獨立光伏系統蓄電池優化三段式充電策略研究

蔡曉峰 張鴻博 黃 偉 趙慧光

(河南工程學院機械工程系1，河南 新鄭 451191;華北水利水電學院電力學院2，河南 鄭州 450011;河南省電力公司計量中心3，河南 鄭州 450046;河南省新鄉供電公司4，河南 新鄉 453002)

0 引言

獨立光伏供電系統通常采用鉛酸蓄電池組儲能。蓄電池的充放電策略直接影響其壽命，三段式充電是鉛酸電池常用且比較理想的充電策略。另外，為了盡可能地提高能源利用效率，縮短充電時間，系統還需引入光伏電池的最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)算法。為了將MPPT和三段式充電算法有效結合，研究了MPPT算法和恒流恒壓充電算法的切換判據。仿真表明該判據簡單方便，可以實現二者的平滑切換，在提高充電效率的同時又不影響蓄電池的使用壽命。

1 占空比擾動法MPPT

光伏系統最大功率點跟蹤方法很多［1－8］，選擇時要考慮獨立式光伏系統的特點和算法的難易程度。在獨立光伏系統的應用中，光伏陣列和蓄電池之間的接口通常采用DC/DC變換器。通過調節DC/DC變換器PWM波的占空比，達到最優的阻尼匹配，即可使光伏電池輸出功率達到最大值。

光伏系統的輸出功率Ppv和PWM占空比D的關系示意圖如圖1所示［9］。

圖1 P-D關系曲線Fig.1 P-D relational curve

忽略DC/DC變換器的功率損耗，Ppv等于蓄電池的充電功率Pb，因此圖1也反映了Pb與占空比D的關系，即在某個占空比下Pb達到最大值。該占空比對應光伏電池的最大功率點，而在該點左右兩側存在著單調的關系。因此，占空比擾動法MPPT通過對Pb的監測來控制占空比的擾動。當增大占空比使Pb增大時，則繼續增大占空比;當增大占空比使Pb減小時，則減小占空比，最終可以實現最大功率點的跟蹤。和擾動觀察法一樣，算法最終無法穩定在最大功率點處，而是在最大功率點附近小范圍波動，但這不會對系統造成大的影響，且控制比較簡單，實現方便。

2 優化三段式充電策略

三段式充電方式是鉛酸蓄電池經常采用的充電方式，即恒流充電-恒壓充電-浮充充電，傳統的方法是采用PI算法來實現三段式充電［10］。在獨立光伏供電系統中，由于光照的不穩定性，PI算法容易失效，下面分階段進行分析。

2.1 恒流充電階段

在恒流充電階段，蓄電池的荷電狀態比較低，蓄電池采用比較大的恒定電流充電。但如果陽光不充足，光伏電池最大輸出功率小于設定值Iset時蓄電池吸收的功率，則會出現不能維持設定充電電流的情況。光伏電池所能提供的最大充電電流小于Iset，這時無論如何調整占空比，都不能維持蓄電池的充電電流為Iset，誤差長期存在。同時由于PI恒流充電算法中積分環節對誤差的累積作用，會使DC/DC變換器的占空比逐漸趨于極限值，而該極限值一般不對應最大功率點時的占空比，從而導致充電效率降低。Ib-D的關系曲線如圖2所示。

圖2 Ib-D關系曲線Fig.2 Ib-D relational curve

在這種情況下，為了提高充電效率，比較合理的方案是更換為MPPT充電，因為這樣才能以最接近Iset的電流為蓄電池充電。而算法需要考慮的重要問題是PI恒流充電算法與MPPT充電算法之間的切換判據。PI恒流充電切換為MPPT充電最理想的切換點是在最大功率點處，因為在最大功率點處切換電流變化過程最平緩。

結合圖1容易看出，最大功率點的明顯特征是dP/dD發生變號。這樣如果設定初始工作點在最大功率點左側，由于左側dP/dD＞0，則PI恒流充電切換為MPPT的判據就是dP/dD＜0，且充電電流Ib＜Iset，即工作點剛剛從最大功率點左側(dP/dD＞0)運行到了右側(dP/dD＜0)，而充電電流Ib還一直小于電流設定值Iset，則PI恒流充電切換為MPPT充電。由于切換是在dP/dD剛剛發生變號時進行的，因此，切換點非常靠近最大功率點。

從MPPT切換為PI恒流充電的判據相對比較簡單。從圖2可以看出，只要MPPT充電電流大于Iset，則一定會存在PI恒流充電的穩定工作點，因此判據可以設定為:當Ib＞Iset時，MPPT切換為PI恒流充電。但考慮到MPPT并非準確運行在M點而是在M點左右擺動。為了盡可能快速穩定在B點，根據AM段的特征附加一個切換條件dP/dD＞0，即在Ib＞Iset且dP/dD＞0時，MPPT切換為PI恒流充電。

綜上所述，PI恒流充電和MPPT充電之間的切換判據為當Ib＞Iset且dP/dD＞0時，MPPT充電切換為PI恒流充電;當Ib＜Iset且dP/dD＜0時，PI恒流充電切換為MPPT充電。以上判據是在希望光伏電池工作在最大功率點左側時推導的。如果希望系統工作在最大功率點右側，則判據應改為當Ib＞Iset且dP/dD＜0時，MPPT切換為PI恒流充電;當Ib＜Iset且dP/dD＞0時，PI恒流充電切換為MPPT充電。

結合MPPT的PI恒流充電算法流程如圖3所示。

圖3 MPPT與PI恒流充電流程圖Fig.3 Flowchart of MPPT and PI constant charging process

2.2 恒壓充電階段

當快速充電進行一段時間后，蓄電池根據端電壓變化適時進入恒壓充電階段。此時，充電器的控制對象為蓄電池的端電壓，并且通過恒壓算法穩定蓄電池電壓，從而實現恒壓充電。與恒流充電情況類似，日照不足時同樣會出現不能維持給定電壓的情況，也需要從PI恒壓充電算法切換為MPPT充電。切換判據與恒流充電類似，只是控制對象換為充電電壓，即PI恒壓充電切換為MPPT的判據為充電電壓Ub＜Uset，且dP/dD＜0;MPPT切換為PI恒壓充電的判據為Ub＞Uset且dP/dD＞0。隨著恒壓充電的進行，充電電流逐漸減小，并最終小于浮充轉換電流，此時應切換為浮充充電。

由于浮充充電算法與恒壓充電算法類似，只是電壓設定值不同，因此二者判據一致，不再贅述。

3 仿真研究

為了驗證算法的效率和正確性，在Simulink中分別對太陽能電池、DC/DC變換器等進行了建模，開發了MPPT模塊，恒流、恒壓充電算法模塊并進行了仿真驗證。仿真模型如圖4所示。

圖4 仿真模型Fig.4 Simulation model

為了驗證算法的正確性，對日照突然增強和突然減弱兩種情況進行仿真。日照強度S的變化情況如下:

結合MPPT的PI恒流充電仿真波形如圖5所示。

圖5 充電仿真波形Fig.5 The simulation waveform of charging

4 結束語

在研究光伏系統特點的基礎上，分析了基于PI算法的三段式充電方法的不足之處，提出了將MPPT與PI算法相結合的方法，并重點研究了MPPT和PI恒流、恒壓算法之間的切換判據。該判據簡單方便，容易實現，提高了充電效率。通過Matlab仿真試驗，驗證了該方案的可行性和正確性。

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