由于太阳能具有随机和间断特性,独立光伏系统要实现连续稳定的电力供应,需采用必要的能源存储设备^[1].蓄电池作为独立光伏发电系统中的储能设备,起着非常重要的作用.从蓄电池使用角度看,影响蓄电池使用寿命的主要因素有:热失控、过充电、过放电、长期处于低荷电状态(State of charge,SOC)等^{[2, 3]}.

光伏系统中蓄电池充放电次数频繁,与其在一般应用领域的情况相比,具有了一些新特点^[2]:①由于光伏系统中光伏电能的有限性、随机性和间断性以及负载需求的随机性,光伏电能难以持续满足传统蓄电池充电规律的要求;②光照的季节性变化和连续阴天易造成蓄电池的深度放电,且放过电后也难以在短期内再次充满,从而使其长期处于低SOC;③充电倍率低,且充电周期较短^[4].光伏系统很少能高效快速地为蓄电池充满电,蓄电池往往会处于欠充电状态.因此,在光伏发电系统中,不恰当的蓄电池充放电控制策略将大大缩短蓄电池的使用寿命,从而使蓄电池成为光伏系统中最易损坏的部件^[2].

光伏系统中的蓄电池充放电控制策略,既要尽可能快并有效地为蓄电池充电,又要能避免蓄电池处于长期欠充电状态,延长蓄电池的使用寿命.文献^[5]在光伏系统中使用了带有最大功率点跟踪(MPPT)的传统恒流、恒压及浮充电的三阶段控制策略;文献^[4]采用了变电流充电和恒压充电的二阶段控制策略;文献^[6]表明脉冲充电能降低充电过程中蓄电池的出气率,有效缓和甚至消除蓄电池在充电过程中的极化反应,提升蓄电池的可接受充电电流及充电效率,并能预防甚至修复蓄电池的硫化结晶现象.本文鉴于光伏电能的不稳定性,以及蓄电池的充放电特性,设计了一种基于脉宽调制并具有温度补偿的三阶段蓄电池充电控制策略(快速充电、脉冲式恒压充电、浮充电),在脉冲式恒压充电阶段通过提供脉冲式电流的方式对蓄电池充电,以有效地将充电电压维持在一个恒定值,从而降低蓄电池极板间的压差,缓解蓄电池的极化反应,大幅降低蓄电池产生结晶的概率,提升蓄电池的充电效率,并延长其使用寿命;同时为了适应环境温度变化对蓄电池充电特性的影响,控制策略考虑对充电电压进行温度补偿.

此外,本文在建立光伏电池模型和蓄电池模型的基础上,进一步加入蓄电池充电控制算法,使用MATLAB/Simulink软件搭建了完整的光伏-蓄电池充电系统的仿真模型并进行仿真,同时对模型的运行性能及仿真结果进行了分析.

1 系统模型建立 1.1 系统整体结构

系统整体结构框图如图 1所示,其中:金属氧化物半导体(MOS)开关管为充电回路的开关,当其导通时,充电回路接通,反之,充电回路断开;脉宽调制(PWM)信号则是由控制器输出并用以控制MOS开关管开关状态的电脉冲.控制器对光伏板端电压、蓄电池端电压及环境温度进行采集.当光伏板端电压大于蓄电池端电压时,启动基于三阶段蓄电池充电控制策略,系统通过控制器驱动MOS开关管,对蓄电池的有效充电电压和电流进行调节,以实现对蓄电池的全程充电控制.

图 1

Fig. 1

图 1 系统整体结构框图 Fig. 1 Block diagram of the system

系统的控制器仿真模型如图 2所示.模型以充电过程中的蓄电池端电压U_charge及环境温度T为输入.为便于观测以占空比D和PWM信号为输出.图 2中:ΔD为占空比变化步长;K_t为充电电压的温度补偿系数(以25℃为基准);U_c和U_f分别为基准温度时恒压充电和浮充电的电压设定值,且满足温度补偿公式U′_c=U_c+K_t(T-25)及U′_f=U_f+K_t(T-25);In Mean则用于计算U_charge的平均值.

图 2

Fig. 2

图 2 控制器仿真模型 Fig. 2 Simulation model of the controller

整个充电过程中,控制器不断将U_charge与U′_c进行比较,从而产生相应的占空比,并通过三角载波产生对应的PWM信号.在快速充电阶段,由于U_charge小于U′_c,占空比为100%;而当U_charge达到U′_c时,系统转为脉冲恒压充电,便不断调节占空比,将U_charge维持在U′_c,具体是当U_charge高于U′_c,将降低ΔD,反之,则提高ΔD.当占空比减小到10%后,蓄电池容量基本饱和,系统则转为浮充电阶段,利用微弱电流使U_charge维持在U′_f,即维持蓄电池的饱和状态.

对上述各部分仿真模型进行封装与对接,建立完整的系统仿真模型,如图 3所示.其中:T为输入模型的温度;G为输入模型的光照强度;V_pv为光伏电池的输入电压;连接端DC_INPUT+和DC_INPUT-分别为用于连接光伏阵列模型输出电流I_pv的正负极的正负连接端子;DC_OUTPUT+和DC_OUTPUT-则分别为用于连接蓄电池模型的正负极正负连接端子;示波器1、2用于观测占空比D、蓄电池端电压、电流及SOC。

图 3

Fig. 3

图 3 光伏-蓄电池系统仿真模型 Fig. 3 Simulation model of the PV-Battery system

仿真中使用FM/BB1255T铅酸蓄电池与YL080P-17b2/3光伏阵列.该光伏阵列参数及其它系统仿真参数如表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 系统仿真参数 Tab. 1 Simulation parameters of the system 类型 参数 数值 铅酸蓄电池参数 标称电压 12 V 额定容量 55 AH 内阻r 0.025 Ω 光伏阵列参数 最大功率Pm 80 W 开路电压Voc 22 V 短路电流Isc 5.04 A 最大功率点电压Vm 17 V 最大功率点电流Im 4.71 A 充电参数(温度25℃) 恒压充电电压Uc 14.2 V 浮充电电压Uf 13.8 V 温度补偿系数Kt(针对12 V蓄电池) -18 mV·℃-1 其它参数 PWM信号频率fPWM 4 kHz 占空比变化步长ΔD 0.39%

表 1 系统仿真参数 Tab. 1 Simulation parameters of the system

图 4~7均为光照强度为1000 W·m^-2、温度为25℃的标准条件下得到的仿真结果,其中：图 4为蓄电池由50%SOC充电至95%SOC(基本饱和)的蓄电池端电压曲线;图 5为脉冲恒压充电阶段充电占空比的变化曲线.由图 4、5可看出,当 蓄电池电压未达到设定的14.2 V时,系统将光伏 输出电流全部输入蓄电池为其快速充电,而当蓄电池电压升至14.2 V(蓄电池容量升至约80%)后,系统转为脉冲式恒压充电,充电占空比不断减小.这时充电电流随之减小,符合蓄电池充电后期的特性,且蓄电池的端电压有效值被维持在14.2 V,避免了充电后期电流过大、过高温升或过充电对蓄电池的损伤,延长了蓄电池的使用寿命.

图 4

Fig. 4

图 4 50%SOC充电至95%SOC蓄电池端电压曲线 Fig. 4 The battery voltage curve when the SOC changes from 50% to 95%

图 5

Fig. 5

图 5 脉冲恒压充电过程中占空比变化曲线 Fig. 5 The duty cycle curve in the process of the constant voltage changing with pulses

图 6

Fig. 6

图 6 占空比分别为80%和50%时蓄电池端电压曲线 Fig. 6 The battery voltage curves when the SOC is 80% or 50%

图 7

Fig. 7

图 7 光照、温度变化时占空比变化曲线 Fig. 7 The duty cycle curves when the light or temperature changes

图 6为脉冲式恒压充电过程中充电占空比分别为80%和50%时的蓄电池端电压曲线.由图可看出，此阶段充电过程为充电与停充不断交替的过程,在蓄电池停充时蓄电池极板间压差骤降,因此，极化反应得到缓和,蓄电池的可接受充电电流也得到提升,从而提高了充电效率.

图 6(a)中占空比D为80%,蓄电池停充时端电压U₀和充电时端电压U₁的测量值分别为14.100 V和14.225 V,则充电电压有效值为U_avr=(1-D)U₀+DU₁=14.2 V;图 6(b)中占空比D为50%,蓄电池停充时端电压U₀和充电时端电压U₁的测量值分别为14.138 V和14.263 V,则充电电压 有效值为U_avr=(1-D)U₀+DU1=14.2 V,由此可见, 在不同占空比下此阶段满足了恒压(设定的14.2 V)的充电要求.

图 7(a)为系统在25℃条件下光照强度由1 000 W·m^-2降为800 W·m^-2后占空比的仿真变化曲线;图 7(b)为系统光照强度为1 000 W·m^-2时温度由25℃降为23℃后占空比的仿真变化曲线(两图的环境条件变化时刻均设定在占空比降为50%时).图 7(a)与7(b)中变化时刻的占空比测量值分别为63.9%和80.2%.

通过仿真实验,由示波器1可测得,光照条件变化时刻的光伏输出电流I_pv=3.91 A;温度条件变化时刻的光伏输出电流I_pv=4.91 A,然后,由U_c+K_t(T-25)=(1-D)U₀+DU₁得D=[U_c-U₀+K_t(T-25)]/(U₁-U₀)=[U_c-U₀+K_t(T-25)]/(Ir),其中:I为蓄电池的充电电流,且I=I_pv;r为电阻.利用该公式计算,光照变化后,新的占空比D′=63.9%;温度变化后,新的占空比D′=80.2%,它们分别与图 7(a)和图 7(b)的占空比测量值相符合.由图 7可看出,无论温度或光照强度如何变化,该系统均能对充电占空比进行迅速调整以使充电过程保持稳定,大为降低了环境条件变化对蓄电池寿命的影响.

3 结 论

本文针对光伏系统的特点,设计了蓄电池充电控制策略,在MATLAB/Simulink软件环境中搭建了光伏蓄电池系统的仿真模型,并对整个系统进行了仿真分析.从仿真结果可看出,系统的充放电策略合理,充电后期电流不断下降,符合蓄电池的充电特性,并通过脉冲式电流缓冲充电过程中的极化反应,提升了充电效率,大大降低了蓄电池出气率,延长了蓄电池使用寿命.即使在环境变化的条件下,该系统仍能快速准确地调整充电占空比以维持对蓄电池充电的稳定.该仿真系统能正常运行且具有一定的通用性.