储能型光伏发电系统中蓄电池充电控制策略研究

2017-10-17孟彦京贾娟娟

陕西科技大学学报 2017年5期

关键词：充电电流恒流端电压

孟彦京, 贾娟娟, 吴辉

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安 710021)

储能型光伏发电系统中蓄电池充电控制策略研究

孟彦京, 贾娟娟, 吴辉

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安 710021)

蓄电池达不到理想的使用寿命是制约储能型光伏发电技术广泛应用的主要因素.基于MPPT理论研究和蓄电池充电特性，设计了双级DC/DC变换器用于控制光伏充电系统，采用一种更为合理的充电控制策略，其依据在充电过程中检测到的相关参数，使MPPT与阶段式恒流充电相互转换.对系统进行了仿真与实验验证，结果均表明该控制策略可在充电后期根据电池端电压大小自动地切换充电方式，使蓄电池充电过程有了更高效的管理，延长了蓄电池的使用寿命.

光伏充电系统；蓄电池； MPPT；阶段式恒流充电; 使用寿命

Abstract:Limited life of batteries is the main factor that restricts the photovoltaic power generation technology to be widely used.Based on the theory research of MPPT and the characteristics of battery charging,the system structure of the dual stage DC/DC converter to control the photovoltaic charging is designed.A more reasonable charging control strategy is adopted,which can convert the MPPT and the stage constant current charge according to the relevant parameters detected during the charging process.Simulation example and experimental verification results are given to demonstrate the control strategy can automatically switch the charging mode according to the terminal voltage of batteries in the later charging period,provided a more efficient management for the battery charging process,prolonged the service life of the battery.

Keywords:photovoltaic charging system； battery； MPPT； stage constant current charging； service life

0 引言

光伏发电因无污染、无噪音、随处可用等优点，被广泛关注和应用，储能电池具有平滑功率、提供不间断电源的作用，成为了光伏发电系统不可或缺的组成部分[1].但蓄电池的使用寿命远远达不到标定年限，增加了光伏系统的整体成本.

据相关资料表明，影响蓄电池(主要指免维护的铅酸蓄电池)使用寿命的主要因素有：①环境温度；②过度充放电；③板栅的腐蚀与增长；④浮充时间过长；⑤失水等[2-4]，其中③④⑤项的根本原因也是由过充电引起的，可见过充电是影响蓄电池使用寿命的一个主要因素.

本文在MPPT原理研究基础上，通过控制使MPPT与阶段式恒流充电跟据电池充电情况相互转换，尽可能多的从光伏组件抽取能量给蓄电池且遵循蓄电池本身的充电规律，在充分利用光伏组件输出能量的同时对蓄电池进行了高效管理，防止过充，可在一定程度上延长蓄电池的使用寿命.

1 MPPT原理与电池板选型

1.1 MPPT原理

太阳能电池和变换电路都是非线性的，在极短时间内按线性处理[5,6]，其等效转换图如图1所示.

将太阳能电池板输出等效为电压源Vin，从太阳能端口看进去，虚线后Boost电路和负载可视为一个等效输入电阻Req.

图1 太阳能电池板和变换电路等效图

Req=Vin/IL

(1)

假设图1中Boost电路为理想电路.根据功率守恒可得：

ILVin=V02/R

(2)

Boost电路电压传递关系：

V0=Vin/1-D

(3)

(3)式中D为开关管VF1的导通占空比；

将式(3)代入式(2)得：

ILVin=Vin2/(1-D)2R

即

Vin/IL=(1-D)2R

结合式(1)可得：

Req=(1-D)2R

(4)

将此系统中直流电压源和串联电阻在短时间内视为定值.则某一时刻负载R上的功率为：

P=(VS/R0+Req)2Req=VS2/(R02/Req+

(5)

即当且仅当Req=R0=(1-D)2R时，输出功率最大.

由以上推导可知，通过调节开关脉冲的占空比D，可使从太阳能端口看进去的等效电阻Req值发生改变，当Req值等于太阳能电池内阻R0时，光伏电池输出最大功率.图2为负载一定时输入占空比与等效阻抗关系曲线图.

图2 输入占空比与等效阻抗关系曲线图

根据图1，可将系统中各项输出参数都表示成以占空比D为自变量的函数：

(6)

(7)

根据公式(3)可得：

(8)

(9)

设VS=18 V，R=2 Ω，R0=0.4 Ω，可得关系曲线如图3所示.

(a)太阳能电池板输电压、电流与占空比关系图

(b)负载的电压、电流随占空比变化关系图

(c)占空比与输出功率关系图图3 占空比与各项输出参数关系曲线图

由图3(a)可以看出，当负载一定时，太阳能输出电压随占空比增大而减小，电流随占空比增大而增大；图3(b)为负载的电压、电流随占空比变化关系曲线；图3(c)为占空比与输出功率关系曲线，可以看出，光伏电池输出功率随占空比的变化呈单峰特性，峰值即为最大功率点[7-9]，当占空比在区间(0.35～0.45)内时输出电压基本稳定，负载电流也较大，此时太阳能电池板处于最大功率输出状态，MPPT控制方式如参考文献[7]所示.

1.2 太阳能电池板选型

1.1节中所提稳压是基于负载不变的情况而言的，不适用于负载不断变化的系统，很多系统在应用中都接入了蓄电池，既能在负载变化时稳定电压又能存储能量，光伏系统给蓄电池合理充电是本文研究的关键问题.

本系统采用两块型号为6-QW-90的铅酸蓄电池串联，其额定电压为12 V，额定容量为90 Ah，铅酸电池相关参数标准规定最佳充电电流为0.12 C，则该电池最佳充电电流为10.8 A，选用额定电压为18 V，额定功率为250 W的太阳能电池板，可提供的最大充电电流为：

I=250 W/24 V=10.4 A

不存在大电流充电，一定程度上保护了蓄电池.

2 充电系统结构与设计

工作在MPPT状态下的单级DC/DC变换器只能使光伏发电系统产生最大功率，无法根据不同的充电阶段对蓄电池采取不同的充电方式[10-12].本设计采用两级DC/DC变换器，通过对前后级变换器使用不同的控制策略，控制光伏给蓄电池充电的过程，充电控制系统电路如图4所示.

图4 光伏给蓄电池充电控制系统电路图

在图4中，L1、VF1、VD1、C2构成前级Boost变换器，用于MPPT控制，C2、VF2、VD2、L2构成后级Buck变换器，对蓄电池的充电方式进行控制.

3 蓄电池充电控制策略

MPPT充电对充电电流缺乏控制，易造成蓄电池过充[13]，分段式恒流充电电池温升低、失水少，可延长蓄电池使用寿命[14,15].为改善蓄电池充电特性，本文采用的充电控制策略具体实现方式如图5所示.其中，U1为蓄电池端电压，Iref为系统给定充电恒流值，初始Iref=10.3 A，Umax为恒流值递减阈值电压,UOCT为满充电压，IOCT为预设浮充临界电流值.

(1)阶段1(MPPT充电)

充电初期，系统待充电蓄电池端电压较小，采用MPPT充电，可一直跟踪太阳能电池板的最大功率点，以该条件下此电池板所能提供的最大电流对蓄电池进行充电.即在蓄电池端电压没有达到设定值Umax时，Buck变换器管子全通，蓄电池处于MPPT充电模式.

(2)阶段2(阶段式恒流充电)

当蓄电池端电压达到预设值Umax，检测此时光伏输出功率P，若P

通过MPPT充电和阶段式恒流充电的配合和切换，既可以充分利用太阳能，又可避免蓄电池过充电，且此系统中电流减小设定值可根据需要改变.

图5 光伏发电系统充电策略流程图

4 仿真实验与结果分析

4.1 系统仿真

为验证此充电策略的可行性和有效性，利用MATLAB对系统进行了仿真，仿真模型如图6所示.

仿真中设置蓄电池额定电压为24 V，额定容量为90 Ah，初始SOC为70%，恒流值递减阈值电压为28.4 V，满充电压为31 V，初始给定充电恒流值为10.3 A，浮充临界电流值为4 A.光照强度初始值为600 W/m2，0.2 s时升到800 W/m2，0.3 s时又升到1 000 W/m2，仿真结果如图7所示.

图6 光伏充电系统仿真模型

(a)充电过程中系统各参数变化情况波形

(b)充电过程中电池参数变化情况波形图7 光伏充电过程仿真结果

图7(a)中Light为光照强度，U1为蓄电池端电压，I1为Boost变换器输出电流，I2为充电电流，由图7(a)可知，随光照强度上升，光伏输出电流不断增大，即此系统可较好地跟踪最大功率点，因仿真时间短，电池端电压在24.3 V左右基本不变，系统始终处于MPPT充电阶段，以最大功率下的电流充电.

图7(b)为电池参数变化情况波形.可以看出，充电过程中电池荷电百分比、电压不断上升，电池内部电流与充电电流一致，方向相反.整个仿真期间各参数的变化情况与理论值基本保持一致.

因仿真中电池端电压变化缓慢，图8(a)中给定U1、P信号，对恒流值递减充电进行模拟；从图8(b)可以看出，在0.005 s之前P

(a)恒流值递减充电模拟仿真模型

(b)恒流值递减充电模拟仿真波形图8 充电阶段2模拟仿真模型及结果

4.2 实验验证

实验中采用1.2节所选型号太阳能电池板和电池，其他设定值与仿真一致.

测试中最高温度26 ℃，从上午8点开始测，到下午18:20结束，测试中每10分钟记录一组数据.测量结果如图9所示.

图9 充电实验中各参数随时间变化波形

由图9可以看出，13∶12之前系统一直处于MPPT充电模式，充电电流随光照强度变大逐渐增大.13∶12时电池端电压上升到28.4 V,且满足P≥U1Iref，恒流值递减的恒流充电阶段开始了，电流稳定在10.3 V，14∶02时P

因实验采用的旧电池放电不完全，电池初始荷电状态为37.5%，充满后达到99.93%，最终充入电量为1 390.25 wh.从实验采集的数据可以看出，此充电策略实现了两阶段充电过程的转换，方便节能，防止了蓄电池过充，可延长电池使用寿命.

5 结论

本文对MPPT工作原理进行了分析，根据蓄电池充电特性，设计了充电系统，采用了MPPT与阶段式恒流充电相转换的充电控制策略，该策略可根据光照和蓄电池端电压的变化情况，快速地调整充电电流，防止过充.仿真和实验结果均表明，此充电控制策略合理可行，既可充分利用能源，又能保护蓄电池，具有一定的实用价值.

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【责任编辑：陈佳】

Researchonchargingcontrolstrategyforbatteriesofphotovoltaicpowergenerationsystemwithstorage

MENG Yan-jing, JIA Juan-juan, WU Hui

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)