电池可在-45!37O3凹凸温环境中运用性能好，容量高。每一节电池在出厂时的容量都比额定容量有肯定比例的富余，保证电池容量足够。胶体电池的胶体电解液会随着不断地充放电，渐渐完成电解液凝胶过程，对极板产生良好的爱护，运用1-2年后，极板经过充分活化放电性能及放电容量会越来越佳，正常状况下放电实力可达到新电池的2105%。运用寿命长。在铅酸电解液中添加肯定数量的硅胶，有效地防止了电解液分层，使极板活化反应匀称，延长了极板的活化反应循环次数，提高了电池的运用寿命。自放电小。胶体蓄电池自放电微小,在25P时平均自放电1.3%季度，新出厂的胶体蓄电池足够电后，温度在25C时，连续存放12个月不需充电可投入运用，提高了蓄电池的存放实力。电力容量夏原实力强。新出厂的胶体蓄电池足够电后，温度在25C时，连续存放24个月,恒压充电24小时，静滞12小时后，在正常状况下容量可复原到N95%°充放电性能稳定、运用环境广泛。胶体蓄电池放电性能稳定，接受充电实力强，电解液凝胶且可以多方位放置。凝胶的电解液可有效的防止酸液泄露，无故障率高，适用范围广泛，可担当重要场合的特别供电要求，为用户供应平安牢靠的放电环境。留意爱护环境。胶体蓄电池多为密封阀控式免维护结构，电解液凝胶无泄漏，充放电无酸雾无污染，平安环保。显著优势：可以明显延长蓄电池的运用寿命。依据有关文献，可以延长蓄电池寿命2-3倍。胶体铅酸蓄电池的自放电性能得到明显改善，在同样的硫酸纯度和水质状况下，蓄电池的存放时间可以延长2倍以上。胶体铅酸蓄电池在严峻缺电的状况下，抗硫化性能很明显o胶体铅酸蓄电池在严峻放电状况下的熨原实力强。胶体铅酸蓄电池后期放电性能得到明显改善。2.7 充放电限制器限制器是有效限制太阳能发出的电向蓄电池充电，蓄电池向负载放电,使蓄电池在平安工作电压、电流范围内工作的装置。它的限制性能干脆影响蓄电池运用寿命和系统效率。限制器走光伏发电系统的核心部件之一，也是平衡系统的主要组成部分。在小型光伏系统中，限制器也称为充放电限制器，防止蓄电池过充电和过放电。大中型光伏发电系统中：平衡管理光伏系统能量,爱护蓄电池及整个光伏系统，显示系统工作状态。充放电限制器主要功能：1）高压（HVD）断开和复朦功能2）欠电压（1.VG）告警和复原功能3）低压（1.VD）断开和复原功能4）温度补偿功能爱护功能：1）蓄电池反接爱护2）太阳能板反接爱护3）蓄电池过放爱护4）蓄电池过充爱护于蓄电池升温过快带来平安的隐患：对于放电来说，早期不带限制器的光伏系统须要通过手动的通断开关来给负载供电，好用性大大降低。所以，在光伏电池与蓄电池充电回路之间加入蓄电池光伏充放电限制器是特别必要的。下图所示是一个最基本的充放电限制器原理图。在该电路原理图中，由太阳电池组件、蓄电池、限制器电路和负载组成了一个基本的光伏应用系统。开关Kl,K2分别为充电开关和放电开关，它们均属于限制器电路的一部分。Kl,K2的开合由限制电路依据系统充放电状态来确定：当蓄电池充溢时断开充电开关KI,否则闭合；当蓄电池过放时断开放电开关K2,否则闭合。开关Kl,K2：是广义上的开关，它包括各种开关元件，如各种电子开关、机械式开关等。图25基本充放电控制器原理图基本充放电限制器较早期充放电电路而言实现了防止蓄电池过充和过放，负载放电自动限制和爱护，回路压降低等要求，性能上有了较大的提高。但是它仍IH没有解决限制蓄电池充电电压、电流与蓄电池实时需求的匹配问题，不能真正有效的爱护蓄电池。为了克服早期充放电电路与基本充放电限制器的跳点，弥补其不足，现在得到普遍认可的技术是借助电力电子器件构成的电力变换电路将光伏电池发出的电能进行电力变换，将光伏电池发出的不稔定的电压，电流转换为适合供蓄电池充电运用需求的电压，电流。基于DC/DC变换电路的光伏充放电限制器结构如图所示。图2-6基于DCZDC变换的光伏充放电控制器结构直流负载一基于DC/DC变换电路的光伏充放电限制器的工作过程为:光伏电池输出的能量送入DC/DC变换电路，电路限制电路依据对蓄电池充电的设计需求限制DC/DC变换输出肯定的电压或电流,对蓄电池充电.以上限制电路的实现方式可借助单片机监控整个系统运行状态，结合内部程序的限制算法，通过软硬件协作完成，从而爱护了蓄电池，实现对光伏电池电能的优化限制输出o2.7.2光伏充电限制器在独立光伏发电系统中，充电限制器的基本作用是为蓄也池供应最佳的充电电流和电压，快速，平稳，高效地为蓄电池进行充电，同时爱护蓄电池，避开过充电现象的发生，并在充电过程中削减损耗,尽量延长蓄电池的运用寿命。下面介绍几种常见的充电限制器。1 .并联型光伏充电器这是目前小型光伏发电系统中用得最为普遍、也最为经济的充电器。其原理是检测限制电路随时对蓄电池电压进行检测，一般采纳施密特回差电路，当电压高于“充溢切断电压”时，使Tl导通，同时二极管Dl截止，则太阳电池方阵的输出电流干脆通过TI短路泄放,不再对蓄电池进行充电，从而保证蓄电池不会出现过充电，起到“过充电爱护”。当电压回落到某一数值时，T2断开，及原充电。放电限制和充电限制类似，当电压低于过放电压时，T2断开,切断负载，进行过放电爱护，而当电压回升到某一数值时，T2再次接通，复原放电。负载测制路检控电关件开器T阳电方年太能池口2 .串联型光伏充电器此原理是在光伏阵列与蓄电池之间串联一个充电开关管。串联型充放电限制器和并联型充放电限制器电路结构相像，唯一区分在于开关器件Tl的接法不同,并联型Tl并联在太阳电池方阵输出端，而串联型Tl是串联在充电回路中。当充电电压超过蓄电池设定的充电电压高限值时，Tl断开，此时蓄电池停止充电，起到“过充电爱护作用”，其它元件的作用和串联型充放电限制器相同，不再赘述。太阳电义DiV开关器件T1“3 .模拟芯片构成的充电限制器光伏发电系统中，除了单片机和DSP为核心芯片的蓄电池充电限制器以外，还有-些集成电路公司生产的蓄电池充电限制专用芯片业可用于光伏发电系统中铅酸蓄电池充电的智能限制。4 .多路依次充电限制器蓄电池的充电过程事实上是内部化学物质的电解反应过程。若始终以大电流充电，当电压达到给定值后假如马上停止充电，由于电池内部电解液犷散作用的延时，电池电压会不程定，而使电池电压有所下降，即电池未充溢。假如接着以大电流充电，则会损伤电池。多路依次充电限制器采纳多路光伏阵列充电电路给蓄电池充电。它依据蓄电池的充电状态，实行分级电流充电。即在充电初期用较大电流充电，充电到肯定时间后，改用较小电流，至充电后期改用更小电流。在充电初期，全部充电支路开通，此时以大电流对蓄电池进行快速充电。随着蓄电池容量的增加，依次关闭充电支路，以渐渐减小充电电流，当关闭最终一个充电支路时，蓄电池就能充溢了。这种充电限制器体积小功能强，运行牢靠。而且该充电方法效率较高，所需时间较矩，充电效果也较好。2.7.3光伏放电限制器光伏发电系统的特点，确定了其所用的蓄电池每天都处于较深程度的发电循环状态，即每昼夜放电深度30%5Q,故检测和限制以避开蓄电池过度放电特别重要。目前大多数光伏放电限制器是通过检测蓄电池的放电电压，使蓄电池在放电电压达到截止电压以前停止放电。对于蓄电池来说，不同的放电曲线对应不同的放电截止电压，当蓄电池工作于不同的放电状态时，放电截止电压也不同。这种方法虽然精度较低，且系统须要预设相当多的放电状态一放电截止电压对应值，但是测量简洁，较易于实现。检测系电池的充放电安时量，从而推断蓄电池剩余容量以避开过放，也是较常用的一种限制方法。虽然精确统计蓄电池充电输入和放电输出多少安时电量是简洁的，但是蓄电池存在充电效率和放电效率的问题，须要有算法来加以修正。2.8蓄电池的荷电状态(StateofCharge,SOC)荷电状态的概念蓄电池的荷电状态是用来反映蓄电池的剩余容量，常用蓄电池工作肯定时间后的剩余容量与其额定容量的比值来衡量，即为：SOC=?=1乡CNCN其中，CN为蓄电池的额定容量，单位为A.h：CR为蓄电池的剩余容量，单位为A.h；Cd为蓄电池已经释出容量，单位为Ah由上式得CN=C&+Cr可见，当蓄电池处于完全充电状态时，其荷电状态约为1;当蓄电池放电容量为额定容量时，其荷电状态约为0。2.8.2SOC估算方法简介SOC估算方法可归结为电量累积法、电阻测量法和电压测量法3种基本类型。详细包括电量累积法、开路电压法、阻抗法等。1）电量累积法通过累积电池在充电或放电时的电量来估计电池的SOC,并依据电池的温度、放电率对SoC进行补偿。SoC=SoCf）-式中，SOCO为初始SoC,G为电池额定容量；I为充放电电流，充电时取负，放电时取正；为充放电效率。优点：简洁，在短时间能够精确估算SOJ缺点：开环预料，存在无法确定初始SOC和累计误差越来越大的问题。2）开路电压法通过试验方法描述在不同放电电流状况卜的电池的端电压与电池的剩余能量的关系曲线，并存储特征关系曲线。实时采样电池放电时的端电压，态表求出电池的剩余能量，同时考虑电池的运用寿命以及内阻对电池SOC的影响，对求得的电池剩余能量进行校正。优点：简洁易行。缺点：但是须要电池长时间静置，不能满意在线检测的要求。3)阻抗法荷电状态(SoC)影响电池的沟通阻抗，因此有学者提出可以用阻抗值来估计S0C。用不同频率的沟通电激励电池，测量电池内部沟通电阻，并通过建立的计算模型得到SoC估计值。优点：反映了电池在某特定恒流放电条件下的SoC值。缺点：依据此SOC推断电池能接着放出的电量，还必需考虑后阶段放电率的实际状况。此外，由于电池SOC与电阻参数之间关系困难,用传统的数学方法很难建模，还有很多因素都可以变更内阻，比如温度，充放电电流，SoH等。当SOC>40%时，阻抗变更很小。