太阳能供电系统的多目标优化设计方法研究刘志刚

太阳能供电系统的多目标优化设计方法研究刘志刚

刘志刚

国网巴林左旗供电公司内蒙古赤峰市林东镇025450

摘要：随着我国经济的不断地发展，人们的生活水平逐渐的提高，现代化建设越来越完善。因此，蓄电池和太阳电池板技术也在不断发展，蓄电池充放电次数及其安全性、太阳电池板发电效率等不断提高，太阳能供电系统广泛应用于在线监测系统、通信系统等野外负载，特别是输电方面的在线监测系统。如何设计经济且供电可靠的电源阵列却没有形成统一的方法，考虑两次最长连续阴雨最短间隔数，当两次最长连续阴雨间隔数较小时，由于蓄电池没有及时补充电能，无法保证第二次最长连续阴雨天时可靠供电；本文针对现有太阳能供电系统设计的不足，结合前人设计优点，综合考虑两次最长连续阴雨天数及其最短间隔天数、蓄电池充电效率、阵列经济性及供电可靠性等参数，根据提出的阵列综合系数选取最优阵列方案，可有效提高蓄电池和太阳电池板阵列综合性能。

关键词：太阳能供电系统；多目标；优化设计方法；研究

引言

随着经济的发展、社会的进步，常规能源面临着枯竭的危险。寻找和利用可再生能源成了人类当前面临的迫切课题。许多类型的可再生能源，例如太阳能、风能、水能、潮汐能均已达到可大规模利用的程度。其中，太阳能以其独特的优势，比如：储能的无限性、存在的广泛性还有可用的清洁性，必然会被更多的人重视和使用。在电力电子系统中，我们利用逆变器将太阳能的能量转化，为我们普通用户的交流负载所使用。本文首先对太阳能供电系统的工作原理及其组成进行了分析，然后对太阳能供电系统设计方案分别从硬件设计和软件设计两个方面进行阐述。

1太阳能供电系统的工作原理及其组成

太阳能供电系统指的是通过太阳能电池所具有的光伏效应，直接把太阳能的光辐射能量转变为电能的系统，太阳能电池板、控制器、逆变器和蓄电池等共同组成了一套常用的太阳能发电系统。（1）太阳能电池板：太阳能电池板的作用是直接把太阳光辐射能转换成电能，既能够为其他部件提供负载能量，也可以在蓄电池里将电能存储起来。（2）控制器：控制器可以给蓄电池提供适宜的充电电压和电流，可以给蓄电池充电，具有安全快速的特点，在减少充电过程中功耗的同时，还可以制止过度充电和过度放电现象的发生。（3）逆变器：逆变器的主要作用就是将直流电转变成交流电，具体是指通过逆变过程把蓄电池提供的或太阳能电池板所带的低压直流电转变成供给交流负载使用的交流电，倘若满足电网对交流电的要求，则可以将其并入到电网中。（4）蓄电池：蓄电池的功能是转换太阳能电池板中的电能为化学能，并存储起来供负载使用。为了避免阴雨天气以及夜间情况下太阳能光辐射能较小使得负载无法发挥作用的局面，可以在太阳光充足时将电能储存在蓄电池中，这样蓄电池也可以作为电源来提供给负载使用。

2太阳能供电系统的多目标优化设计方法

2.1设计实例

以上海地区某在线监测系统的太阳能供电系统为例，负载功率为20W，负载电压为12V，要求在最长连续阴雨天为15天且两次最长连续阴雨天间隔数为10天的条件下负载能够24小时不间断正常工作。系统蓄电池选用免维护铅酸蓄电池，蓄电池温度补偿系数取1.0，太阳电池板选用单晶硅太阳电池板，上海地区日辐射量HT约为12760kJ/m2，太阳电池板倾斜角修正系数KOP取0.99，蓄电池单体容量可在20～260Ah范围内选择，太阳电池板单体功率可在10～150W范围内选择，NBV在30内选择，NSV在20内选择，经Matlab计算可得，蓄电池阵列最小容量为960Ah，蓄电池串联数取1，太阳电池板串联数取1。蓄电池阵列实际容量不小于蓄电池阵列最小容量，满足蓄电池阵列容量要求，且蓄电池单体容量随蓄电池并联数增加趋向减小；随太阳电池板并联数增加，所需太阳电池板单体功率和最小额定电流逐渐减小，且太阳电池板实际额定电流都大于最小额定电流，满足太阳电池板阵列功率要求。阵列总价或综合系数都是折线形状，有多个局部极小值和局部极大值，这是由于并联数只能取整数，且蓄电池容量和太阳电池板功率为间隔值非连续值。若蓄电池容量或太阳电池板功率为某一固定值，随着并联数的增加，方案的多余资源将逐渐增加，导致成本增高并最终形成阵列成本局部极大值，为降低阵列成本，在满足负载要求下，将采用更小容量蓄电池或更小功率太阳电池板设计阵列，此时阵列总价将会下降形成局部极小值，因此随并联数的增加总价以折线形式变化，通过比较阵列总价局部极小值找出全局最小值，即可确定阵列最经济设计方案。当蓄电池并联数为9时，蓄电池阵列总价最低；当蓄电池并联数为4时，蓄电池阵列综合系数最小，因此最优蓄电池阵列设计方案为：采用串联数为1、并联数为4且容量为240Ah的免维护蓄电池组成蓄电池阵列。当太阳电池板并联数为8时，太阳电池板阵列总价和综合系数都最小，因此最优太阳电池板阵列设计方案为：采用串联数为1、并联数为8且功率为120W的单晶硅太阳电池板组成太阳电池板阵列。

2.2硬件电路设计

脉宽调制方式是指由单片机输出固定时钟频率的PWM脉冲波，通过改变其占空比调节开关的通断，从而实现对输出电压的调整。实际也就是以一直流电压经过以一定频率打开与闭合开关的控制来改变加在蓄电池上的电压，通过这种充、停结合的方式工作。使充电电流更加吻合铅酸蓄电池的最佳充电电流曲线。采用这种充、停接合的方式可以减少蓄电池内部因产生气体导致的内压增加，并扩散充电期间所产生热量，产生更低的温升，提高充电效率，延长使用寿命［1－2］。为了提高铅酸蓄电池的充电效率，延长使用寿命，充电过程采用三个阶段比较合适：即全充充电阶段、恒压充电阶段以及浮充充电阶段。本系统主要依据采样蓄电池的充电电压值Ubat、充电电流值Ibat来判断蓄电池充电阶段，单片机依照判断的结果来改变电路的充、放电状态，保证系统正常运行。本系统通过检测如下的电压、电流参数，为充电过程的切换提供依据，保证充电过程的正常进行。

2.3充电电流检测

电流的检测方法较多，考虑到本系统的隔离要求和应用场合，采用芯片级霍尔电流传感器ACS712－30A实现，相对其它检测电路而言，该电路具有以下特点：无需检测电阻，内置毫欧级路径内阻。单电源供电，原边无需供电。us级响应速度。该器件内置有精确的低偏置的线性霍尔传感器电路，能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压，噪声低，响应快，灵敏度高。ACS712采用小型的SOIC8封装，采用单电源5V供电。引脚1和2、3和4均内置有保险，为待测电流的两个输入端，当检测直流电流时，1和2、3和4分别为被测电流的输入端和输出端。7脚为电压输出端，根据ACS712－30A的输入输出特性曲线，电压输出Vout和被检测的电流IP间的关系为：Vout=（2/30）Ip+2．5［5］。结合本系统的被测电流的大小可知，当输入在0到30A时，输出信号在2．5到4．5之间以灵敏度约为66mV/A的规律线性变化。因而，其输出信号可以直接连PIC单片机I/O口送入ADC。16F1947单片机内部集成了10位ADC，参考电压采用电源5V。一个LSB便是4．8mV，相对于霍尔传感器66mV/A的灵敏度而言，便是73mA的电流变化.完全满足本系统对电流的检测的要求。

结语

在本文的太阳能供电系统中，电池在工作的过程中有一个瓶颈：由于电池处于最大功率时，电流不是最大的，怎样以低成本来使太阳能电池工作功率是最大的时候来提高蓄电池的充电电流，并且提升蓄电池接受电量的效率，进一步减少成本的之处。这是未来需要改进和努力的方向。如果能将该系统大范围应用于城市道路路灯、园林景观灯等场合，那么该系统强大的市场竞争力是毋庸置疑的。

参考文献：

[1]胡杰，吴新义，张志超等.基于太阳能LED照明控制系统的处理器设计[J].现代电子技术，2016，329（18）：200-204.

[2]韩群勇.太阳能家用照明系统控制器的设计[D]福建：福建农业大学，2015.