獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)中蓄電池充電控制策略

李世光

(中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008)

引言

獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)主要由四部分組成：光伏電池組件、充電器、蓄電池和照明燈具，存在的主要問題是光伏電池效率的提高和蓄電池使用壽命的延長。針對以上兩個問題，本文提出一種用于獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)的蓄電池充電控制策略，結(jié)合MPPT算法和蓄電池分段充電方法，能兼顧光伏電池的效率和蓄電池的壽命，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

1 獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)的組成

獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)主要由四部分組成：光伏電池組件、充電器、蓄電池和照明燈具，如圖1所示。

根據(jù)CJJ45-2006《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的照明強(qiáng)度要求，并滿足如下照明時間指標(biāo)：路燈每天工作8小時，如遇陰雨天氣，至少連續(xù)照明4天。綜合考慮成本、效率和可靠性，系統(tǒng)配置為24V/36W白光LED燈照明，170Wp光伏電池板，100Ah12V 4節(jié)鉛酸免維護(hù)電池。

2 光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤

光伏電池輸出特性為非線性，且易受外界光照強(qiáng)度、溫度和負(fù)載阻抗的影響，其中光照強(qiáng)度和溫度屬外部環(huán)境，是無法控制的。由圖2可知，光伏電池的輸出特性隨著外界光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化，但在一定的光照強(qiáng)度和溫度的條件下，光伏電池總存在一個最大功率點(diǎn)。因此，為了提高光伏電池的效率，需要在外界光照強(qiáng)度和溫度變化的過程中，通過改變負(fù)載阻抗的方法來實(shí)時地控制光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)。

采用擾動觀察法實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。先對光伏電池的輸出電壓和電流進(jìn)行連續(xù)的采樣，第k次采樣的光伏電池輸出電壓和電流分別為Up(k)、Ip(k)，計(jì)算它們的乘積P(k)即為當(dāng)前功率，然后減去上一次的功率P(k-1)，得到功率差△P，如果△P=0，則不進(jìn)行擾動；如果△P>0，則說明擾動使功率向著增大的方向變化，所以繼續(xù)保持原有的擾動△U方向不變；如果△P<0，則說明擾動使功率向著減小的方向變化，則說明擾動的方向是錯誤的，所以需要改變擾動△U的方向，使△U=－△U，然后將擾動△U加在電壓基準(zhǔn)Upref(k)上，即，至此完成一次擾動。再將本次采樣的 Up(k)、Ip(k)、P(k)作為基準(zhǔn)，繼續(xù)擾動，直到系統(tǒng)跟蹤到光伏電池的最大功率點(diǎn)為止。

擾動觀察法的優(yōu)點(diǎn)是：跟蹤準(zhǔn)確，光伏電池轉(zhuǎn)換效率較高，采樣精度要求低，較易實(shí)現(xiàn)。

3 蓄電池充電控制策略

在獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)中，光伏電池本身的非線性等因素的影響，傳統(tǒng)的充電方法不再適用，需要設(shè)計(jì)一種適用于獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)的充電策略。

為了充分的利用太陽能，同時兼顧蓄電池的使用壽命，本文設(shè)計(jì)了由最大功率充電、恒壓充電和浮充所構(gòu)成的三階段充電方法，如圖3所示。

（1）最大功率充電：由于蓄電池的電流接受能力較強(qiáng)，可以只考慮光伏電池最大功率的實(shí)現(xiàn)，近似于恒流充電。充電過程中，電路檢測蓄電池端電壓Ub。當(dāng)蓄電池端電壓上升到設(shè)定的門限值時，進(jìn)入恒壓充電。

（2）恒壓充電：以一個較高的電壓給蓄電池充電，同時檢測充電電流Ib,起到保護(hù)蓄電池的作用。當(dāng)充電電流下降到門限值時，認(rèn)為蓄電池電量已充滿，充電進(jìn)入浮充階段。

（3）浮充：為了彌補(bǔ)蓄電池的自放電，以一個比恒壓充電電壓稍小的基準(zhǔn)電壓對蓄電池進(jìn)行充電。

4 仿真驗(yàn)證

統(tǒng)中蓄電池充電控制策略的設(shè)計(jì)后，采用Saber軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真時，由于蓄電池充電時間太長，且恒壓充電和浮充均是以恒定電壓為蓄電池充電的，因此只對最大功率充電和恒壓充電進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。在Saber中搭建了獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)蓄電池兩階段充電的電路原理圖，如圖4所示。

蓄電池充電仿真波形如圖5所示，可知系統(tǒng)在7ms處跟蹤到最大功率點(diǎn)并以最大功率給蓄電池充電，直到19ms時充電電壓達(dá)到57V，充電電路切換成57V恒壓充電，系統(tǒng)不再進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。由圖5(a)和圖5(b)可以看出，第一階段充電近似恒流充電，第二階段為恒壓充電，說明這種充電策略確實(shí)能夠兼顧光伏電池的效率和蓄電池的性能和使用壽命。

結(jié)論

本文研究一種獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)中的蓄電池充電控制策略。采用擾動觀察法跟蹤最大功率點(diǎn)，軟硬件簡單，容易實(shí)現(xiàn)。其核心是采用分段的蓄電池充電方法，最大功率充電階段能夠充分利用光伏電池，近似恒流充電，充電速度快，恒壓充電階段能夠保護(hù)蓄電池在充電過程中不受損壞，延長其使用壽命，浮充階段能夠彌補(bǔ)蓄電池的自放電。最后通過Saber軟件仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)蓄電池充電控制策略的有效性。

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