VRLA蓄電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的設(shè)計方案

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光電效應(yīng)原理將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，通常由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等組成。其中，蓄電池組在光伏發(fā)電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，特別是在夜晚或陰雨天，太陽能電池組件無法工作時，蓄電池組能夠供電給負載工作。VRLA（閥控式密封鉛酸蓄電池）蓄電池因其免維護、少維護的性能以及良好的充放電特性，成為光伏發(fā)電系統(tǒng)中廣泛使用的儲能裝置。以下是關(guān)于VRLA蓄電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的詳細設(shè)計方案，包括主控芯片型號及其在設(shè)計中的作用。

一、光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

1. 太陽能電池組件：將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，供給負載工作或給蓄電池組充電。

2. 控制器：對蓄電池組的充放電進行保護和管理。

3. 蓄電池組：用于存儲電能，在太陽能電池組件無法工作時提供電能。

4. 逆變器：將直流電變換為交流電，供家用電器等設(shè)備使用。

二、VRLA蓄電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的作用

VRLA蓄電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1. 存儲多余能量：在白天太陽能電池組件產(chǎn)生的電能多余時，蓄電池能夠存儲這些能量，以供夜晚或陰雨天使用。

2. 提供能量：在夜晚或陰雨天，太陽能電池組件無法工作時，蓄電池組能夠供電給負載工作。

3. 鉗位作用：由于太陽能電池組件的工作特性受太陽輻照度、溫度等影響很大，負載常常不能處在最理想工作點附近。蓄電池對太陽能電池的工作電壓具有鉗位作用，能夠保證負載處在最理想工作點附近。

三、VRLA蓄電池的設(shè)計要求

光伏發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池有特定的要求，主要包括：

1. 具有深循環(huán)放電性能，充放電循環(huán)壽命長。

2. 耐過充電能力強。

3. 過放電后容量恢復(fù)能力強。

4. 良好的充電接受能力。

5. 電池在靜態(tài)環(huán)境中使用時，電解液不易分層。

6. 具有免維護或少維護的性能。

7. 應(yīng)具備良好的高、低溫充放電特性。

8. 能適應(yīng)高海拔地區(qū)的使用環(huán)境。

9. 蓄電池組中各蓄電池一致性良好。

四、VRLA蓄電池的充放電特性

光伏發(fā)電系統(tǒng)用VRLA蓄電池的充放電特性一般有以下幾點：

1. 白天充電，晚上以及陰、雨天放電。

2. 充電倍率低，平均充電電流一般為0.01～0.02C，很少達到0.1～0.2C。

3. 放電電流小，放電倍率通常為0.004～0.05C。

4. 一次充電時間較短，即使長的時候僅為約10小時。

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)很少能完全、快速地給蓄電池充滿電，蓄電池往往會處于欠充電狀態(tài)。此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)多建立在邊遠偏僻的山區(qū)、高原、戈壁，自然環(huán)境十分惡劣，工作環(huán)境溫度變化范圍很大，因此，在設(shè)計時需要特別注意這些因素對蓄電池性能的影響。

五、VRLA蓄電池的容量計算

確定蓄電池容量時，需要測定接入系統(tǒng)的負載每天需要多少電量，以及根據(jù)氣候條件蓄電池需要存儲多少天的電量。蓄電池容量的一般計算公式為：

C=E·t/(D·η0·η1)

其中，C為蓄電池的容量；E為負載日平均功耗；t為最長無日照用電時數(shù)；D為VRLA蓄電池允許放電深度；η0為VRLA蓄電池充放電效率；η1為逆變器轉(zhuǎn)換效率。

在確定蓄電池容量時，并不是容量越大越好，過大的電池容量規(guī)模也會產(chǎn)生問題。因為在日照不足時，蓄電池組可能維持在部分充電狀態(tài)，這種欠充電狀態(tài)將導(dǎo)致電池硫酸化增加、容量降低、壽命縮短。

六、VRLA蓄電池的性能改進

針對光伏發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池性能的特殊要求，以及影響蓄電池壽命的因素，可以在原VRLA蓄電池的基礎(chǔ)上進行一系列性能改進，包括：

1. 提高循環(huán)使用壽命：為延長VRLA電池的循環(huán)使用壽命，板柵合金在板柵與活性物質(zhì)界面形成的腐蝕層導(dǎo)電性應(yīng)良好，板柵應(yīng)具有抗蠕變性能。電池設(shè)計采用緊裝配，并適當提高裝配壓力。

2. 提高電池充電接受能力：對VRLA電池來說，充電不足對電池的危害比過充電更嚴重，所以提高VRLA電池的充電接受能力尤其重要?？梢栽谪摌O鉛膏配方中加入高穩(wěn)定性的膨脹劑和導(dǎo)電性添加劑，以提高充電接受能力。

3. 提高過放電性能：降低硫酸電解液的比重，并添加特殊的電液添加劑，可以降低對極板的腐蝕，減少電液分層的產(chǎn)生，提高電池的充電接受能力和過放電性能。

4. 采用專用安全閥：對于高原地區(qū)，由于大氣壓較低，特別調(diào)整了安全閥壓力值。

七、主控芯片型號及其在設(shè)計中的作用

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，主控芯片起著至關(guān)重要的作用，它負責控制整個系統(tǒng)的運行，包括蓄電池的充放電管理、太陽能電池組件的功率跟蹤、逆變器的控制等。以下是一些常用的主控芯片型號及其在設(shè)計中的作用：

1. TMS320F2808

• 作用：TMS320F2808是一款高性能的數(shù)字信號處理器（DSP），適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的各種控制任務(wù)。它具有豐富的外設(shè)資源，包括高速ADC、PWM控制器、串行通信接口等，可以實現(xiàn)對太陽能電池組件、蓄電池組、逆變器等設(shè)備的精確控制。

• 應(yīng)用：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，TMS320F2808可以用于實現(xiàn)優(yōu)化的三段式充電法，對蓄電池的SOC進行準確估算，提高蓄電池的充電效率。同時，它還可以用于實現(xiàn)最大功率點跟蹤（MPPT）算法，提高太陽能電池組件的發(fā)電效率。

2. STM32F4系列

• 作用：STM32F4系列是一款高性能的微控制器（MCU），適用于各種復(fù)雜的控制任務(wù)。它具有高速的CPU、豐富的外設(shè)資源以及強大的處理能力，可以實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)中各個組件的精確控制。

• 應(yīng)用：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，STM32F4系列可以用于實現(xiàn)蓄電池的充放電管理、太陽能電池組件的功率跟蹤、逆變器的控制等功能。同時，它還可以用于實現(xiàn)系統(tǒng)的故障診斷和保護功能，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

3. PIC系列

• 作用：PIC系列是一款低功耗、高性能的微控制器，適用于各種嵌入式控制系統(tǒng)。它具有簡單的指令集、豐富的外設(shè)資源以及靈活的配置選項，可以實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)中各個組件的精確控制。

• 應(yīng)用：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，PIC系列可以用于實現(xiàn)蓄電池的充放電管理、太陽能電池組件的功率跟蹤等功能。同時，它還可以用于實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計，延長系統(tǒng)的使用壽命。

4. DSPIC系列

• 作用：DSPIC系列是一款結(jié)合了DSP和MCU優(yōu)點的數(shù)字信號控制器，適用于各種復(fù)雜的控制任務(wù)。它具有高速的DSP核心、豐富的外設(shè)資源以及強大的控制能力，可以實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)中各個組件的精確控制。

• 應(yīng)用：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DSPIC系列可以用于實現(xiàn)蓄電池的充放電管理、太陽能電池組件的功率跟蹤、逆變器的控制等功能。同時，它還可以用于實現(xiàn)系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理和算法實現(xiàn)，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

八、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計中，需要設(shè)計DC/DC轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路、采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和端電壓均衡電路等。這些電路的設(shè)計需要考慮到系統(tǒng)的功率需求、控制精度、穩(wěn)定性等因素。

1. DC/DC轉(zhuǎn)換電路：用于將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為蓄電池組所需的充電電壓，以及將蓄電池組提供的直流電轉(zhuǎn)換為逆變器所需的直流電壓。

2. 驅(qū)動電路：用于驅(qū)動逆變器等功率器件，實現(xiàn)對交流電的輸出控制。

3. 采樣電路：用于采集太陽能電池組件、蓄電池組、逆變器等設(shè)備的電壓、電流等參數(shù)，為控制芯片提供反饋信號。

4. A/D轉(zhuǎn)換電路：將采樣電路采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供控制芯片進行處理。

5. 端電壓均衡電路：用于實現(xiàn)蓄電池組中各個蓄電池之間的電壓均衡，提高蓄電池組的整體性能和壽命。

九、系統(tǒng)軟件設(shè)計

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，需要設(shè)計控制算法、通信協(xié)議、故障診斷等模塊。這些模塊的設(shè)計需要考慮到系統(tǒng)的控制精度、實時性、可靠性等因素。

1. 控制算法：包括蓄電池的充放電管理算法、太陽能電池組件的功率跟蹤算法、逆變器的控制算法等。這些算法的實現(xiàn)需要考慮到系統(tǒng)的動態(tài)特性和靜態(tài)特性，以及對各種擾動因素的魯棒性。

2. 通信協(xié)議：用于實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部各個組件之間的通信和數(shù)據(jù)交換。通信協(xié)議的設(shè)計需要考慮到數(shù)據(jù)的可靠性、實時性和安全性等因素。

3. 故障診斷：用于實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部各個組件的故障診斷和保護。故障診斷的設(shè)計需要考慮到各種可能的故障模式和故障原因，以及相應(yīng)的處理措施。

十、系統(tǒng)測試與優(yōu)化

在完成光伏發(fā)電系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計后，需要進行系統(tǒng)測試與優(yōu)化。測試內(nèi)容包括系統(tǒng)的功能測試、性能測試、可靠性測試等。優(yōu)化內(nèi)容包括對控制算法的優(yōu)化、對硬件電路的優(yōu)化等。

1. 功能測試：驗證系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求的功能需求。包括蓄電池的充放電管理功能、太陽能電池組件的功率跟蹤功能、逆變器的控制功能等。

2. 性能測試：測試系統(tǒng)的各項性能指標是否滿足設(shè)計要求。包括系統(tǒng)的發(fā)電效率、蓄電池的充放電效率、逆變器的轉(zhuǎn)換效率等。這些測試需要在不同的光照條件、負載情況和溫度環(huán)境下進行，以確保系統(tǒng)在各種工況下都能穩(wěn)定運行。

3. 可靠性測試：評估系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。包括系統(tǒng)的故障率、恢復(fù)時間、長期運行穩(wěn)定性等。這些測試可以通過模擬各種故障情況、長時間連續(xù)運行等方式進行。

十一、優(yōu)化措施

在完成系統(tǒng)測試后，可能需要對系統(tǒng)進行一些優(yōu)化措施，以提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。以下是一些可能的優(yōu)化措施：

1. 控制算法優(yōu)化：根據(jù)測試結(jié)果，對控制算法進行調(diào)整和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。例如，可以對蓄電池的SOC估算算法進行改進，以提高估算的準確性；可以對太陽能電池組件的MPPT算法進行優(yōu)化，以提高發(fā)電效率。

2. 硬件電路優(yōu)化：根據(jù)測試結(jié)果，對硬件電路進行調(diào)整和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。例如，可以優(yōu)化DC/DC轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，以提高轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性；可以優(yōu)化驅(qū)動電路的設(shè)計，以提高逆變器的控制精度和響應(yīng)速度。

3. 軟件優(yōu)化：對系統(tǒng)的軟件進行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的實時性和可靠性。例如，可以優(yōu)化通信協(xié)議的設(shè)計，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性；可以對故障診斷模塊進行優(yōu)化，以提高故障檢測的準確性和處理速度。

4. 系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整：根據(jù)測試結(jié)果和實際需求，對系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)整。例如，可以調(diào)整蓄電池的充放電參數(shù)，以延長蓄電池的使用壽命；可以調(diào)整逆變器的輸出參數(shù)，以滿足負載的功率需求。

十二、結(jié)論

VRLA蓄電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。通過合理的系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化措施，可以提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，延長蓄電池的使用壽命，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效益。

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，需要充分考慮太陽能電池組件、蓄電池組、逆變器等設(shè)備的特性和需求，選擇合適的主控芯片和外圍電路，設(shè)計合理的控制算法和通信協(xié)議。同時，還需要對系統(tǒng)進行全面的測試和優(yōu)化，以確保系統(tǒng)在各種工況下都能穩(wěn)定運行。

此外，隨著科技的不斷發(fā)展，新的技術(shù)和材料不斷涌現(xiàn)，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供了更多的可能性。因此，在未來的工作中，需要不斷關(guān)注新技術(shù)和新材料的發(fā)展動態(tài)，將其應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化中，以提高系統(tǒng)的性能和效益。