光伏系統中蓄電池充電過程的建模與仿真

趙躍華　胡霄

摘 要： 蓄電池的充放電管理一直是其控制器的關鍵.為提高光伏系統中蓄電池的充電效率，延長蓄電池使用壽命，采用脈寬調制的三段式充電策略（快速充電、脈沖式恒壓充電及浮充電），利用MATLAB/Simulink軟件平臺對整個系統進行建模并仿真，為光伏系統中蓄電池的充放電管理提供了參考與依據.仿真結果驗證了系統仿真模型的可用性和通用價值以及蓄電池控制策略的可行性和合理性，并表明在此蓄電池管理策略下可提高蓄電池充電效率，延長其使用壽命.

關鍵詞： 光伏； 蓄電池； 脈沖式充電； MATLAB/Simulink軟件； 建模仿真

中圖分類號： TM 91 文獻標志碼： A

由于太陽能具有隨機和間斷特性，獨立光伏系統要實現連續穩定的電力供應，需采用必要的能源存儲設備[1].蓄電池作為獨立光伏發電系統中的儲能設備，起著非常重要的作用.從蓄電池使用角度看，影響蓄電池使用壽命的主要因素有：熱失控、過充電、過放電、長期處于低荷電狀態（State of charge，SOC）等[2-3].

光伏系統中蓄電池充放電次數頻繁，與其在一般應用領域的情況相比，具有了一些新特點[2]：①由于光伏系統中光伏電能的有限性、隨機性和間斷性以及負載需求的隨機性，光伏電能難以持續滿足傳統蓄電池充電規律的要求；②光照的季節性變化和連續陰天易造成蓄電池的深度放電，且放過電后也難以在短期內再次充滿，從而使其長期處于低SOC；③充電倍率低，且充電周期較短[4].光伏系統很少能高效快速地為蓄電池充滿電，蓄電池往往會處于欠充電狀態.因此，在光伏發電系統中，不恰當的蓄電池充放電控制策略將大大縮短蓄電池的使用壽命，從而使蓄電池成為光伏系統中最易損壞的部件[2].

光伏系統中的蓄電池充放電控制策略，既要盡可能快并有效地為蓄電池充電，又要能避免蓄電池處于長期欠充電狀態，延長蓄電池的使用壽命.文獻[5]在光伏系統中使用了帶有最大功率點跟蹤（MPPT）的傳統恒流、恒壓及浮充電的三階段控制策略；文獻[4]采用了變電流充電和恒壓充電的二階段控制策略；文獻[6]表明脈沖充電能降低充電過程中蓄電池的出氣率，有效緩和甚至消除蓄電池在充電過程中的極化反應，提升蓄電池的可接受充電電流及充電效率，并能預防甚至修復蓄電池的硫化結晶現象.本文鑒于光伏電能的不穩定性，以及蓄電池的充放電特性，設計了一種基于脈寬調制并具有溫度補償的三階段蓄電池充電控制策略（快速充電、脈沖式恒壓充電、浮充電），在脈沖式恒壓充電階段通過提供脈沖式電流的方式對蓄電池充電，以有效地將充電電壓維持在一個恒定值，從而降低蓄電池極板間的壓差，緩解蓄電池的極化反應，大幅降低蓄電池產生結晶的概率，提升蓄電池的充電效率，并延長其使用壽命；同時為了適應環境溫度變化對蓄電池充電特性的影響，控制策略考慮對充電電壓進行溫度補償.

此外，本文在建立光伏電池模型和蓄電池模型的基礎上，進一步加入蓄電池充電控制算法，使用MATLAB/Simulink軟件搭建了完整的光伏-蓄電池充電系統的仿真模型并進行仿真，同時對模型的運行性能及仿真結果進行了分析.

1 系統模型建立

1.1 系統整體結構

系統整體結構框圖如圖1所示，其中：金屬氧化物半導體（MOS）開關管為充電回路的開關，當其導通時，充電回路接通，反之，充電回路斷開；脈寬調制（PWM）信號則是由控制器輸出并用以控制MOS開關管開關狀態的電脈沖.控制器對光伏板端電壓、蓄電池端電壓及環境溫度進行采集.當光伏板端電壓大于蓄電池端電壓時，啟動基于三階段蓄電池充電控制策略，系統通過控制器驅動MOS開關管，對蓄電池的有效充電電壓和電流進行調節，以實現對蓄電池的全程充電控制.

1.2 控制器仿真模型

系統的控制器仿真模型如圖2所示.模型以充電過程中的蓄電池端電壓Ucharge及環境溫度T為輸入.為便于觀測以占空比D和PWM信號為輸出.圖2中：ΔD為占空比變化步長；Kt為充電電壓的溫度補償系數（以25℃為基準）；Uc和Uf分別為基準溫度時恒壓充電和浮充電的電壓設定值，且滿足溫度補償公式U′c=Uc+Kt（T-25）及U′f=Uf+Kt（T-25）；In Mean則用于計算Ucharge的平均值.

整個充電過程中，控制器不斷將Ucharge與U′c進行比較，從而產生相應的占空比，并通過三角載波產生對應的PWM信號.在快速充電階段，由于Ucharge小于U′c，占空比為100%；而當Ucharge達到U′c時，系統轉為脈沖恒壓充電，便不斷調節占空比，將Ucharge維持在U′c，具體是當Ucharge高于U′c，將降低ΔD，反之，則提高ΔD.當占空比減小到10%后，蓄電池容量基本飽和，系統則轉為浮充電階段，利用微弱電流使Ucharge維持在U′f，即維持蓄電池的飽和狀態.

1.3 系統仿真模型

對上述各部分仿真模型進行封裝與對接，建立完整的系統仿真模型，如圖3所示.其中：T為輸入模型的溫度；G為輸入模型的光照強度；Vpv為光伏電池的輸入電壓；連接端DC_INPUT+和DC_INPUT-分別為用于連接光伏陣列模型輸出電流Ipv的正負極的正負連接端子；DC_OUTPUT+和DC_OUTPUT-則分別為用于連接蓄電池模型的正負極正負連接端子；示波器1、2用于觀測占空比D、蓄電池端電壓、電流及SOC。

2 仿真實驗與結果分析

仿真中使用FM/BB1255T鉛酸蓄電池與YL080P-17b2/3光伏陣列.該光伏陣列參數及其它系統仿真參數如表1所示.

圖4～7均為光照強度為1000 W·m-2、溫度為25℃的標準條件下得到的仿真結果，其中：圖4為蓄電池由50%SOC充電至95%SOC（基本飽和）的蓄電池端電壓曲線；圖5為脈沖恒壓充電階段充電占空比的變化曲線.由圖4、5可看出，當

蓄電池電壓未達到設定的14.2 V時，系統將光伏

輸出電流全部輸入蓄電池為其快速充電，而當蓄電池電壓升至14.2 V（蓄電池容量升至約80%）后，系統轉為脈沖式恒壓充電，充電占空比不斷減小.這時充電電流隨之減小，符合蓄電池充電后期

的特性，且蓄電池的端電壓有效值被維持在14.2 V，避免了充電后期電流過大、過高溫升或過充電對蓄電池的損傷，延長了蓄電池的使用壽命.

圖6為脈沖式恒壓充電過程中充電占空比分別為80%和50%時的蓄電池端電壓曲線.由圖可看出，此階段充電過程為充電與停充不斷交替的過程，在蓄電池停充時蓄電池極板間壓差驟降，因此，極化反應得到緩和，蓄電池的可接受充電電流也得到提升，從而提高了充電效率.

圖6（a）中占空比D為80%，蓄電池停充時端電壓U0和充電時端電壓U1的測量值分別為14.100 V和14.225 V，則充電電壓有效值為Uavr=（1-D）U0+DU1=14.2 V；圖6（b）中占空比D為50%，蓄電池停充時端電壓U0和充電時端電壓U1的測量值分別為14.138 V和14.263 V，則充電電壓

有效值為Uavr=（1-D）U0+DU1=14.2 V，由此可見，

在不同占空比下此階段滿足了恒壓（設定的14.2 V）的充電要求.

圖7（a）為系統在25℃條件下光照強度由1 000 W·m-2降為800 W·m-2后占空比的仿真變化曲線；圖7（b）為系統光照強度為1 000 W·m-2時溫度由25℃降為23℃后占空比的仿真變化曲線（兩圖的環境條件變化時刻均設定在占空比降為50%時）.圖7（a）與7（b）中變化時刻的占空比測量值分別為63.9%和80.2%.

通過仿真實驗，由示波器1可測得，光照條件變化時刻的光伏輸出電流Ipv=3.91 A；溫度條件變化時刻的光伏輸出電流Ipv=4.91 A，然后，由Uc+Kt（T-25）=（1-D）U0+DU1得D=[Uc-U0+Kt（T-25）]/（U1-U0）=[Uc-U0+Kt（T-25）]/（Ir），其中：I為蓄電池的充電電流，且I=Ipv；r為電阻.利用該公式計算，光照變化后，新的占空比D′=63.9%；溫度變化后，新的占空比D′=80.2%，它們分別與圖7（a）和圖7（b）的占空比測量值相符合.由圖7可看出，無論溫度或光照強度如何變化，該系統均能對充電占空比進行迅速調整以使充電過程保持穩定，大為降低了環境條件變化對蓄電池壽命的影響.

3 結 論

本文針對光伏系統的特點，設計了蓄電池充電控制策略，在MATLAB/Simulink軟件環境中搭建了光伏蓄電池系統的仿真模型，并對整個系統進行了仿真分析.從仿真結果可看出，系統的充放電策略合理，充電后期電流不斷下降，符合蓄電池的充電特性，并通過脈沖式電流緩沖充電過程中的極化反應，提升了充電效率，大大降低了蓄電池出氣率，延長了蓄電池使用壽命.即使在環境變化的條件下，該系統仍能快速準確地調整充電占空比以維持對蓄電池充電的穩定.該仿真系統能正常運行且具有一定的通用性.

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