随着能源与环境问题的日益突出,新能源的开发与应用日益受到国际社会的广泛关注.作为传统的新能源产业,风能与太阳能已成为新能源领域技术最成熟、最具产业化和规模化的行业.同时,风光互补发电系统亦存在资源的间断不平衡性﹑不稳定性的特点,需要配备相应的储能设备保证系统供电的稳定性与持续性.因此,储能系统的好坏将直接影响到风光互补发电系统的整体性能^[1]. 1 风光互补发电系统组成

典型的风光互补发电系统总体结构如图 1所示,其中:U_s为太阳能电池板的输出电压;U_w为风机的输出电压;U_o为经前级DC/DC转换后风光互补系统的输出电压.其总体结构主要由电能产生单元、系统控制单元、前级DC/DC变换单元、后级逆变单元以及储能单元组成.

图 1

Fig. 1

图 1 风光互补发电系统总体结构 Fig. 1 Schematic diagram of wind-solar hybrid power generation system

由于风光互补发电系统的多变性,风光互补发电也具有能量密度低、稳定性差和随机性大的特点,容易造成供电不连续和电能质量波动,因此一般需要配置相应容量的储能设备维持系统的稳定性^[2].

储能单元在风光互补发电系统中的作用主要有:

(1) 将风光互补发电系统所产生的部分能量有效地存储起来,使能源得到充分的存储与利用.

(2) 改善电能质量,维持系统的稳定.在风光互补发电系统中,太阳光照强度与风速的变化都会使系统的能量输出不稳定,造成电能质量波动.储能设备的加入可改善风光互补发电系统输出电压质量,解决电压跌落、供电中断等电能质量问题.

(3) 在风机与光伏电池同时无法正常工作,不能正常提供电能时,储能装置可以起到过渡作用,为系统提供相应电能以保证系统工作的连续性.

因此,储能系统的好坏将直接影响到风光互补发电系统的性能.在实际的风光互补发电系统中,储能单元又是最易受损﹑消耗的部分.获得最佳的储能系统成为风光互补发电系统设计的重要组成部分^[3].

2 铅酸蓄电池多阶段充电控制策略

由于风光互补发电系统具有随机性和不稳定性的缺点,因此,采用传统的铅酸蓄电池充电方法^[4],如恒流充电﹑恒压充电,会降低蓄电池的充电效率,甚至造成蓄电池充不满电的现象,严重影响风光互补发电系统的整体性能^[5].因此,本文在基于小型风光互补发电系统特点的基础上,将铅酸蓄电池的充电过程分为四个阶段:激活充电(涓流充电)、主阶段MPPT(基于最大功率跟踪)充电、均衡恒压限流充电和浮充充电(小电流保持).四个阶段充电曲线如图 2所示^{[6, 7]}，其中:U为蓄电池的充电电压;I为蓄电池的充电电流;T₀-T₁、T₁-T₂、T₂-T₃、T₃-T₄依次为四个阶段的持续时间.

图 2

Fig. 2

图 2 蓄电池四个阶段充电曲线 Fig. 2 Four-stage battery charging diagram

蓄电池各阶段充电控制策略为^[8]: 2.1 激活充电

当对铅酸蓄电池进行充电时,控制系统首先开始采集风光互补发电系统输出端的端电压,选择合适的电能供给系统对蓄电池进行充电,同时对蓄电池的端电压进行采集.如果蓄电池的端电压低于某一限定电压值,则开启激活充电模式,同时说明蓄电池处于深度放电状态或可能处于受损状态.为避免充电电流过大造成“热失控”,在本阶段实行小电流激活模式,这样有利于激活蓄电池内反应物质,部分恢复受损的蓄电池单元.在激活充电阶段,蓄电池端电压开始缓慢上升.当蓄电池端电压上升到能接受大电流充电的阈值时转入第二阶段的充电过程. 2.2 主阶段MPPT充电

本文所设计的小型风光互补发电系统中风力发电系统与太阳能发电系统是两个独立的发电模块,可进行单独的充电控制.风力发电系统受风速影响波动性比较强,光伏发电系统相对比较稳定,因此在充电过程中优先选用光伏发电系统作为蓄电池的基础充电系统.只要最大功率下的输出电流小于蓄电池可以接受的最大充电电流,则采用基于最大功率点的充电方式;如果风机和太阳能电池板所提供的充电电流大于蓄电池所能接受的最大充电电流,则开启风机卸载电路,舍弃一部分风机功率,维持充电电流不超过蓄电池最大充电电流.随着充电的进行,蓄电池端电压将逐渐升高,当达到规定阈值电压时,停止基于主阶段的蓄电池充电策略,转入下一充电阶段. 2.3 均衡恒压限流充电

在此阶段,蓄电池仍未充满(蓄电池容量约为80%),但是为了避免充电电流过大造成电池极化,对蓄电池采用恒压充电方式.随着蓄电池容量增加,充电电流将逐渐减小.当达到浮充充电流阈值时(约为0.01~0.015 C),则表示蓄电池已基本充满.此时,均衡恒压限流充电模式结束,转入下一充电阶段. 2.4 浮充充电

在浮充充电阶段,蓄电池已基本处于充满状态.在此阶段继续采用恒压控制(充电电压稍低 于均充电时电压)模式,以恒压小电流促进蓄电池的氧复合循环,补偿前级蓄电池瞬时大电流及自放电所造成的电池容量的损失,提高蓄电池的性能及使用寿命. 3 蓄电池多阶段充电控制策略仿真

为了验证设计思路的可实施性和正确性,本文基于Matlab软件的Simulink仿真平台构建相应的蓄电池多阶段充电控制策略仿真实验平台^[9].

设计中采用48 V铅酸蓄电池作为风光互补发电系统的储能装置.在蓄电池四阶段充电仿真实验中,设定蓄电池初始电压为44 V,MPPT充电阶段开始时阈值电压设定为46 V,在MPPT充电阶段充电电流设定为4.5 A,恒压阶段电压阀 值设定为55 V.蓄电池四阶段充电电路仿真波形如图 3所示,其中t为蓄电池充电时间.

图 3

Fig. 3

图 3 蓄电池四阶段充电电路仿真电压、电流波形 Fig. 3 Voltage and current in four-stage battery charging process

从图 3可以看出,蓄电池充电时,基本可以按照所设定的充电策略进行.当达到相应充电阶段的阈值电压时,可以平缓地过渡到下一充电阶段.因此,蓄电池四阶段充电策略基本可以保证对蓄电池进行平稳的充电,实现各阶段的有序切换,验证了该充电策略的正确性. 4 实验分析与验证

由于蓄电池容量相对比较大,完成一次完整的充电过程需要相当长的时间,这对数据采集工作带来了很大的不便.因此,本实验中,在天气晴朗时采用太阳能电池板对蓄电池进行充电^[10].实验对象为4块相互串联的12 V/20 Ah铅酸蓄电池.铅酸蓄电池充电实验所耗时间约为6 h,每隔 15 min对蓄电池端电压进行一次实验数据记录,实测数据如表 1所示.蓄电池充电过程中实测电流曲线如图 4所示.

表 1(Table 1)

表 1 蓄电池端电压实测数据 Tab. 1 Measured voltage of battery 测试时间 蓄电池端电压/V 测试时间 蓄电池端电压/V 测试时间 蓄电池端电压/V 测试时间 蓄电池端电压/V 09:00 45.2 11:15 49.1 13:30 54.8 15:45 57.0 09:15 45.4 11:30 50.0 13:45 55.3 16:00 57.2 09:30 45.6 11:45 50.6 14:00 55.7 16:15 57.3 09:45 45.8 12:00 51.4 14:15 56.0 16:30 57.4 10:00 46.1 12:15 51.9 14:30 56.2 16:45 57.5 10:15 46.5 12:30 52.6 14:45 56.5 17:00 57.5 10:30 46.8 12:45 53.2 15:00 56.6 10:45 47.6 13:00 53.7 15:15 56.7 11:00 48.5 13:15 54.3 15:30 56.9

表 1 蓄电池端电压实测数据 Tab. 1 Measured voltage of battery

图 4

Fig. 4

图 4 蓄电池充电电流波形图 Fig. 4 The waveform of battery charging current

从实验数据与实验波形中可以看出,蓄电池多阶段充电控制策略可以基本实现对蓄电池多阶段充电过程.在进行充电实验之前,铅酸蓄电池初始端电压为45 V.因此,开始时首先对蓄电池实行补充充电.随着端电压逐渐升高,开始以系统的最大输出功率对蓄电池进行充电,此时充电电流基本保持不变,蓄电池端电压开始以较快的速度上升.随着蓄电池端电压逐渐升高,充电过程将逐渐趋于平缓,此时充电电流将逐渐下降.总体来说,蓄电池多阶段充电控制策略基本可实现对蓄电池进行多阶段充电控制,在各充电阶段过渡过程中也可保证对蓄电池进行平稳的充电.蓄电池多阶段充电控制策略可保证在充电初期能激活修复蓄电池,使蓄电池更经久耐用,在蓄电池充电末期不过充,又能达到充满的目的.