VRLA蓄电池在光伏发电系统中的设计方案

光伏发电系统是利用光电效应原理将太阳能转换为电能的发电系统，通常由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等组成。其中，蓄电池组在光伏发电系统中起着至关重要的作用，特别是在夜晚或阴雨天，太阳能电池组件无法工作时，蓄电池组能够供电给负载工作。VRLA（阀控式密封铅酸蓄电池）蓄电池因其免维护、少维护的性能以及良好的充放电特性，成为光伏发电系统中广泛使用的储能装置。以下是关于VRLA蓄电池在光伏发电系统中的详细设计方案，包括主控芯片型号及其在设计中的作用。

一、光伏发电系统概述

光伏发电系统主要由以下几部分组成：

1. 太阳能电池组件：将太阳能转化为电能，供给负载工作或给蓄电池组充电。

2. 控制器：对蓄电池组的充放电进行保护和管理。

3. 蓄电池组：用于存储电能，在太阳能电池组件无法工作时提供电能。

4. 逆变器：将直流电变换为交流电，供家用电器等设备使用。

二、VRLA蓄电池在光伏发电系统中的作用

VRLA蓄电池在光伏发电系统中的作用主要体现在以下几个方面：

1. 存储多余能量：在白天太阳能电池组件产生的电能多余时，蓄电池能够存储这些能量，以供夜晚或阴雨天使用。

2. 提供能量：在夜晚或阴雨天，太阳能电池组件无法工作时，蓄电池组能够供电给负载工作。

3. 钳位作用：由于太阳能电池组件的工作特性受太阳辐照度、温度等影响很大，负载常常不能处在最理想工作点附近。蓄电池对太阳能电池的工作电压具有钳位作用，能够保证负载处在最理想工作点附近。

三、VRLA蓄电池的设计要求

光伏发电系统对蓄电池有特定的要求，主要包括：

1. 具有深循环放电性能，充放电循环寿命长。

2. 耐过充电能力强。

3. 过放电后容量恢复能力强。

4. 良好的充电接受能力。

5. 电池在静态环境中使用时，电解液不易分层。

6. 具有免维护或少维护的性能。

7. 应具备良好的高、低温充放电特性。

8. 能适应高海拔地区的使用环境。

9. 蓄电池组中各蓄电池一致性良好。

四、VRLA蓄电池的充放电特性

光伏发电系统用VRLA蓄电池的充放电特性一般有以下几点：

1. 白天充电，晚上以及阴、雨天放电。

2. 充电倍率低，平均充电电流一般为0.01～0.02C，很少达到0.1～0.2C。

3. 放电电流小，放电倍率通常为0.004～0.05C。

4. 一次充电时间较短，即使长的时候仅为约10小时。

由于光伏发电系统很少能完全、快速地给蓄电池充满电，蓄电池往往会处于欠充电状态。此外，光伏发电系统多建立在边远偏僻的山区、高原、戈壁，自然环境十分恶劣，工作环境温度变化范围很大，因此，在设计时需要特别注意这些因素对蓄电池性能的影响。

五、VRLA蓄电池的容量计算

确定蓄电池容量时，需要测定接入系统的负载每天需要多少电量，以及根据气候条件蓄电池需要存储多少天的电量。蓄电池容量的一般计算公式为：

C=E·t/(D·η0·η1)

其中，C为蓄电池的容量；E为负载日平均功耗；t为最长无日照用电时数；D为VRLA蓄电池允许放电深度；η0为VRLA蓄电池充放电效率；η1为逆变器转换效率。

在确定蓄电池容量时，并不是容量越大越好，过大的电池容量规模也会产生问题。因为在日照不足时，蓄电池组可能维持在部分充电状态，这种欠充电状态将导致电池硫酸化增加、容量降低、寿命缩短。

六、VRLA蓄电池的性能改进

针对光伏发电系统对蓄电池性能的特殊要求，以及影响蓄电池寿命的因素，可以在原VRLA蓄电池的基础上进行一系列性能改进，包括：

1. 提高循环使用寿命：为延长VRLA电池的循环使用寿命，板栅合金在板栅与活性物质界面形成的腐蚀层导电性应良好，板栅应具有抗蠕变性能。电池设计采用紧装配，并适当提高装配压力。

2. 提高电池充电接受能力：对VRLA电池来说，充电不足对电池的危害比过充电更严重，所以提高VRLA电池的充电接受能力尤其重要。可以在负极铅膏配方中加入高稳定性的膨胀剂和导电性添加剂，以提高充电接受能力。

3. 提高过放电性能：降低硫酸电解液的比重，并添加特殊的电液添加剂，可以降低对极板的腐蚀，减少电液分层的产生，提高电池的充电接受能力和过放电性能。

4. 采用专用安全阀：对于高原地区，由于大气压较低，特别调整了安全阀压力值。

七、主控芯片型号及其在设计中的作用

在光伏发电系统中，主控芯片起着至关重要的作用，它负责控制整个系统的运行，包括蓄电池的充放电管理、太阳能电池组件的功率跟踪、逆变器的控制等。以下是一些常用的主控芯片型号及其在设计中的作用：

1. TMS320F2808

• 作用：TMS320F2808是一款高性能的数字信号处理器（DSP），适用于光伏发电系统中的各种控制任务。它具有丰富的外设资源，包括高速ADC、PWM控制器、串行通信接口等，可以实现对太阳能电池组件、蓄电池组、逆变器等设备的精确控制。

• 应用：在光伏发电系统中，TMS320F2808可以用于实现优化的三段式充电法，对蓄电池的SOC进行准确估算，提高蓄电池的充电效率。同时，它还可以用于实现最大功率点跟踪（MPPT）算法，提高太阳能电池组件的发电效率。

2. STM32F4系列

• 作用：STM32F4系列是一款高性能的微控制器（MCU），适用于各种复杂的控制任务。它具有高速的CPU、丰富的外设资源以及强大的处理能力，可以实现对光伏发电系统中各个组件的精确控制。

• 应用：在光伏发电系统中，STM32F4系列可以用于实现蓄电池的充放电管理、太阳能电池组件的功率跟踪、逆变器的控制等功能。同时，它还可以用于实现系统的故障诊断和保护功能，提高系统的可靠性和稳定性。

3. PIC系列

• 作用：PIC系列是一款低功耗、高性能的微控制器，适用于各种嵌入式控制系统。它具有简单的指令集、丰富的外设资源以及灵活的配置选项，可以实现对光伏发电系统中各个组件的精确控制。

• 应用：在光伏发电系统中，PIC系列可以用于实现蓄电池的充放电管理、太阳能电池组件的功率跟踪等功能。同时，它还可以用于实现系统的低功耗设计，延长系统的使用寿命。

4. DSPIC系列

• 作用：DSPIC系列是一款结合了DSP和MCU优点的数字信号控制器，适用于各种复杂的控制任务。它具有高速的DSP核心、丰富的外设资源以及强大的控制能力，可以实现对光伏发电系统中各个组件的精确控制。

• 应用：在光伏发电系统中，DSPIC系列可以用于实现蓄电池的充放电管理、太阳能电池组件的功率跟踪、逆变器的控制等功能。同时，它还可以用于实现系统的实时数据处理和算法实现，提高系统的性能和稳定性。

八、系统硬件电路设计

在光伏发电系统的硬件电路设计中，需要设计DC/DC转换电路、驱动电路、采样电路、A/D转换电路和端电压均衡电路等。这些电路的设计需要考虑到系统的功率需求、控制精度、稳定性等因素。

1. DC/DC转换电路：用于将太阳能电池组件产生的直流电转换为蓄电池组所需的充电电压，以及将蓄电池组提供的直流电转换为逆变器所需的直流电压。

2. 驱动电路：用于驱动逆变器等功率器件，实现对交流电的输出控制。

3. 采样电路：用于采集太阳能电池组件、蓄电池组、逆变器等设备的电压、电流等参数，为控制芯片提供反馈信号。

4. A/D转换电路：将采样电路采集的模拟信号转换为数字信号，供控制芯片进行处理。

5. 端电压均衡电路：用于实现蓄电池组中各个蓄电池之间的电压均衡，提高蓄电池组的整体性能和寿命。

九、系统软件设计

在光伏发电系统的软件设计中，需要设计控制算法、通信协议、故障诊断等模块。这些模块的设计需要考虑到系统的控制精度、实时性、可靠性等因素。

1. 控制算法：包括蓄电池的充放电管理算法、太阳能电池组件的功率跟踪算法、逆变器的控制算法等。这些算法的实现需要考虑到系统的动态特性和静态特性，以及对各种扰动因素的鲁棒性。

2. 通信协议：用于实现系统内部各个组件之间的通信和数据交换。通信协议的设计需要考虑到数据的可靠性、实时性和安全性等因素。

3. 故障诊断：用于实现对系统内部各个组件的故障诊断和保护。故障诊断的设计需要考虑到各种可能的故障模式和故障原因，以及相应的处理措施。

十、系统测试与优化

在完成光伏发电系统的硬件电路和软件设计后，需要进行系统测试与优化。测试内容包括系统的功能测试、性能测试、可靠性测试等。优化内容包括对控制算法的优化、对硬件电路的优化等。

1. 功能测试：验证系统是否满足设计要求的功能需求。包括蓄电池的充放电管理功能、太阳能电池组件的功率跟踪功能、逆变器的控制功能等。

2. 性能测试：测试系统的各项性能指标是否满足设计要求。包括系统的发电效率、蓄电池的充放电效率、逆变器的转换效率等。这些测试需要在不同的光照条件、负载情况和温度环境下进行，以确保系统在各种工况下都能稳定运行。

3. 可靠性测试：评估系统的可靠性和稳定性。包括系统的故障率、恢复时间、长期运行稳定性等。这些测试可以通过模拟各种故障情况、长时间连续运行等方式进行。

十一、优化措施

在完成系统测试后，可能需要对系统进行一些优化措施，以提高系统的性能和稳定性。以下是一些可能的优化措施：

1. 控制算法优化：根据测试结果，对控制算法进行调整和优化，以提高系统的控制精度和响应速度。例如，可以对蓄电池的SOC估算算法进行改进，以提高估算的准确性；可以对太阳能电池组件的MPPT算法进行优化，以提高发电效率。

2. 硬件电路优化：根据测试结果，对硬件电路进行调整和优化，以提高系统的性能和稳定性。例如，可以优化DC/DC转换电路的设计，以提高转换效率和稳定性；可以优化驱动电路的设计，以提高逆变器的控制精度和响应速度。

3. 软件优化：对系统的软件进行优化，以提高系统的实时性和可靠性。例如，可以优化通信协议的设计，以提高数据传输的可靠性和实时性；可以对故障诊断模块进行优化，以提高故障检测的准确性和处理速度。

4. 系统参数调整：根据测试结果和实际需求，对系统的参数进行调整。例如，可以调整蓄电池的充放电参数，以延长蓄电池的使用寿命；可以调整逆变器的输出参数，以满足负载的功率需求。

十二、结论

VRLA蓄电池在光伏发电系统中起着至关重要的作用。通过合理的系统设计和优化措施，可以提高系统的性能和稳定性，延长蓄电池的使用寿命，提高光伏发电系统的整体效益。

在系统设计过程中，需要充分考虑太阳能电池组件、蓄电池组、逆变器等设备的特性和需求，选择合适的主控芯片和外围电路，设计合理的控制算法和通信协议。同时，还需要对系统进行全面的测试和优化，以确保系统在各种工况下都能稳定运行。

此外，随着科技的不断发展，新的技术和材料不断涌现，为光伏发电系统的设计和优化提供了更多的可能性。因此，在未来的工作中，需要不断关注新技术和新材料的发展动态，将其应用于光伏发电系统的设计和优化中，以提高系统的性能和效益。