光伏发电系统中蓄电池充电控制研究①

黄英华 王良玉 韩 菲

(北京化工大学北方学院，河北三河 065201)

0 引言

当前，充分开发利用太阳能光伏发电技术已成为世界各国政府可持续发展的能源战略决策。随着光伏发电技术发展，光电转换效率不断提高以及光电池制造成本不断下降，各种新型太阳能电池先后问世。然而由于光伏发电的特殊性，目前应用于光伏系统中的蓄电池问题最多，已成为最关注的焦点。其实光伏发电系统中所使用的储能蓄电池基本都不是专门为光伏系统设计的，由于阀控密封式铅酸(VRLA)蓄电池具有价格低廉、电压稳定、无污染等优点，近年来被广泛应用于光伏发电系统中的储能蓄电池。但在实际使用中，本来应工作10～15年的VRLA蓄电池，大都在3～5年内损坏，有的甚至仅使用不到1年便失效了，造成了极大的经济损失。通过对损坏的VRLA蓄电池的统计分析得知:因充放电控制不合理而造成的VRLA电池寿命终止的比例较高。如VRLA蓄电池早期容量损失、不可逆硫酸盐化、热失控、电解液干涸等都与充放电控制的不合理有关［1］。另外，由于光伏电池受到当地纬度、经度、时间、空气状态及气象条件等各种因素的影响，输出功率是随温度、光照强度等因素而不断变化的。采用一般的充电控制策略很难达到在充分利用太阳能电池板输出能量的同时提高蓄电池使用寿命的目的。针对以上情况，本文采用三阶段充电控制策略，设计了基于PIC16F877A单片机的中小型独立光伏系统蓄电池充放电管理系统，并进行了实验验证。

1 系统结构

光伏系统中储能部分主要有蓄电池、充放电主电路、控制器构成，如图1。蓄电池是独立光伏系统中的储能环节，储存能量为负载提供可持续的供电电源，对整个系统的运行起至关重要的作用。充电主电路为DC/DC变换电路，控制器选用美国Microchip公司的PIC16F877A单片机为核心，通过控制DC/DC变换器的直流电压和电流的输出值，来达到对电流或电压不同目标的控制，实现不同策略的充电控制。

图1 光伏系统中储能结构图

图2 光伏充电器主电路图

2 主电路结构及参数选取

充电主电路要求能够通过改变开关管的占空比而改变光伏电池的工作点，完成蓄电池三个阶段的充电。主电路采用Buck变换电路，由输入滤波电容C1、功率开关管G、续流二极管D1、防反充大功率二极管D2、输出滤波电感L、输出滤波电容C2构成，如图2所示。其中与光伏阵列并联的滤波电容C1为斩波器产生的高频电流提供通路，确保太阳能电池保持近似稳态电流输出［2］。

考虑到容量与频率等因素，系统主电路的开关管选择IR公司的IRFP150N。其中，滤波电感的选择是要尽可能滤除高次谐波分量，提高输出波形质量，滤波电感的高频阻抗与滤波电容的高频阻抗相比不能过低，即滤波电感的感值不能太小。为满足输出波形质量，要求一个采样周期中，电感电流的最大变化量小于允许的电感电流纹波ΔILfmax。滤波电容的作用是和滤波电感一起滤除输出电压中的高次谐波，从而改善输出电压的波形，滤波电容越大输出电压的THD值越小。滤波电容的选取原则是在保证输出电压的THD值满足要求的情况下，取值尽量小。同时应尽可能使用高频特性较好、损耗较小的CBB电容［3］。本文设计的功率器件开关频率为20 kHz，考虑到系统裕量，经计算与综合考虑，选择输入滤波电容C1=220 uF，滤波电感L=0.8 mH，滤波电容C2=100 uF。

3 控制电路结构

控制电路主要包含:信号检测电路、保护电路、PWM驱动电路、参数显示电路四个部分，其硬件结构框图如图3所示。控制核心PIC16F877A单片机是PIC系列8位精简指令集(RISC)单片机、内置8 K字节在线系统可编程Flash存储器、256字节EEPROM存储器、可编程的看门狗定时器、8通道10位ADC，程序可实现在线可编程，便于产品升级和维护［4－5］。该控制系统中对光伏系统的最大功率点跟踪、充放电控制及过程转换都是由单片机来处理，处理完输出的PWM信号来控制Buck电路的开关管的占空比来实现对蓄电池的充电控制［6－7］。

图3 充放电管理系统硬件结构图

4 充电控制策略［8］

对于独立光伏系统，由于太阳能电池组件输出特性曲线的非线性特点，且日照时间无法人为调节，蓄电池充电很难达到高效利用的目的，为改善蓄电池的充电效率，本文考虑采用三阶段充电控制策略。在快充阶段，若充电电流小于限定电流值，采用最大功率点跟踪策略，反之则减小占空比保证充电电流等于限流电流，这个阶段要求将蓄电池充电到80%～90%的额定容量，最大限度地利用光伏电池的能量。在恒压过充阶段，采用PI调节的恒压充电，若输出电压大于限定值减小占空比，否则增大占空比，这个阶段可以将蓄电池充电到97%的额定容量。在浮充阶段，采用带PI调节的第二级恒压充电，这个过程是为了给蓄电池一个很小的电流，以补充蓄电池自放电的损失，电池可以长期处于此状态下。

4.1 快充阶段的最大功率点控制策略

采用电导增量法，由光伏阵列某一固定PV曲线可知最大值点 Pmax处的斜率为零，所以有:

以上即为要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，阵列工作于最大功率点。若不相等，则要判断dP/dV是大于零或小于零。该控制方法的程序流程如图4所示。图4中，Vn、In为新检测的电压、电流值，Vb、Ib为原存储器中的旧值。程序读进新值后先计算与旧值之误差，再判断电压差值是否为零?(因后面做除法时分母不得为零)若为零则再判断电流差值是否为零?若都为零则表示阻抗一致，扰动值D值不变。若电压差值为零，电流差值不为零，则表示照度有变化，电流差值大于零D值增加;电流差值小于零D值减少。再来讨论电压差值不为零时，式(3)是否成立将是关键;若成立则表示功率曲线斜率为零(达最大功率点)，若电导变化量大于负电导值，则表示功率曲线斜率为正，D值将增加;反之D值将减少。

电导增量法对于传感器的精度要求比较高，这里采用高精度霍尔传感器，对光伏电池的电压和电流进行采样，通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。电导增量法控制精确，响应速度快，适用于大气条件变化较快的场合。

图4 电导增量法程序流程图

图5 蓄电池充电流程图

4.2 过充和浮充阶段的PI调节

检测蓄电池的充电端电压，当其达到过充电压时，调用过充子程序。蓄电池的过充是对快充阶段的一个补充，使蓄电池的容量尽可能恢复到满。在这个阶段，要不断检测蓄电池的端电压，使之保持稳定，因此，需要建立一个电压环进行反馈。为了提高控制的动态和稳态性能，采用数字比例积分PI控制器。根据采样得到的蓄电池端电压，将之与期望电压进行比较，得到比较差值ΔU。对差值ΔU进行比例环节和积分环节的控制，得到MOSFET的占空比的变化量ΔD，进而得到下一步的控制占空比，从而使蓄电池电压恒定。

在蓄电池过充阶段，检测蓄电池的充电电流。当充电电流减小至浮充转换门限值时，过充截止，此时可认为蓄电池已充满，转入浮充阶段。浮充的目的是为了给蓄电池一个很小的电流，以补充蓄电池自放电的损失。在浮充阶段，PI调节的目的是使蓄电池电压稳定在浮充电压。由于蓄电池的浮充电压精确与否，对蓄电池的使用寿命有非常大的影响，所以要求浮充电压的波动很小。

本文以对12 V铅酸蓄电池充电为例，设定恒压过充电压为14.5V，浮充电压为13.8V，整个蓄电池的充电控制策略流程图如图5所示。

5 充电实验及结果分析

实验使用的蓄电池为松下阀控式密封铅酸蓄电池LC－R127，其额定输出电压为12 V，额定容量为7 Ah。实验数据如表1。图6为蓄电池充电1.5 h的波形，1为蓄电池端电压，2为蓄电池充电电流(充电电流在数值上和串联在蓄电池回路中检测电阻上的电压相等)，3为开关管的PWM驱动信号。

由表1可知，当恒流充电5 h后，进入恒压充电阶段。恒流充电电流范围在1.24～1.16 A之间，相差0.08A，表明在恒流充电阶段电流变化不显著，电流稳定性较好。在恒压充电阶段，蓄电池两端电压变化为14.5～14.4 V，相差0.1 V，可见在恒压充电阶段电压基本不变化，电压稳定性较好。充电7 h后，蓄电池已进入浮充阶段，实测的浮充电压为13.7 V和给定的13.8 V相差0.1 V，符合要求。由表格和分析可知，该充电器很好地实现了对光伏电池的三段式充电，且具有较好的过充和浮充精度。

图6 蓄电池充电时的波形

表1 LC－R127铅酸蓄电池充电实验数据

续表

6 结语

在环境危机、能源危机日益严重的今天，太阳能光伏发电系统将会得到更广泛的应用。而由于光伏系统中能量的不确定性和蓄电池使用条件的特殊性，造成蓄电池成为影响整个光伏系统寿命的一个重要环节，也成为阻碍光伏产业发展的一个重要因素。这就要求有一个合理的充放电控制策略，在充分利用太阳能阵列能量的同时对蓄电池进行高效的管理，延长光伏系统中蓄电池的使用寿命。本文所提出的充电控制策略较好的满足了上述要求，且该控制系统硬件结构简单，性价比较高，在中小型独立光伏发电系统中有突出优势。

［1］ 周志敏，等.太阳能LED路灯设计与应用［M］.电子工业出版社，2009

［2］ 翟秀静，等.新能源发电技术［M］.化学工业出版社，2010

［3］ 张占松.开关电源的原理与设计［M］.电子工业出版社，2004

［4］ 李学海.PIC单片机实用教程－基础篇［M］.北京:航空航天大学出版社，2006

［5］ A.K.Mukerjee，Nivedita Dasgupta.DC power supply used as photovoltaic simulator for testing MPPT algorithms［J］.Renewable Energy，2007，32:587－592

［6］ Zheng shicheng，Liu We.Research and implementation of photovoltaic charging system with maximum power point tracking［C］.ICIEA，2008

［7］ 蒙克其劳，贾大江，等.风光互补控制器的智能化设计［J］.太阳能学报，2005，26(2):192－195

［8］ 欧阳名三.独立光伏系统中蓄电池管理的研究［D］.合肥:合肥工业大学，2004