独立光伏照明系统中蓄电池充电控制策略

李世光

(中国矿业大学，江苏 徐州 221008)

引言

独立光伏照明系统主要由四部分组成：光伏电池组件、充电器、蓄电池和照明灯具，存在的主要问题是光伏电池效率的提高和蓄电池使用寿命的延长。针对以上两个问题，本文提出一种用于独立光伏照明系统的蓄电池充电控制策略，结合MPPT算法和蓄电池分段充电方法，能兼顾光伏电池的效率和蓄电池的寿命，实现了独立光伏照明系统的优化控制。

1 独立光伏照明系统的组成

独立光伏照明系统主要由四部分组成：光伏电池组件、充电器、蓄电池和照明灯具，如图1所示。

根据CJJ45-2006《城市道路照明设计标准》的照明强度要求，并满足如下照明时间指标：路灯每天工作8小时，如遇阴雨天气，至少连续照明4天。综合考虑成本、效率和可靠性，系统配置为24V/36W白光LED灯照明，170Wp光伏电池板，100Ah12V 4节铅酸免维护电池。

2 光伏电池最大功率点跟踪

光伏电池输出特性为非线性，且易受外界光照强度、温度和负载阻抗的影响，其中光照强度和温度属外部环境，是无法控制的。由图2可知，光伏电池的输出特性随着外界光照强度和温度的变化而变化，但在一定的光照强度和温度的条件下，光伏电池总存在一个最大功率点。因此，为了提高光伏电池的效率，需要在外界光照强度和温度变化的过程中，通过改变负载阻抗的方法来实时地控制光伏电池始终工作在最大功率点。

采用扰动观察法实现光伏电池的最大功率点跟踪。先对光伏电池的输出电压和电流进行连续的采样，第k次采样的光伏电池输出电压和电流分别为Up(k)、Ip(k)，计算它们的乘积P(k)即为当前功率，然后减去上一次的功率P(k-1)，得到功率差△P，如果△P=0，则不进行扰动；如果△P>0，则说明扰动使功率向着增大的方向变化，所以继续保持原有的扰动△U方向不变；如果△P<0，则说明扰动使功率向着减小的方向变化，则说明扰动的方向是错误的，所以需要改变扰动△U的方向，使△U=－△U，然后将扰动△U加在电压基准Upref(k)上，即，至此完成一次扰动。再将本次采样的 Up(k)、Ip(k)、P(k)作为基准，继续扰动，直到系统跟踪到光伏电池的最大功率点为止。

扰动观察法的优点是：跟踪准确，光伏电池转换效率较高，采样精度要求低，较易实现。

3 蓄电池充电控制策略

在独立光伏照明系统中，光伏电池本身的非线性等因素的影响，传统的充电方法不再适用，需要设计一种适用于独立光伏照明系统的充电策略。

为了充分的利用太阳能，同时兼顾蓄电池的使用寿命，本文设计了由最大功率充电、恒压充电和浮充所构成的三阶段充电方法，如图3所示。

（1）最大功率充电：由于蓄电池的电流接受能力较强，可以只考虑光伏电池最大功率的实现，近似于恒流充电。充电过程中，电路检测蓄电池端电压Ub。当蓄电池端电压上升到设定的门限值时，进入恒压充电。

（2）恒压充电：以一个较高的电压给蓄电池充电，同时检测充电电流Ib,起到保护蓄电池的作用。当充电电流下降到门限值时，认为蓄电池电量已充满，充电进入浮充阶段。

（3）浮充：为了弥补蓄电池的自放电，以一个比恒压充电电压稍小的基准电压对蓄电池进行充电。

4 仿真验证

统中蓄电池充电控制策略的设计后，采用Saber软件进行了仿真验证。仿真时，由于蓄电池充电时间太长，且恒压充电和浮充均是以恒定电压为蓄电池充电的，因此只对最大功率充电和恒压充电进行了仿真验证。在Saber中搭建了独立光伏照明系统蓄电池两阶段充电的电路原理图，如图4所示。

蓄电池充电仿真波形如图5所示，可知系统在7ms处跟踪到最大功率点并以最大功率给蓄电池充电，直到19ms时充电电压达到57V，充电电路切换成57V恒压充电，系统不再进行最大功率点跟踪。由图5(a)和图5(b)可以看出，第一阶段充电近似恒流充电，第二阶段为恒压充电，说明这种充电策略确实能够兼顾光伏电池的效率和蓄电池的性能和使用寿命。

结论

本文研究一种独立光伏照明系统中的蓄电池充电控制策略。采用扰动观察法跟踪最大功率点，软硬件简单，容易实现。其核心是采用分段的蓄电池充电方法，最大功率充电阶段能够充分利用光伏电池，近似恒流充电，充电速度快，恒压充电阶段能够保护蓄电池在充电过程中不受损坏，延长其使用寿命，浮充阶段能够弥补蓄电池的自放电。最后通过Saber软件仿真验证了该系统蓄电池充电控制策略的有效性。

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