独立光伏系统蓄电池优化三段式充电策略研究

蔡晓峰 张鸿博 黄 伟 赵慧光

(河南工程学院机械工程系1，河南 新郑 451191;华北水利水电学院电力学院2，河南 郑州 450011;河南省电力公司计量中心3，河南 郑州 450046;河南省新乡供电公司4，河南 新乡 453002)

0 引言

独立光伏供电系统通常采用铅酸蓄电池组储能。蓄电池的充放电策略直接影响其寿命，三段式充电是铅酸电池常用且比较理想的充电策略。另外，为了尽可能地提高能源利用效率，缩短充电时间，系统还需引入光伏电池的最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)算法。为了将MPPT和三段式充电算法有效结合，研究了MPPT算法和恒流恒压充电算法的切换判据。仿真表明该判据简单方便，可以实现二者的平滑切换，在提高充电效率的同时又不影响蓄电池的使用寿命。

1 占空比扰动法MPPT

光伏系统最大功率点跟踪方法很多［1－8］，选择时要考虑独立式光伏系统的特点和算法的难易程度。在独立光伏系统的应用中，光伏阵列和蓄电池之间的接口通常采用DC/DC变换器。通过调节DC/DC变换器PWM波的占空比，达到最优的阻尼匹配，即可使光伏电池输出功率达到最大值。

光伏系统的输出功率Ppv和PWM占空比D的关系示意图如图1所示［9］。

图1 P-D关系曲线Fig.1 P-D relational curve

忽略DC/DC变换器的功率损耗，Ppv等于蓄电池的充电功率Pb，因此图1也反映了Pb与占空比D的关系，即在某个占空比下Pb达到最大值。该占空比对应光伏电池的最大功率点，而在该点左右两侧存在着单调的关系。因此，占空比扰动法MPPT通过对Pb的监测来控制占空比的扰动。当增大占空比使Pb增大时，则继续增大占空比;当增大占空比使Pb减小时，则减小占空比，最终可以实现最大功率点的跟踪。和扰动观察法一样，算法最终无法稳定在最大功率点处，而是在最大功率点附近小范围波动，但这不会对系统造成大的影响，且控制比较简单，实现方便。

2 优化三段式充电策略

三段式充电方式是铅酸蓄电池经常采用的充电方式，即恒流充电-恒压充电-浮充充电，传统的方法是采用PI算法来实现三段式充电［10］。在独立光伏供电系统中，由于光照的不稳定性，PI算法容易失效，下面分阶段进行分析。

2.1 恒流充电阶段

在恒流充电阶段，蓄电池的荷电状态比较低，蓄电池采用比较大的恒定电流充电。但如果阳光不充足，光伏电池最大输出功率小于设定值Iset时蓄电池吸收的功率，则会出现不能维持设定充电电流的情况。光伏电池所能提供的最大充电电流小于Iset，这时无论如何调整占空比，都不能维持蓄电池的充电电流为Iset，误差长期存在。同时由于PI恒流充电算法中积分环节对误差的累积作用，会使DC/DC变换器的占空比逐渐趋于极限值，而该极限值一般不对应最大功率点时的占空比，从而导致充电效率降低。Ib-D的关系曲线如图2所示。

图2 Ib-D关系曲线Fig.2 Ib-D relational curve

在这种情况下，为了提高充电效率，比较合理的方案是更换为MPPT充电，因为这样才能以最接近Iset的电流为蓄电池充电。而算法需要考虑的重要问题是PI恒流充电算法与MPPT充电算法之间的切换判据。PI恒流充电切换为MPPT充电最理想的切换点是在最大功率点处，因为在最大功率点处切换电流变化过程最平缓。

结合图1容易看出，最大功率点的明显特征是dP/dD发生变号。这样如果设定初始工作点在最大功率点左侧，由于左侧dP/dD＞0，则PI恒流充电切换为MPPT的判据就是dP/dD＜0，且充电电流Ib＜Iset，即工作点刚刚从最大功率点左侧(dP/dD＞0)运行到了右侧(dP/dD＜0)，而充电电流Ib还一直小于电流设定值Iset，则PI恒流充电切换为MPPT充电。由于切换是在dP/dD刚刚发生变号时进行的，因此，切换点非常靠近最大功率点。

从MPPT切换为PI恒流充电的判据相对比较简单。从图2可以看出，只要MPPT充电电流大于Iset，则一定会存在PI恒流充电的稳定工作点，因此判据可以设定为:当Ib＞Iset时，MPPT切换为PI恒流充电。但考虑到MPPT并非准确运行在M点而是在M点左右摆动。为了尽可能快速稳定在B点，根据AM段的特征附加一个切换条件dP/dD＞0，即在Ib＞Iset且dP/dD＞0时，MPPT切换为PI恒流充电。

综上所述，PI恒流充电和MPPT充电之间的切换判据为当Ib＞Iset且dP/dD＞0时，MPPT充电切换为PI恒流充电;当Ib＜Iset且dP/dD＜0时，PI恒流充电切换为MPPT充电。以上判据是在希望光伏电池工作在最大功率点左侧时推导的。如果希望系统工作在最大功率点右侧，则判据应改为当Ib＞Iset且dP/dD＜0时，MPPT切换为PI恒流充电;当Ib＜Iset且dP/dD＞0时，PI恒流充电切换为MPPT充电。

结合MPPT的PI恒流充电算法流程如图3所示。

图3 MPPT与PI恒流充电流程图Fig.3 Flowchart of MPPT and PI constant charging process

2.2 恒压充电阶段

当快速充电进行一段时间后，蓄电池根据端电压变化适时进入恒压充电阶段。此时，充电器的控制对象为蓄电池的端电压，并且通过恒压算法稳定蓄电池电压，从而实现恒压充电。与恒流充电情况类似，日照不足时同样会出现不能维持给定电压的情况，也需要从PI恒压充电算法切换为MPPT充电。切换判据与恒流充电类似，只是控制对象换为充电电压，即PI恒压充电切换为MPPT的判据为充电电压Ub＜Uset，且dP/dD＜0;MPPT切换为PI恒压充电的判据为Ub＞Uset且dP/dD＞0。随着恒压充电的进行，充电电流逐渐减小，并最终小于浮充转换电流，此时应切换为浮充充电。

由于浮充充电算法与恒压充电算法类似，只是电压设定值不同，因此二者判据一致，不再赘述。

3 仿真研究

为了验证算法的效率和正确性，在Simulink中分别对太阳能电池、DC/DC变换器等进行了建模，开发了MPPT模块，恒流、恒压充电算法模块并进行了仿真验证。仿真模型如图4所示。

图4 仿真模型Fig.4 Simulation model

为了验证算法的正确性，对日照突然增强和突然减弱两种情况进行仿真。日照强度S的变化情况如下:

结合MPPT的PI恒流充电仿真波形如图5所示。

图5 充电仿真波形Fig.5 The simulation waveform of charging

4 结束语

在研究光伏系统特点的基础上，分析了基于PI算法的三段式充电方法的不足之处，提出了将MPPT与PI算法相结合的方法，并重点研究了MPPT和PI恒流、恒压算法之间的切换判据。该判据简单方便，容易实现，提高了充电效率。通过Matlab仿真试验，验证了该方案的可行性和正确性。

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