風光互補發電系統蓄電池充放電控制研究

彭金銀 朱香瑾

（海南科技職業大學）

0 引言

風光互補發電系統蓄電池的充電主要是依靠風能和太陽能資源，由于太陽能和風能隨天氣變化較大而導致風光互補發電系統的輸出電能有較大變化，所以風光互補發電系統對蓄電池充放電控制，主要考慮兩個方面：①在系統輸出電能充足的情況下，控制蓄電池充滿即止；②在系統輸出電能不足的情況下，及時向負載放電，蓄電池容量小于額定容量的30%時，停止放電。

目前，較為常用的蓄電池充放電方法主要有恒流恒壓充電法、四階段充電法、脈沖充電法、涓流充電法、電流遞減充電法、恒流放電法、功率恒定放電法。在對上述幾種充放電方法分析研究的基礎上，本文通過對電流遞減充電法加以改進后對蓄電池進行充電，改進的原則是在保護蓄電池的前提下縮短蓄電池的充電時間，此改進充電方法的根本在于判斷蓄電池剩余容量（SOC）的變化率，SOC 的變化率越高，充電時間就越短。

本文中將SOC 的變化率由原來的80% 改進為90%，然后通過估算SOC 來確定充電過程的切換，再通過測量相鄰階段充電電流I的大小后計算蓄電池的充電倍率C，最后利用公式計算出放電倍率C的衰減系數β值。

1 衰減系數β 值的計算和剩余容量SOC 估算

1.1 β 值的計算

當采用恒流給蓄電池進行充電時，蓄電池的容量會受到限制，只能到達某一特定值，如果繼續充電超過這個特定值時蓄電池內部會產生大量氣體，進而快速使蓄電池溫度升高，但如果使得充電電流在充電過程中以指數形式逐漸降低的話，蓄電池所產生的氣體就會大大減少，溫度不會上升過快。蓄電池充電電流與充電時間的關系為：。i為蓄電池在某一時刻t所接受的充電電流；Io為蓄電池起始充電時可接受的電流；α為充電接受比，其值為起始充電電流與可充電量的比值。

在充電過程中，如果蓄電池不存在反向放電而且是遵循充電接受特性規律，充電接受比α可由下式計算：。式中，Ct為t時刻電池的充入容量。

對鉛酸蓄電池以恒定電流0.2C進行充電時，其容量只能到達80%，如果繼續再充，蓄電池就會因產生大量氣體而導致溫度快速升高。本系統起始恒定充電電流設為20A，充電至額定容量80%時轉為新充電過程，則新充電過程的起始電流為I0'為20A，剩余充入容量C'為0.2C，新充電接受比α1為：

新充電過程中，充電電流i'為：

設tk時對蓄電池充電從0.8C開始，到tk1時容量到0.9C，蓄電池容量增加了0.1C，由上式可求得tk1時刻蓄電池可接受充電電流i'k1為：

所以將充入容量C3的充電電流設為10A，則放電倍率C的衰減系數β為：。依此類推，蓄電池充入容量C2的充電電流為5A。

1.2 剩余容量SOC 估算

蓄電池的剩余容量SOC 估算的研究方法主要有：安時法、線性模型、卡爾曼濾波器和神經網絡等。本文中為了降低SOC 的測算復雜度且兼顧一定的精度，對SOC 的估算采用蓄電池常用模型CIEMAT 中加以修正的安時法。

蓄電池在充電時，其充電效率ηc與蓄電池的剩余容量SOC 有關，放電時的ηc=1。充電時有：

放電時有：

由上式可知，在蓄電池的充放過程中，測出蓄電池工作電流便可以估算SOC。

本文蓄電池SOC 估算采用開路電壓法，下表是本系統采用Trojan T-105 型號蓄電池的開路電壓與SOC 的關系。

表 Trojan T-105 型蓄電池開路電壓與SOC 關系

2 充放電控制電路設計

本文充放電主回路采用雙向半橋拓撲結構的DC/DC 變換器，其拓撲結構如圖1 所示。

圖1 拓撲結構圖

該變換器在工作時，任意時刻都只有一個晶閘管被導通，以PWM 方式進行工作，其正反向工作分別為Buck 和Boost 模式。當檢測到蓄電池未充滿電時，系統母線通過變換器給蓄電池充電。

3 充放電控制程序設計

3.1 充電控制程序設計

充電控制的任務主要是對蓄電池進行電流遞減充電控制，其根據SOC 的估算值來計算蓄電池的充電初始倍率C的值，再通過測量蓄電池工作的環境溫度Ta來計算當前可允許的蓄電池最大充電電壓Vbat,max。充電控制程序設計流程如圖2 所示。

圖2 充電控制程序設計流程

3.2 放電控制程序設計

放電控制以保護蓄電池和節約電能為原則，通過判斷母線電壓U是否低于其下限值0.8U，如U低于0.8U且蓄電池SOC ≥30%時控制蓄電池進行放電；如25%＜SOC ＜30%，則電路系統開始報警，蓄電池停止放電；如SOC ＜25%時，開始對蓄電池進行充電。放電控制程序設計流程如圖3 所示。

圖3 放電控制程序設計流程

4 仿真結果分析

仿真步驟：①計算tk時刻的蓄電池容量C(tk)；②計算tk時刻充放電時的SOC(tk)；③估算蓄電池端電壓U。

結果分析：當系統對蓄電池充電時，為了不讓蓄電池出現過充現象，取SOC 的值為0.98。其仿真結果顯示：當時間t=0.6s 時，充電電流為20A；當時間t=0.4s 時，充電電流由20A 變為10A 時，SOC的值為0.8；當時間t=0.35s 時，充電電流再由10A變為5A 時，SOC 的值為0.9。

當蓄電池放電時，其仿真結果顯示：當t＞0.5s時，母線電壓為400V 基本保持不變，放電電流為25A，放電時間t約為3.9h，其結果與蓄電池的放電特性相吻合。

5 結束語

由上述仿真數據分析可知，改進后的蓄電池充放電控制方法通過判斷蓄電池剩余容量（SOC）的變化率對蓄電池進行充放電控制，對風光互補發電系統的蓄電池組充放電控制起到較好的效果，不僅保護蓄電池，而且有效縮短蓄電池的充電時間，對蓄電池充放電控制研究具有一定的借鑒意義。