風光互補發(fā)電系統(tǒng)蓄電池充放電控制研究

彭金銀 朱香瑾

（海南科技職業(yè)大學）

0 引言

風光互補發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)的輸出電能有較大變化，所以風光互補發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池充放電控制，主要考慮兩個方面：①在系統(tǒng)輸出電能充足的情況下，控制蓄電池充滿即止；②在系統(tǒng)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(xù)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(guī)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(xù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)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?yōu)?0A 時，SOC的值為0.8；當時間t=0.35s 時，充電電流再由10A變?yōu)?A 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(fā)電系統(tǒng)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。