光伏系統(tǒng)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(guān)鍵.為提高光伏系統(tǒng)中蓄電池的充電效率，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，采用脈寬調(diào)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(tái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模并仿真，為光伏系統(tǒng)中蓄電池的充放電管理提供了參考與依據(jù).仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)仿真模型的可用性和通用價(jià)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(zhǎng)其使用壽命.

關(guān)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(hào)： TM 91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

由于太陽能具有隨機(jī)和間斷特性，獨(dú)立光伏系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)，需采用必要的能源存儲(chǔ)設(shè)備[1].蓄電池作為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能設(shè)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(zhǎng)期處于低荷電狀態(tài)（State of charge，SOC）等[2-3].

光伏系統(tǒng)中蓄電池充放電次數(shù)頻繁，與其在一般應(yīng)用領(lǐng)域的情況相比，具有了一些新特點(diǎn)[2]：①由于光伏系統(tǒng)中光伏電能的有限性、隨機(jī)性和間斷性以及負(fù)載需求的隨機(jī)性，光伏電能難以持續(xù)滿足傳統(tǒng)蓄電池充電規(guī)律的要求；②光照的季節(jié)性變化和連續(xù)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(nèi)再次充滿，從而使其長(zhǎng)期處于低SOC；③充電倍率低，且充電周期較短[4].光伏系統(tǒng)很少能高效快速地為蓄電池充滿電，蓄電池往往會(huì)處于欠充電狀態(tài).因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，不恰當(dāng)?shù)男铍姵爻浞烹娍刂撇呗詫⒋蟠罂s短蓄電池的使用壽命，從而使蓄電池成為光伏系統(tǒng)中最易損壞的部件[2].

光伏系統(tǒng)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(zhǎng)期欠充電狀態(tài)，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命.文獻(xiàn)[5]在光伏系統(tǒng)中使用了帶有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的傳統(tǒng)恒流、恒壓及浮充電的三階段控制策略；文獻(xiàn)[4]采用了變電流充電和恒壓充電的二階段控制策略；文獻(xiàn)[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(yīng)，提升蓄電池的可接受充電電流及充電效率，并能預(yù)防甚至修復(fù)蓄電池的硫化結(jié)晶現(xiàn)象.本文鑒于光伏電能的不穩(wěn)定性，以及蓄電池的充放電特性，設(shè)計(jì)了一種基于脈寬調(diào)制并具有溫度補(bǔ)償?shù)娜A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(duì)蓄電池充電，以有效地將充電電壓維持在一個(gè)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(yīng)，大幅降低蓄電池產(chǎn)生結(jié)晶的概率，提升蓄電池的充電效率，并延長(zhǎng)其使用壽命；同時(shí)為了適應(yīng)環(huán)境溫度變化對(duì)蓄電池充電特性的影響，控制策略考慮對(duì)充電電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償.

此外，本文在建立光伏電池模型和蓄電池模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行仿真，同時(shí)對(duì)模型的運(yùn)行性能及仿真結(jié)果進(jìn)行了分析.

1 系統(tǒng)模型建立

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中：金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）開關(guān)管為充電回路的開關(guān)，當(dāng)其導(dǎo)通時(shí)，充電回路接通，反之，充電回路斷開；脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)則是由控制器輸出并用以控制MOS開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)的電脈沖.控制器對(duì)光伏板端電壓、蓄電池端電壓及環(huán)境溫度進(jìn)行采集.當(dāng)光伏板端電壓大于蓄電池端電壓時(shí)，啟動(dòng)基于三階段蓄電池充電控制策略，系統(tǒng)通過控制器驅(qū)動(dòng)MOS開關(guān)管，對(duì)蓄電池的有效充電電壓和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的全程充電控制.

1.2 控制器仿真模型

系統(tǒng)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(huán)境溫度T為輸入.為便于觀測(cè)以占空比D和PWM信號(hào)為輸出.圖2中：ΔD為占空比變化步長(zhǎng)；Kt為充電電壓的溫度補(bǔ)償系數(shù)（以25℃為基準(zhǔn)）；Uc和Uf分別為基準(zhǔn)溫度時(shí)恒壓充電和浮充電的電壓設(shè)定值，且滿足溫度補(bǔ)償公式U′c=Uc+Kt（T-25）及U′f=Uf+Kt（T-25）；In Mean則用于計(jì)算Ucharge的平均值.

整個(gè)充電過程中，控制器不斷將Ucharge與U′c進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生相應(yīng)的占空比，并通過三角載波產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào).在快速充電階段，由于Ucharge小于U′c，占空比為100%；而當(dāng)Ucharge達(dá)到U′c時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為脈沖恒壓充電，便不斷調(diào)節(jié)占空比，將Ucharge維持在U′c，具體是當(dāng)Ucharge高于U′c，將降低ΔD，反之，則提高ΔD.當(dāng)占空比減小到10%后，蓄電池容量基本飽和，系統(tǒng)則轉(zhuǎn)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(tài).

1.3 系統(tǒng)仿真模型

對(duì)上述各部分仿真模型進(jìn)行封裝與對(duì)接，建立完整的系統(tǒng)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(qiáng)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(fù)極的正負(fù)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(fù)極正負(fù)連接端子；示波器1、2用于觀測(cè)占空比D、蓄電池端電壓、電流及SOC。

2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)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(shù)及其它系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示.

圖4～7均為光照強(qiáng)度為1000 W·m-2、溫度為25℃的標(biāo)準(zhǔn)條件下得到的仿真結(jié)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(dāng)

蓄電池電壓未達(dá)到設(shè)定的14.2 V時(shí)，系統(tǒng)將光伏

輸出電流全部輸入蓄電池為其快速充電，而當(dāng)蓄電池電壓升至14.2 V（蓄電池容量升至約80%）后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為脈沖式恒壓充電，充電占空比不斷減小.這時(shí)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(duì)蓄電池的損傷，延長(zhǎng)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(shí)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(shí)蓄電池極板間壓差驟降，因此，極化反應(yīng)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(shí)端電壓U0和充電時(shí)端電壓U1的測(cè)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(shí)端電壓U0和充電時(shí)端電壓U1的測(cè)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(shè)定的14.2 V）的充電要求.

圖7（a）為系統(tǒng)在25℃條件下光照強(qiáng)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(tǒng)光照強(qiáng)度為1 000 W·m-2時(shí)溫度由25℃降為23℃后占空比的仿真變化曲線（兩圖的環(huán)境條件變化時(shí)刻均設(shè)定在占空比降為50%時(shí)）.圖7（a）與7（b）中變化時(shí)刻的占空比測(cè)量值分別為63.9%和80.2%.

通過仿真實(shí)驗(yàn)，由示波器1可測(cè)得，光照條件變化時(shí)刻的光伏輸出電流Ipv=3.91 A；溫度條件變化時(shí)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(jì)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(cè)量值相符合.由圖7可看出，無論溫度或光照強(qiáng)度如何變化，該系統(tǒng)均能對(duì)充電占空比進(jìn)行迅速調(diào)整以使充電過程保持穩(wěn)定，大為降低了環(huán)境條件變化對(duì)蓄電池壽命的影響.

3 結(jié) 論

本文針對(duì)光伏系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了蓄電池充電控制策略，在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境中搭建了光伏蓄電池系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析.從仿真結(jié)果可看出，系統(tǒng)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(yīng)，提升了充電效率，大大降低了蓄電池出氣率，延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命.即使在環(huán)境變化的條件下，該系統(tǒng)仍能快速準(zhǔn)確地調(diào)整充電占空比以維持對(duì)蓄電池充電的穩(wěn)定.該仿真系統(tǒng)能正常運(yùn)行且具有一定的通用性.

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