独立光伏系统中蓄电池管理的研究

【摘要】： 在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，光伏利用成为世界各国争相发展的热点。因而光伏并网发电与独立光伏系统得到迅速地发展，特别是能为偏远用户提供电力的独立光伏系统成为国家投资的重点。 本论文以使用最为普遍及优选的阀控铅酸蓄电池(VRLA)的独立光伏系统为研究对象，为提高系统的性价比，从蓄电池的充电、放电、容量预测及维护等方面进行深入探讨和研究。主要研究如下： 1．综述国内外独立光伏系统发展现状。 2．分析了蓄电池充、放电过程中电化学反应机理，研制了一套蓄电池充、放电容量测试系统。 3．对各种铅酸蓄电池充电方式进行了分析，对其在光伏系统的应用的可行性加以阐述，同时对光伏系统中的充电控制技术(包括阵列的最大功率点跟踪技术)进行了研讨。 4．详细分析了蓄电池容量影响的因素，对各种蓄电池容量预测方法(模型)进行探讨。 5．提出在独立光伏系统中采用“马斯定律”可接受充电电流和太阳能光伏阵列最大功率跟踪相结合的方法，对系统中VRLA蓄电池进行高效充电管理，并采用模糊递阶控制技术来实现去极化控制，实现系统能量最大利用。采用此技术有效地降低了多模糊输入变量规则过多的问题，并且控制效果不降低。 6．提出了阵列MPPT控制简单的测试方法，并对此方法进行了验证。 7．提出了在独立光伏系统中采用开路电压预测和基于蓄电池“健康状态”的模糊预测相结合的容量预测方法，使容量预测速度和精度比传统的预测方法都得到提高，为充电管理提供可靠的充电依据。 8．结合独立光伏系统中蓄电池工作特点，提出了对蓄电池组的充、放电管理的有效方法：①采用分小组方法实现蓄电池小组进行均充、均放和快速充电；②在光伏发电充足时对落后蓄电池进行容量恢复维护；③给出在当前环境与负载条件下，蓄电池组所能持续工作的时间；④同时适当时候采用维护充电，以延长电池寿命。 9．设计出用于阵列MPPT的DC／DC电路和具有蓄电池分组充、放电电路。 10．设计出基于一片MSP430F147单片机为核心集阵列MPPT控制、蓄电池容量预测及充、放电控制器于一体的独立光伏系统能量管理系统。 11．给出了对阵列MPPT控制、蓄电池容量预测及充、放电控制等功能及控制策略的实现程序设计。 最后给出了实验结果及分析，证明系统的控制方法与策略具有一定的先进性。 【关键词】：独立光伏系统 VRLA蓄电池 充电 放电 模糊控制 单片机 MPPT 剩余容量 内阻 荷电状态
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要7-8
• ABSTRACT8-10
• 致谢10-11
• 目录11-15
• 插图清单15-19
• 表格清单19-20
• 符号清单20-22
• 第一章 绪言22-31
• 1.1 光伏发电系统发展22-23
• 1.2 独立光伏系统蓄电池管理的研究23-27
• 1.2.1 研究内容23-25
• 1.2.2 国内外研究现状25-27
• 1.3 本文所做的研究工作27-31
• 第二章 独立光伏系统的基本特性31-51
• 2.1 光伏阵列特性31-33
• 2.1.1 光伏阵列的Ⅰ-Ⅴ方程31
• 2.1.2 光伏阵列Ⅰ-Ⅴ特性曲线31-33
• 2.2 独立光伏系统的能流模型33-34
• 2.3 VRLA蓄电池的化学特性34-36
• 2.3.1 基本化学特性34-35
• 2.3.2 VRLA蓄电池内部再结合理论35-36
• 2.4 蓄电池的电特性及相互关系36-42
• 2.4.1 蓄电池内阻36-37
• 2.4.2 蓄电池的端电压37-41
• 2.4.3 容量、荷电状态及放电深度41-42
• 2.5 影响蓄电池输出容量的因素42-45
• 2.5.1 可恢复性影响因素42-44
• 2.5.2 不可恢复性影响因素44-45
• 2.6 蓄电池的寿命及其影响因素45-48
• 2.6.1 放电深度(DOD)对寿命的影响46
• 2.6.2 过充电程度的影响46
• 2.6.3 温度的影响46-47
• 2.6.4 充、放电电流的影响47
• 2.6.5 电压的影响47-48
• 2.7 光伏系统蓄电池特殊性48-51
• 2.7.1 易形成酸分层48
• 2.7.2 易形成大的结晶48
• 2.7.3 高的充电电压设置引起失效48-49
• 2.7.4 常工作在低荷电状态49-51
• 第三章 蓄电池剩余容量预测技术及容量测试装置51-70
• 3.1 利用物理模型判别容量51-59
• 3.1.1 测量内阻(电导)法51-53
• 3.1.2 安时(AH)方法53-54
• 3.1.3 电压法54
• 3.1.4 组合方法54-55
• 3.1.5 建立蓄电池模型55-59
• 3.1.6 其它方法59
• 3.2 系统辨识与参数估计建模法59-60
• 3.2.1 神经网络预测60
• 3.2.2 利用模糊理论60
• 3.2.3 模糊神经预测60
• 3.3 本文所采用的蓄电池容量测量装置60-62
• 3.3.1 系统组成61
• 3.3.2 软件的实现61-62
• 3.4 内阻与“健康状态”以及容量之间关系的测试实验62-70
• 3.4.1 影响蓄电池内阻的因素及与其健康状态的关系62-64
• 3.4.2 测试实验64-70
• 第四章 光伏系统蓄电池充电控制及分析70-83
• 4.1 一般铅酸蓄电池充电控制方法及在光伏系统应用分析70-74
• 4.1.1 恒流充电70
• 4.1.2 恒压充电70-71
• 4.1.3 恒压限流充电71
• 4.1.4 两阶段、三阶段充电71-72
• 4.1.5 快速充电72
• 4.1.6 智能充电72-74
• 4.1.7 均衡充电74
• 4.2 光伏系统中充电控制技术74-79
• 4.2.1 太阳能光伏阵列直接连接充电74
• 4.2.2 蓄电池恒压充电74-75
• 4.2.3 太阳能光伏阵列恒电压跟踪(CVT)充电75-76
• 4.2.4 太阳能阵列最大功率点跟踪充电76-78
• 4.2.5 均衡充电78
• 4.2.6 变终止电压充电78-79
• 4.2.7 其它方式79
• 4.3 独立光伏系统充电策略的提出79-83
• 4.3.1 充分利用阵列能量提高蓄电池的荷电水平79-80
• 4.3.2 在蓄电池常欠充时，分组蓄电池循环充电80
• 4.3.3 维护充放电80-83
• 第五章 系统剩余容量智能预测技术研究83-100
• 5.1 放电状态下蓄电池荷电状态与剩余容量的再定义83-84
• 5.1.1 荷电状态83-84
• 5.1.2 剩余容量84
• 5.2 采用预测开路电压的方法来预测蓄电池的SOC84-88
• 5.2.1 开路电压预测模型85-87
• 5.2.2 在光伏系统中的实现87-88
• 5.3 安时累计及温度补偿88-89
• 5.3.1 安时累计88
• 5.3.2 温度补偿88-89
• 5.4 不同放电电流下影响容量输出的处理89-92
• 5.4.1 利用Peukert方程89-91
• 5.4.2 分段线性插值处理91-92
• 5.5 蓄电池“健康”状况与容量关系的模糊预测92-97
• 5.5.1 模糊预测方法92-93
• 5.5.2 蓄电池荷电能力的模糊预测的实现93-97
• 5.5.3 内阻温度校正97
• 5.6 蓄电池工作时间的预测97-100
• 第六章 蓄电池充-放电管理的研究100-122
• 6.1 光伏阵列MPPT的实现方法100-104
• 6.1.1 扰动法实现MPPT原理100-102
• 6.1.2 MPPT控制试验102-104
• 6.2 对蓄电池实行分组管理104-108
• 6.2.1 分组原则及系统结构104
• 6.2.2 小组控制电路选择104-108
• 6.3 过充电压的温度补偿108-109
• 6.4 恒压限流控制109-110
• 6.5 高效快速充电控制110-117
• 6.5.1 提高蓄电池可接受充电电流110-112
• 6.5.2 蓄电池的极化112-113
• 6.5.3 极化的评判及去极化分析113-115
• 6.5.4 去极化脉宽的递阶模糊控制方法115-117
• 6.6 维护充电控制117-118
• 6.6.1 浮充117
• 6.6.2 适时适当的过充117-118
• 6.7 放电管理118-122
• 6.7.1 蓄电池的分组放电控制118
• 6.7.2 放电电压的控制118
• 6.7.3 放电电流的控制118
• 6.7.4 放电深度的控制118-122
• 第七章 蓄电池管理系统的硬件实现122-131
• 7.1 MSP430F147单片机及外围电路122-124
• 7.1.1 MSP430F147性能122
• 7.1.2 外围电路122-124
• 7.2 蓄电池的容量预测124-126
• 7.2.1 测量电路124-125
• 7.2.2 显示及参数设置125-126
• 7.3 充放电管理的实现126-128
• 7.3.1 充、放电主电路126-127
• 7.3.2 充、放电控制电路127-128
• 7.4 光伏阵列MPPT电路128-131
• 第八章 蓄电池管理的软件实现131-141
• 8.1 主程序131
• 8.2 容量预测模块程序131-134
• 8.2.1 开路电压预测131-132
• 8.2.2 安时累积容量计算132
• 8.2.3 动态剩余容量(或SOCD)求取132-134
• 8.3 最大功率点跟踪程序设计134-135
• 8.4 充电控制程序设计135-139
• 8.4.1 限流恒压充电135-136
• 8.4.2 高效充电136-138
• 8.4.3 维护充电138-139
• 8.5 放电管理程序139-141
• 第九章 实验结果分析141-143
• 9.1 阵列MPPT控制输出141
• 9.2 容量预测结果分析141-142
• 9.3 高效充电实验结果及分析142-143
• 第十章 总结与展望143-145
• 10.1 全文总结143
• 10.2 工作中不足143-144
• 10.3 展望144-145
• 攻读博士学位期间发表的论文145

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