第４２卷第２期２００８年２月
电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２００８
多
电池组太阳能光伏电源系统的设计与应用
吴
波，盛戈皞，曾
奕，江秀臣
（上海交通大学，上海２００２４０）
摘要：研究设计了一种太阳能光伏电源系统，并成功应用于户外电力设备在线监测系统中。根据设备功耗需要和安
装地点的气候情况，确定了光伏阵列和蓄电池的容量；研究了不同光照和温度条件下，光伏阵列的最大功率点跟踪简称ＭＰＰＴ）算法，使光伏阵列始终工作在最大功率输出状态，保证了蓄电池的充电（ＭａｘｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ，
效率；研究设计了多电池组协调控制与充－放电优化管理策略，有效延长了蓄电池的使用寿命。设计开发的太阳能光伏电源系统在架空输电线路状态监测系统中得到了成功应用。现场运行结果表明，该系统运行高效、稳定，完全满足工程应用需求。
关键词：光电池；充电；在线测量／光伏电源；最大功率点跟踪中图分类号：ＴＭ９１４
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０２－００４５－０３
ＡｎｏｖｅｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｏｌａｒＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＳｙｓｔｅｍ
ｗｉｔｈＭｕｌｔｉ－ｂａｔｔｅｒｙ
ＷＵＢｏ，ＳＨＥＮＧＧｅ－ｈａｏ，ＺＥＮＧＹｉ，ＪＩＡＮＧＸｉｕ－ｃｈｅｎ
（ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）
ＰＶ）ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｍｕｌｔｉ－ｂｕｔｔｅｒｙｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏＡｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｏｌａｒｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ（
ｏｕｔｄｏｏｒｏｎ－ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙｏｆＰＶａｒｒａｙａｎｄｂａｔｔｅｒｙｗａｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｎｅｅｄｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｄｅｖｉｃｅｓａｎｄｔｈｅｗｅａｔｈｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｈｅｄｅｖｉｃｅｓｗａｓｐｌａｃｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅ
ＭＰＰＴ）ｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ（
ｏｕｔｐｕｔｏｆＰＶａｒｒａｙａｎｄｔｈｅｃｈａｒｇｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｇｒｏｕｐｉｎｇａｎｄｔｈｅｃｈａｒｇｅａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔｒａｔｅｇｙｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｘｔｅｎｄｅｄｔｈｅｌｉｆｅｏｆｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋ．ＴｈｅｓｏｌａｒＰＶｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｉｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｏｖｅｒｈｅａｄｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ．ＯｐｅｒａｔｉｏｎａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｉｓＰＶｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｈａｓｔｈｅｈｉｇｈｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄ
ａｎｄａｂｓｏｌｕｔｅｌｙｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｐｒｏｊｅｃｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｃｅｌｌ；ｃｈａｒｇｅ；ｏｎｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ／ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ
１引言
电力系统中的很多电力设备安装在户外，有些
甚至在高压线路上。对这些电力设备进行在线监测的装置不可避免地要安装在户外，因此如何方便地给在线监测装置供电是亟待解决的问题。
太阳能是一种绿色可再生新能源，而光伏发电是当前利用太阳能的主要方式［１］。研究并设计了太阳能光伏电源系统，以解决在线监测装置的供电问题。系统由太阳能电池、蓄电池，以及基于单片机的充－放电控制电路构成。针对如何确定光伏阵列和蓄电池容量，提高太阳能电池工作效率以及尽可能地延长蓄电池寿命等问题［２］，根据设备功耗需要和安装地点的气候情况，确定了光伏阵列和蓄电池容量；采用多个蓄电池进行分组管理，以提高电池容量和改善充－放电性能，提出了采用最大功率点跟踪（算法保持ＭＰＰＴ）太阳能功率输出最大的控制策略；并将蓄电池分组进
定稿日期：２００７－１１－０５作者简介：吴
波（１９８４－），男，江西瑞金人，硕士研究生，研究方向为在线监测设备的电源及监测
。
行充－放电管理，以保证蓄电池有一个最佳的充－放电
特性。管理策略结合相应的硬件控制电路，实现了太阳能光伏电源系统的优化控制，在提高系统效率的同时，有效延长了蓄电池的工作年限。
２太阳能光伏电源系统的组成
图１示出电源系统的结构示意图。系统不同工作状态的控制转换和相应的管理策略由基于单片机的充－放电控制电路实现。
图１系统结构图
控制信号为太阳能电池输出电压。在白天光照条件下，控制电路检测到太阳能电池有正常输出，则开启充电电路，关闭放电电路，太阳能电池给装置供电同时也给蓄电池充电；天黑后，太阳能电池停止工作，此时控制电路检测到太阳能电池无输出，则关闭充电电路，开启放电电路，由蓄电池给装置供电。
３蓄电池及光伏阵列容量的确定
４５
第４２卷第２期２００８年２月
电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２００８
选择很重要。设计中除了要考虑太阳能电池方阵所处的环境条件，如现场的地理位置、太阳辐射能、气候、气象、地形和地物等，设计的太阳能电池方阵及蓄电池电源系统既要讲究经济效益，又要保证系统的高可靠性能，最好是使蓄电池容量与太阳能电池板匹配。对于特定地点的太阳辐射能量数据，则应以气象台提供的资料为依据。根据文献［３］提供的计算方法，所提出的电源系统使用的蓄电池容量为
・光伏阵列的输出功率为３０Ｗ。２４Ａｈ，
４最大功率点跟踪策略
尽可能提高太阳能的输出功率一直是学术界的研究热点。太阳能输出特性为非线性，而且受光照强度和环境温度影响很大。太阳能电池在任何时刻都存在一个随光照强度和温度变化而变化的最大功率输出点。为了让太阳能电池在供电系统中充分发挥它的光电转换能力，需要实时控制太阳能电池的工作点，确保太阳能光伏阵列尽量工作在最大功率
。点附近，即最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）
实现ＭＰＰＴ控制的方法有很多，考虑到计算方便和控制简单，拟采用扰动观察法（Ｐｅｒｔｕｒｂ＆
［４］
。其基本原理是：先对太阳能电池的输出Ｏｂｓｅｒｖｅ）
电压Ｕ和输出电流Ｉ进行连续采样，并将每次采样得到的一组电压电流数据相乘得到当前功率值Ｐ，然后减掉上一次采样得到的功率值即为功率差分值。当功率达到最大值时满足!Ｐ／!Ｕ＝!（ＵＩ）／!Ｕ＝
则说明太阳能Ｉ!Ｕ／!Ｕ＋Ｕ!Ｉ／!Ｕ＝０。如果（!Ｐ／!Ｕ）＞０，
电池阵列输出功率为电压增加的方向，此时不改变扰动方向；反之，则说明太阳能电池阵列输出功率为电压减小的方向，此时要改变扰动方向。实际情况下，采样得到的电压和电流值是离散量，!Ｐ／!Ｕ一般不为零，这样实际控制结果表现为阵列输出功率在最大功率附近浮动。
因太阳光强和环境温度的变化是一个缓慢的过程，故每隔几秒钟采样一次参数即可满足要求。产生中断的时间间隔是可调的，初期较短，能迅速逼近最大功率点；后期较长，可防止系统在最大功率点附近振荡。为防止系统误判断，每次控制比较需进行３次，
才实施相应的控制策略，否则３次比较结果一致时，
重新采样比较，以最大限度保证系统的正常运行［５］。
充电带来的不利影响，另一方面还可以进行放电管
理，使蓄电池有一个最佳的放电特性。
为便于管理，将连在直流母线上的蓄电池分成容量相同的若干小组，分组后对蓄电池的管理实行小组单独充放电调节。对蓄电池的分组不能太小，太小了要更多的充放电控制电路，同时单个蓄电池小组对负载放电的电流可能过大，影响到蓄电池的寿命。分组原则为：①太阳能阵列提供的电流以不超过小组蓄电池最大允许充电电流为限；②小组单独对负载的放电电流最好控制在蓄电池厂家推荐容量的放电率左右，这样有利于延长蓄电池的使用寿命。所
・提出的电源系统使用的蓄电池容量为２４Ａｈ，分成
两组１２Ａ・图２示出分组后系统的拓扑。各ｈ蓄电池。
小组的控制电路由系统的主控ＣＰＵ负责协调控制。
图２蓄电池分组管理示意图
５．２蓄电池的充－放电管理
蓄电池选用聚合物锂离子电池，该类电池具有放电电压稳定、无记忆效应、安全及比能量高等优点。过充或过放电都将对电池的正负极造成永久的损坏，不适合的温度也将引发电池内部其他化学反应，从而影响其性能和寿命。因此，根据锂离子电池的充－放电特性选择适当的充－放电管理策略显得极为重要。图３示出锂离子电池的０．５Ｃ充放电特性曲线，在电池容量为１０００ｍＡ／ｈ情况下，０．５Ｃ就等于５００ｍＡ。所设计的蓄电池组充－放电控制器实现了充电管理、供电管理、电量校准和相应的过充、过放保护等功能。下面分别介绍充－放电管理策略的过程及其配合。
图３锂电池０．５Ｃ电流充－放电特性曲线
５
５．１
蓄电池管理策略
蓄电池的分组管理
由于不同季节日照强度不同，温度也在发生变化，所以蓄电池容易出现欠充的现象。为避免蓄电池始终在欠充状态，将蓄电池组分成容量较小的几个小组，对不同小组进行循环充电，使小组达到充满状态。这样一方面能提高充电电流，有效地利用
４６
充电管理中，主控ＣＰＵ准确判断出蓄电池的状态从而选取充－放电电路中充电电路的工作状态。充电电路可使锂离子电池实现涓流充电、恒流充电、恒
在锂离子电池电压较压充电３个阶段的充电。首先，
低时，以小于０．１Ｃ的电流进行涓流充电；其次，当主控ＣＰＵ检测电池电压达到一定阈值时，打开大电流充电开关，以小于１Ｃ的电流进行恒流充电；最后，当
多电池组太阳能光伏电源系统的设计与应用
恒压充电，即浮充阶段。如图４所示，锂电池电压小于
只能进行涓流充电，电压在３．１￣４．２Ｖ之间３．１Ｖ时，
时，进行恒流充电，４．２Ｖ电压为锂电池的切断电压，此时进行恒压充电，直到充电电流小于０．０１Ｃ为止。
供电管理主要负责监测每个锂电池的电压以及统计剩余电量。当正在给装置供电的那个锂电池电量降到１５％，且电压值低于一定阈值后，由主控ＣＰＵ控制充－放电电路中的放电电路，切换到下一块锂电池给系统供电，阈值电压的选取要考虑温度的影响。放电电路中有专门的蓄电池放电通路，采用安时法计算剩余电量，每隔一段时间可对蓄电池进行满放满充维护，同时进行电量校准。
充－放电控制器还在硬件上实现了过流保护和过压保护功能，在软件上设定了最低放电电压和最高充电电压，防止过充和过放，实现对锂电池的多重保护。
有ＭＰＰＴ控制时，光伏阵列的Ｕｏ在最佳工作电压
１８Ｖ附近浮动，输出电流ｉｏ＝０．３Ａ；无ＭＰＰＴ控制时，光伏阵列的Ｕｏ被拉低到４．４Ｖ，ｉｏ＝０．６Ａ。有ＭＰＰＴ控制时光伏阵列的输出功率是无ＭＰＰＴ控制时的２倍。在无外电源情况下，系统可以连续工作
基本保证了在阴雨天时的数据连续性，当天２０天，
气转晴后蓄电池开始恢复能量，如果阴雨天过长导致系统掉电，转晴后，系统仍能顺利恢复运行。
７结束语
６系统运行测试结果
建立了图２所示的太阳能光伏电源系统。试验
和现场工程应用表明，系统工作稳定，运行良好。对光伏阵列的最大功率点跟踪也取得了较好的效果。图４示出有ＭＰＰＴ控制和无ＭＰＰＴ控制时太阳能光伏阵列输出的电压Ｕｏ波形。
研究了电力设备户外在线监测装置供能系统———太阳能光伏电源系统的设计方法和控制策略。该系统的优点有：①通过对电源系统蓄电池及光伏阵列容量的设计，使系统具有较高的性价比；②利
提高了蓄电池充电效率；用ＭＰＰＴ控制策略，③对蓄有利于提高蓄电池的使用效电池进行充－放电管理，
率和延长蓄电池的使用寿命。试验和现场运行结果表明，该太阳能光伏电源系统具有效率高，稳定性好的优点。在缺乏市电供给或不方便市电供给的户外环境中，该电源系统具有广泛的工程应用价值。
参考文献
［１］ＳｃｈａｅｆｅｒＪＣ．ＲｅｖｉｅｗｏｆＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＰｏｗｅｒＰｌａｎｔＰｅｒｆｏｒ－
ｍａｎｃｅａｎｄＥｃｏｎｏｍｉｃｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒ－
：１９９０，５（２）２３２－２３８．ｓｉｏｎ，
吴捷，冯垛生．单相逆变器在ＰＶ发电系统的［２］张淼，
：应用［Ｊ］．电力电子技术，２００２，３６（２）１９－２１．史胜达．独立光伏系统设计方法［Ａ］．中国第六届［３］杨树明，
光伏会议论文集［Ｃ］．２０００：３０－３１．
图４输出电压实验波形
刘飞，刘邦银，等．几种光伏系统ＭＰＰＴ方法的［４］徐鹏威，
：分析比较及改进［Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（５）３－５．殳国华，张仕文．基于ＭＰＰＴ的智能太阳能充电［５］卢琳，
：系统研究［Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（２）９６－９８．
波形是在上午１０点左右测试的，此时因日照强
度不够大，光伏阵列输出的功率不能满足电池负载，
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第２８页）的运算速度、较高的Ａ／Ｄ转换和ＰＷＭ脉宽分辨率
图７示出稳态输出电流为３０Ａ时，使用示波器交流耦合得到的输出电流开关纹波实验波形。当开关频率为２０ｋＨｚ时，开关纹波有效值约为４．５ｍＡ，纹波率为０．０１５％。当开关频率为４０ｋＨｚ时，开关纹波有效值约为１．２ｍＡ，纹波率为０．００４％。
以及良好的电磁兼容和热稳定性。实验结果表明，所
设计的控制系统和主电路适用于梯度放大器的实验研究，为进一步改进系统性能打下了基础。
参考文献
科［１］赵喜平．核磁共振成像系统的原理及其应用［Ｍ］．北京：
学出版社，２０００．赖日新．核磁共振成像系统中的梯度放大器［Ｊ］．［２］蒋晓华，
电力电子技术．２００５．３９（：３）１１１－１１２．［３］ＰＢａｕｅｒ，ＪＡＦｅｒｒｅｉｒａ，ＳＳｐａｎｊａａｒｄ．ＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＥｆｆｉｃｉｅｎｔＧｒａ－
ｄｉｅｎｔＣｏｉｌＤｒｉｖｅｒＴｏｐｏｌｏｇｙ［Ａ］．ＩＥＥＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ１９ｔｈ
０４［Ｃ］．［Ｓ．ｌ．］：［ｓ．ｎ．］，２００４：１８３８－１８４３．ＡｎｎｕａｌｏｆＡＰＥＣ’
［４］ＪｕａｎＳａｂａｔｅ，ＬｕｉｓＪＧａｒｃｅｓ．Ｈｉｇｈ－ＰｏｗｅｒＨｉｇｈ－ＦｉｄｅｌｉｔｙＳｗｉｔｃｈ－
ｉｎｇＡｍｐｌｉｆｉｅｒＤｒｉｖｉｎｇＧｒａｄｉｅｎｔＣｏｉｌｓｆｏｒＭＲＩＳｙｓｔｅｍｓ［Ａ］．
ＩＥＥＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ３５ｔｈＡｎｎｕａｌｏｆＰＥＳＣ’０４［Ｃ］．［Ｓ．ｌ．］：［ｓ．ｎ．］，：２６１－２６６．
图７３０Ａ稳态电流的开关纹波实验波形
６结论
双Ｈ桥串联的主电路拓扑结构能满足梯度放
４７
第４２卷第２期２００８年２月
电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２００８
多
电池组太阳能光伏电源系统的设计与应用
吴
波，盛戈皞，曾
奕，江秀臣
（上海交通大学，上海２００２４０）
摘要：研究设计了一种太阳能光伏电源系统，并成功应用于户外电力设备在线监测系统中。根据设备功耗需要和安
装地点的气候情况，确定了光伏阵列和蓄电池的容量；研究了不同光照和温度条件下，光伏阵列的最大功率点跟踪简称ＭＰＰＴ）算法，使光伏阵列始终工作在最大功率输出状态，保证了蓄电池的充电（ＭａｘｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ，
效率；研究设计了多电池组协调控制与充－放电优化管理策略，有效延长了蓄电池的使用寿命。设计开发的太阳能光伏电源系统在架空输电线路状态监测系统中得到了成功应用。现场运行结果表明，该系统运行高效、稳定，完全满足工程应用需求。
关键词：光电池；充电；在线测量／光伏电源；最大功率点跟踪中图分类号：ＴＭ９１４
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０２－００４５－０３
ＡｎｏｖｅｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｏｌａｒＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＳｙｓｔｅｍ
ｗｉｔｈＭｕｌｔｉ－ｂａｔｔｅｒｙ
ＷＵＢｏ，ＳＨＥＮＧＧｅ－ｈａｏ，ＺＥＮＧＹｉ，ＪＩＡＮＧＸｉｕ－ｃｈｅｎ
（ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）
ＰＶ）ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｍｕｌｔｉ－ｂｕｔｔｅｒｙｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏＡｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｏｌａｒｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ（
ｏｕｔｄｏｏｒｏｎ－ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙｏｆＰＶａｒｒａｙａｎｄｂａｔｔｅｒｙｗａｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｎｅｅｄｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｄｅｖｉｃｅｓａｎｄｔｈｅｗｅａｔｈｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｈｅｄｅｖｉｃｅｓｗａｓｐｌａｃｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅ
ＭＰＰＴ）ｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ（
ｏｕｔｐｕｔｏｆＰＶａｒｒａｙａｎｄｔｈｅｃｈａｒｇｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｇｒｏｕｐｉｎｇａｎｄｔｈｅｃｈａｒｇｅａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔｒａｔｅｇｙｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｘｔｅｎｄｅｄｔｈｅｌｉｆｅｏｆｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋ．ＴｈｅｓｏｌａｒＰＶｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｉｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｏｖｅｒｈｅａｄｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ．ＯｐｅｒａｔｉｏｎａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｉｓＰＶｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｈａｓｔｈｅｈｉｇｈｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄ
ａｎｄａｂｓｏｌｕｔｅｌｙｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｐｒｏｊｅｃｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｃｅｌｌ；ｃｈａｒｇｅ；ｏｎｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ／ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ
１引言
电力系统中的很多电力设备安装在户外，有些
甚至在高压线路上。对这些电力设备进行在线监测的装置不可避免地要安装在户外，因此如何方便地给在线监测装置供电是亟待解决的问题。
太阳能是一种绿色可再生新能源，而光伏发电是当前利用太阳能的主要方式［１］。研究并设计了太阳能光伏电源系统，以解决在线监测装置的供电问题。系统由太阳能电池、蓄电池，以及基于单片机的充－放电控制电路构成。针对如何确定光伏阵列和蓄电池容量，提高太阳能电池工作效率以及尽可能地延长蓄电池寿命等问题［２］，根据设备功耗需要和安装地点的气候情况，确定了光伏阵列和蓄电池容量；采用多个蓄电池进行分组管理，以提高电池容量和改善充－放电性能，提出了采用最大功率点跟踪（算法保持ＭＰＰＴ）太阳能功率输出最大的控制策略；并将蓄电池分组进
定稿日期：２００７－１１－０５作者简介：吴
波（１９８４－），男，江西瑞金人，硕士研究生，研究方向为在线监测设备的电源及监测
。
行充－放电管理，以保证蓄电池有一个最佳的充－放电
特性。管理策略结合相应的硬件控制电路，实现了太阳能光伏电源系统的优化控制，在提高系统效率的同时，有效延长了蓄电池的工作年限。
２太阳能光伏电源系统的组成
图１示出电源系统的结构示意图。系统不同工作状态的控制转换和相应的管理策略由基于单片机的充－放电控制电路实现。
图１系统结构图
控制信号为太阳能电池输出电压。在白天光照条件下，控制电路检测到太阳能电池有正常输出，则开启充电电路，关闭放电电路，太阳能电池给装置供电同时也给蓄电池充电；天黑后，太阳能电池停止工作，此时控制电路检测到太阳能电池无输出，则关闭充电电路，开启放电电路，由蓄电池给装置供电。
３蓄电池及光伏阵列容量的确定
４５
第４２卷第２期２００８年２月
电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２００８
选择很重要。设计中除了要考虑太阳能电池方阵所处的环境条件，如现场的地理位置、太阳辐射能、气候、气象、地形和地物等，设计的太阳能电池方阵及蓄电池电源系统既要讲究经济效益，又要保证系统的高可靠性能，最好是使蓄电池容量与太阳能电池板匹配。对于特定地点的太阳辐射能量数据，则应以气象台提供的资料为依据。根据文献［３］提供的计算方法，所提出的电源系统使用的蓄电池容量为
・光伏阵列的输出功率为３０Ｗ。２４Ａｈ，
４最大功率点跟踪策略
尽可能提高太阳能的输出功率一直是学术界的研究热点。太阳能输出特性为非线性，而且受光照强度和环境温度影响很大。太阳能电池在任何时刻都存在一个随光照强度和温度变化而变化的最大功率输出点。为了让太阳能电池在供电系统中充分发挥它的光电转换能力，需要实时控制太阳能电池的工作点，确保太阳能光伏阵列尽量工作在最大功率
。点附近，即最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）
实现ＭＰＰＴ控制的方法有很多，考虑到计算方便和控制简单，拟采用扰动观察法（Ｐｅｒｔｕｒｂ＆
［４］
。其基本原理是：先对太阳能电池的输出Ｏｂｓｅｒｖｅ）
电压Ｕ和输出电流Ｉ进行连续采样，并将每次采样得到的一组电压电流数据相乘得到当前功率值Ｐ，然后减掉上一次采样得到的功率值即为功率差分值。当功率达到最大值时满足!Ｐ／!Ｕ＝!（ＵＩ）／!Ｕ＝
则说明太阳能Ｉ!Ｕ／!Ｕ＋Ｕ!Ｉ／!Ｕ＝０。如果（!Ｐ／!Ｕ）＞０，
电池阵列输出功率为电压增加的方向，此时不改变扰动方向；反之，则说明太阳能电池阵列输出功率为电压减小的方向，此时要改变扰动方向。实际情况下，采样得到的电压和电流值是离散量，!Ｐ／!Ｕ一般不为零，这样实际控制结果表现为阵列输出功率在最大功率附近浮动。
因太阳光强和环境温度的变化是一个缓慢的过程，故每隔几秒钟采样一次参数即可满足要求。产生中断的时间间隔是可调的，初期较短，能迅速逼近最大功率点；后期较长，可防止系统在最大功率点附近振荡。为防止系统误判断，每次控制比较需进行３次，
才实施相应的控制策略，否则３次比较结果一致时，
重新采样比较，以最大限度保证系统的正常运行［５］。
充电带来的不利影响，另一方面还可以进行放电管
理，使蓄电池有一个最佳的放电特性。
为便于管理，将连在直流母线上的蓄电池分成容量相同的若干小组，分组后对蓄电池的管理实行小组单独充放电调节。对蓄电池的分组不能太小，太小了要更多的充放电控制电路，同时单个蓄电池小组对负载放电的电流可能过大，影响到蓄电池的寿命。分组原则为：①太阳能阵列提供的电流以不超过小组蓄电池最大允许充电电流为限；②小组单独对负载的放电电流最好控制在蓄电池厂家推荐容量的放电率左右，这样有利于延长蓄电池的使用寿命。所
・提出的电源系统使用的蓄电池容量为２４Ａｈ，分成
两组１２Ａ・图２示出分组后系统的拓扑。各ｈ蓄电池。
小组的控制电路由系统的主控ＣＰＵ负责协调控制。
图２蓄电池分组管理示意图
５．２蓄电池的充－放电管理
蓄电池选用聚合物锂离子电池，该类电池具有放电电压稳定、无记忆效应、安全及比能量高等优点。过充或过放电都将对电池的正负极造成永久的损坏，不适合的温度也将引发电池内部其他化学反应，从而影响其性能和寿命。因此，根据锂离子电池的充－放电特性选择适当的充－放电管理策略显得极为重要。图３示出锂离子电池的０．５Ｃ充放电特性曲线，在电池容量为１０００ｍＡ／ｈ情况下，０．５Ｃ就等于５００ｍＡ。所设计的蓄电池组充－放电控制器实现了充电管理、供电管理、电量校准和相应的过充、过放保护等功能。下面分别介绍充－放电管理策略的过程及其配合。
图３锂电池０．５Ｃ电流充－放电特性曲线
５
５．１
蓄电池管理策略
蓄电池的分组管理
由于不同季节日照强度不同，温度也在发生变化，所以蓄电池容易出现欠充的现象。为避免蓄电池始终在欠充状态，将蓄电池组分成容量较小的几个小组，对不同小组进行循环充电，使小组达到充满状态。这样一方面能提高充电电流，有效地利用
４６
充电管理中，主控ＣＰＵ准确判断出蓄电池的状态从而选取充－放电电路中充电电路的工作状态。充电电路可使锂离子电池实现涓流充电、恒流充电、恒
在锂离子电池电压较压充电３个阶段的充电。首先，
低时，以小于０．１Ｃ的电流进行涓流充电；其次，当主控ＣＰＵ检测电池电压达到一定阈值时，打开大电流充电开关，以小于１Ｃ的电流进行恒流充电；最后，当
多电池组太阳能光伏电源系统的设计与应用
恒压充电，即浮充阶段。如图４所示，锂电池电压小于
只能进行涓流充电，电压在３．１￣４．２Ｖ之间３．１Ｖ时，
时，进行恒流充电，４．２Ｖ电压为锂电池的切断电压，此时进行恒压充电，直到充电电流小于０．０１Ｃ为止。
供电管理主要负责监测每个锂电池的电压以及统计剩余电量。当正在给装置供电的那个锂电池电量降到１５％，且电压值低于一定阈值后，由主控ＣＰＵ控制充－放电电路中的放电电路，切换到下一块锂电池给系统供电，阈值电压的选取要考虑温度的影响。放电电路中有专门的蓄电池放电通路，采用安时法计算剩余电量，每隔一段时间可对蓄电池进行满放满充维护，同时进行电量校准。
充－放电控制器还在硬件上实现了过流保护和过压保护功能，在软件上设定了最低放电电压和最高充电电压，防止过充和过放，实现对锂电池的多重保护。
有ＭＰＰＴ控制时，光伏阵列的Ｕｏ在最佳工作电压
１８Ｖ附近浮动，输出电流ｉｏ＝０．３Ａ；无ＭＰＰＴ控制时，光伏阵列的Ｕｏ被拉低到４．４Ｖ，ｉｏ＝０．６Ａ。有ＭＰＰＴ控制时光伏阵列的输出功率是无ＭＰＰＴ控制时的２倍。在无外电源情况下，系统可以连续工作
基本保证了在阴雨天时的数据连续性，当天２０天，
气转晴后蓄电池开始恢复能量，如果阴雨天过长导致系统掉电，转晴后，系统仍能顺利恢复运行。
７结束语
６系统运行测试结果
建立了图２所示的太阳能光伏电源系统。试验
和现场工程应用表明，系统工作稳定，运行良好。对光伏阵列的最大功率点跟踪也取得了较好的效果。图４示出有ＭＰＰＴ控制和无ＭＰＰＴ控制时太阳能光伏阵列输出的电压Ｕｏ波形。
研究了电力设备户外在线监测装置供能系统———太阳能光伏电源系统的设计方法和控制策略。该系统的优点有：①通过对电源系统蓄电池及光伏阵列容量的设计，使系统具有较高的性价比；②利
提高了蓄电池充电效率；用ＭＰＰＴ控制策略，③对蓄有利于提高蓄电池的使用效电池进行充－放电管理，
率和延长蓄电池的使用寿命。试验和现场运行结果表明，该太阳能光伏电源系统具有效率高，稳定性好的优点。在缺乏市电供给或不方便市电供给的户外环境中，该电源系统具有广泛的工程应用价值。
参考文献
［１］ＳｃｈａｅｆｅｒＪＣ．ＲｅｖｉｅｗｏｆＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＰｏｗｅｒＰｌａｎｔＰｅｒｆｏｒ－
ｍａｎｃｅａｎｄＥｃｏｎｏｍｉｃｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒ－
：１９９０，５（２）２３２－２３８．ｓｉｏｎ，
吴捷，冯垛生．单相逆变器在ＰＶ发电系统的［２］张淼，
：应用［Ｊ］．电力电子技术，２００２，３６（２）１９－２１．史胜达．独立光伏系统设计方法［Ａ］．中国第六届［３］杨树明，
光伏会议论文集［Ｃ］．２０００：３０－３１．
图４输出电压实验波形
刘飞，刘邦银，等．几种光伏系统ＭＰＰＴ方法的［４］徐鹏威，
：分析比较及改进［Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（５）３－５．殳国华，张仕文．基于ＭＰＰＴ的智能太阳能充电［５］卢琳，
：系统研究［Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（２）９６－９８．
波形是在上午１０点左右测试的，此时因日照强
度不够大，光伏阵列输出的功率不能满足电池负载，
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第２８页）的运算速度、较高的Ａ／Ｄ转换和ＰＷＭ脉宽分辨率
图７示出稳态输出电流为３０Ａ时，使用示波器交流耦合得到的输出电流开关纹波实验波形。当开关频率为２０ｋＨｚ时，开关纹波有效值约为４．５ｍＡ，纹波率为０．０１５％。当开关频率为４０ｋＨｚ时，开关纹波有效值约为１．２ｍＡ，纹波率为０．００４％。
以及良好的电磁兼容和热稳定性。实验结果表明，所
设计的控制系统和主电路适用于梯度放大器的实验研究，为进一步改进系统性能打下了基础。
参考文献
科［１］赵喜平．核磁共振成像系统的原理及其应用［Ｍ］．北京：
学出版社，２０００．赖日新．核磁共振成像系统中的梯度放大器［Ｊ］．［２］蒋晓华，
电力电子技术．２００５．３９（：３）１１１－１１２．［３］ＰＢａｕｅｒ，ＪＡＦｅｒｒｅｉｒａ，ＳＳｐａｎｊａａｒｄ．ＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＥｆｆｉｃｉｅｎｔＧｒａ－
ｄｉｅｎｔＣｏｉｌＤｒｉｖｅｒＴｏｐｏｌｏｇｙ［Ａ］．ＩＥＥＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ１９ｔｈ
０４［Ｃ］．［Ｓ．ｌ．］：［ｓ．ｎ．］，２００４：１８３８－１８４３．ＡｎｎｕａｌｏｆＡＰＥＣ’
［４］ＪｕａｎＳａｂａｔｅ，ＬｕｉｓＪＧａｒｃｅｓ．Ｈｉｇｈ－ＰｏｗｅｒＨｉｇｈ－ＦｉｄｅｌｉｔｙＳｗｉｔｃｈ－
ｉｎｇＡｍｐｌｉｆｉｅｒＤｒｉｖｉｎｇＧｒａｄｉｅｎｔＣｏｉｌｓｆｏｒＭＲＩＳｙｓｔｅｍｓ［Ａ］．
ＩＥＥＥＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ３５ｔｈＡｎｎｕａｌｏｆＰＥＳＣ’０４［Ｃ］．［Ｓ．ｌ．］：［ｓ．ｎ．］，：２６１－２６６．
图７３０Ａ稳态电流的开关纹波实验波形
６结论
双Ｈ桥串联的主电路拓扑结构能满足梯度放
４７