儲能型光伏發電系統中蓄電池充電控制策略研究

孟彥京, 賈娟娟, 吳 輝

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

儲能型光伏發電系統中蓄電池充電控制策略研究

孟彥京, 賈娟娟, 吳 輝

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

蓄電池達不到理想的使用壽命是制約儲能型光伏發電技術廣泛應用的主要因素.基于MPPT理論研究和蓄電池充電特性，設計了雙級DC/DC變換器用于控制光伏充電系統，采用一種更為合理的充電控制策略，其依據在充電過程中檢測到的相關參數，使MPPT與階段式恒流充電相互轉換.對系統進行了仿真與實驗驗證，結果均表明該控制策略可在充電后期根據電池端電壓大小自動地切換充電方式，使蓄電池充電過程有了更高效的管理，延長了蓄電池的使用壽命.

光伏充電系統； 蓄電池； MPPT； 階段式恒流充電; 使用壽命

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

光伏發電因無污染、無噪音、隨處可用等優點，被廣泛關注和應用，儲能電池具有平滑功率、提供不間斷電源的作用，成為了光伏發電系統不可或缺的組成部分[1].但蓄電池的使用壽命遠遠達不到標定年限，增加了光伏系統的整體成本.

據相關資料表明，影響蓄電池(主要指免維護的鉛酸蓄電池)使用壽命的主要因素有：①環境溫度；②過度充放電；③板柵的腐蝕與增長；④浮充時間過長；⑤失水等[2-4]，其中③④⑤項的根本原因也是由過充電引起的，可見過充電是影響蓄電池使用壽命的一個主要因素.

本文在MPPT原理研究基礎上，通過控制使MPPT與階段式恒流充電跟據電池充電情況相互轉換，盡可能多的從光伏組件抽取能量給蓄電池且遵循蓄電池本身的充電規律，在充分利用光伏組件輸出能量的同時對蓄電池進行了高效管理，防止過充，可在一定程度上延長蓄電池的使用壽命.

1 MPPT原理與電池板選型

1.1 MPPT原理

太陽能電池和變換電路都是非線性的，在極短時間內按線性處理[5,6]，其等效轉換圖如圖1所示.

將太陽能電池板輸出等效為電壓源Vin，從太陽能端口看進去，虛線后Boost電路和負載可視為一個等效輸入電阻Req.

圖1 太陽能電池板和變換電路等效圖

Req=Vin/IL

(1)

假設圖1中Boost電路為理想電路.根據功率守恒可得：

ILVin=V02/R

(2)

Boost電路電壓傳遞關系：

V0=Vin/1-D

(3)

(3)式中D為開關管VF1的導通占空比；

將式(3)代入式(2)得：

ILVin=Vin2/(1-D)2R

即

Vin/IL=(1-D)2R

結合式(1)可得：

Req=(1-D)2R

(4)

將此系統中直流電壓源和串聯電阻在短時間內視為定值.則某一時刻負載R上的功率為：

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

(5)

即當且僅當Req=R0=(1-D)2R時，輸出功率最大.

由以上推導可知，通過調節開關脈沖的占空比D，可使從太陽能端口看進去的等效電阻Req值發生改變，當Req值等于太陽能電池內阻R0時，光伏電池輸出最大功率.圖2為負載一定時輸入占空比與等效阻抗關系曲線圖.

圖2 輸入占空比與等效阻抗關系曲線圖

根據圖1，可將系統中各項輸出參數都表示成以占空比D為自變量的函數：

(6)

(7)

根據公式(3)可得：

(8)

(9)

設VS=18 V，R=2 Ω，R0=0.4 Ω，可得關系曲線如圖3所示.

(a)太陽能電池板輸電壓、電流與占空比關系圖

(b)負載的電壓、電流隨占空比變化關系圖

(c)占空比與輸出功率關系圖圖3 占空比與各項輸出參數關系曲線圖

由圖3(a)可以看出，當負載一定時，太陽能輸出電壓隨占空比增大而減小，電流隨占空比增大而增大；圖3(b)為負載的電壓、電流隨占空比變化關系曲線；圖3(c)為占空比與輸出功率關系曲線，可以看出，光伏電池輸出功率隨占空比的變化呈單峰特性，峰值即為最大功率點[7-9]，當占空比在區間(0.35～0.45)內時輸出電壓基本穩定，負載電流也較大，此時太陽能電池板處于最大功率輸出狀態，MPPT控制方式如參考文獻[7]所示.

1.2 太陽能電池板選型

1.1節中所提穩壓是基于負載不變的情況而言的，不適用于負載不斷變化的系統，很多系統在應用中都接入了蓄電池，既能在負載變化時穩定電壓又能存儲能量，光伏系統給蓄電池合理充電是本文研究的關鍵問題.

本系統采用兩塊型號為6-QW-90的鉛酸蓄電池串聯，其額定電壓為12 V，額定容量為90 Ah，鉛酸電池相關參數標準規定最佳充電電流為0.12 C，則該電池最佳充電電流為10.8 A，選用額定電壓為18 V，額定功率為250 W的太陽能電池板，可提供的最大充電電流為：

I=250 W/24 V=10.4 A

不存在大電流充電，一定程度上保護了蓄電池.

2 充電系統結構與設計

工作在MPPT狀態下的單級DC/DC變換器只能使光伏發電系統產生最大功率，無法根據不同的充電階段對蓄電池采取不同的充電方式[10-12].本設計采用兩級DC/DC變換器，通過對前后級變換器使用不同的控制策略，控制光伏給蓄電池充電的過程，充電控制系統電路如圖4所示.

圖4 光伏給蓄電池充電控制系統電路圖

在圖4中，L1、VF1、VD1、C2構成前級Boost變換器，用于MPPT控制，C2、VF2、VD2、L2構成后級Buck變換器，對蓄電池的充電方式進行控制.

3 蓄電池充電控制策略

MPPT充電對充電電流缺乏控制，易造成蓄電池過充[13]，分段式恒流充電電池溫升低、失水少，可延長蓄電池使用壽命[14,15].為改善蓄電池充電特性，本文采用的充電控制策略具體實現方式如圖5所示.其中，U1為蓄電池端電壓，Iref為系統給定充電恒流值，初始Iref=10.3 A，Umax為恒流值遞減閾值電壓,UOCT為滿充電壓，IOCT為預設浮充臨界電流值.

(1)階段1(MPPT充電)

充電初期，系統待充電蓄電池端電壓較小，采用MPPT充電，可一直跟蹤太陽能電池板的最大功率點，以該條件下此電池板所能提供的最大電流對蓄電池進行充電.即在蓄電池端電壓沒有達到設定值Umax時，Buck變換器管子全通，蓄電池處于MPPT充電模式.

(2)階段2(階段式恒流充電)

當蓄電池端電壓達到預設值Umax，檢測此時光伏輸出功率P，若P

通過MPPT充電和階段式恒流充電的配合和切換，既可以充分利用太陽能，又可避免蓄電池過充電，且此系統中電流減小設定值可根據需要改變.

圖5 光伏發電系統充電策略流程圖

4 仿真實驗與結果分析

4.1 系統仿真

為驗證此充電策略的可行性和有效性，利用MATLAB對系統進行了仿真，仿真模型如圖6所示.

仿真中設置蓄電池額定電壓為24 V，額定容量為90 Ah，初始SOC為70%，恒流值遞減閾值電壓為28.4 V，滿充電壓為31 V，初始給定充電恒流值為10.3 A，浮充臨界電流值為4 A.光照強度初始值為600 W/m2，0.2 s時升到800 W/m2，0.3 s時又升到1 000 W/m2，仿真結果如圖7所示.

圖6 光伏充電系統仿真模型

(a)充電過程中系統各參數變化情況波形

(b)充電過程中電池參數變化情況波形圖7 光伏充電過程仿真結果

圖7(a)中Light為光照強度，U1為蓄電池端電壓，I1為Boost變換器輸出電流，I2為充電電流，由圖7(a)可知，隨光照強度上升，光伏輸出電流不斷增大，即此系統可較好地跟蹤最大功率點，因仿真時間短，電池端電壓在24.3 V左右基本不變，系統始終處于MPPT充電階段，以最大功率下的電流充電.

圖7(b)為電池參數變化情況波形.可以看出，充電過程中電池荷電百分比、電壓不斷上升，電池內部電流與充電電流一致，方向相反.整個仿真期間各參數的變化情況與理論值基本保持一致.

因仿真中電池端電壓變化緩慢，圖8(a)中給定U1、P信號，對恒流值遞減充電進行模擬；從圖8(b)可以看出，在0.005 s之前P

(a)恒流值遞減充電模擬仿真模型

(b)恒流值遞減充電模擬仿真波形圖8 充電階段2模擬仿真模型及結果

4.2 實驗驗證

實驗中采用1.2節所選型號太陽能電池板和電池，其他設定值與仿真一致.

測試中最高溫度26 ℃，從上午8點開始測，到下午18:20結束，測試中每10分鐘記錄一組數據.測量結果如圖9所示.

圖9 充電實驗中各參數隨時間變化波形

由圖9可以看出，13∶12之前系統一直處于MPPT充電模式，充電電流隨光照強度變大逐漸增大.13∶12時電池端電壓上升到28.4 V,且滿足P≥U1Iref，恒流值遞減的恒流充電階段開始了，電流穩定在10.3 V，14∶02時P

因實驗采用的舊電池放電不完全，電池初始荷電狀態為37.5%，充滿后達到99.93%，最終充入電量為1 390.25 wh.從實驗采集的數據可以看出，此充電策略實現了兩階段充電過程的轉換，方便節能，防止了蓄電池過充，可延長電池使用壽命.

5 結論

本文對MPPT工作原理進行了分析，根據蓄電池充電特性，設計了充電系統，采用了MPPT與階段式恒流充電相轉換的充電控制策略，該策略可根據光照和蓄電池端電壓的變化情況，快速地調整充電電流，防止過充.仿真和實驗結果均表明，此充電控制策略合理可行，既可充分利用能源，又能保護蓄電池，具有一定的實用價值.

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【責任編輯：陳佳】

Researchonchargingcontrolstrategyforbatteriesofphotovoltaicpowergenerationsystemwithstorage

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

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

2017-06-06

國家自然科學基金項目(51577110)； 陜西科技大學博士科研啟動基金項目(BJ12-30)

孟彥京 (1956-)，男，陜西咸陽人，教授，博士生導師，研究方向：電力電子與電力傳動、電機軟起動與新能源技術

2096-398X(2017)05-0173-05

TM912

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