蔡曉峰 張鴻博 黃 偉 趙慧光

(河南工程學(xué)院機(jī)械工程系1，河南 新鄭 451191;華北水利水電學(xué)院電力學(xué)院2，河南 鄭州 450011;河南省電力公司計(jì)量中心3，河南 鄭州 450046;河南省新鄉(xiāng)供電公司4，河南 新鄉(xiāng) 453002)

0 引言

獨(dú)立光伏供電系統(tǒng)通常采用鉛酸蓄電池組儲(chǔ)能。蓄電池的充放電策略直接影響其壽命，三段式充電是鉛酸電池常用且比較理想的充電策略。另外，為了盡可能地提高能源利用效率，縮短充電時(shí)間，系統(tǒng)還需引入光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)算法。為了將MPPT和三段式充電算法有效結(jié)合，研究了MPPT算法和恒流恒壓充電算法的切換判據(jù)。仿真表明該判據(jù)簡單方便，可以實(shí)現(xiàn)二者的平滑切換，在提高充電效率的同時(shí)又不影響蓄電池的使用壽命。

1 占空比擾動(dòng)法MPPT

光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤方法很多［1－8］，選擇時(shí)要考慮獨(dú)立式光伏系統(tǒng)的特點(diǎn)和算法的難易程度。在獨(dú)立光伏系統(tǒng)的應(yīng)用中，光伏陣列和蓄電池之間的接口通常采用DC/DC變換器。通過調(diào)節(jié)DC/DC變換器PWM波的占空比，達(dá)到最優(yōu)的阻尼匹配，即可使光伏電池輸出功率達(dá)到最大值。

光伏系統(tǒng)的輸出功率Ppv和PWM占空比D的關(guān)系示意圖如圖1所示［9］。

圖1 P-D關(guān)系曲線Fig.1 P-D relational curve

忽略DC/DC變換器的功率損耗，Ppv等于蓄電池的充電功率Pb，因此圖1也反映了Pb與占空比D的關(guān)系，即在某個(gè)占空比下Pb達(dá)到最大值。該占空比對(duì)應(yīng)光伏電池的最大功率點(diǎn)，而在該點(diǎn)左右兩側(cè)存在著單調(diào)的關(guān)系。因此，占空比擾動(dòng)法MPPT通過對(duì)Pb的監(jiān)測來控制占空比的擾動(dòng)。當(dāng)增大占空比使Pb增大時(shí)，則繼續(xù)增大占空比;當(dāng)增大占空比使Pb減小時(shí)，則減小占空比，最終可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。和擾動(dòng)觀察法一樣，算法最終無法穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處，而是在最大功率點(diǎn)附近小范圍波動(dòng)，但這不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成大的影響，且控制比較簡單，實(shí)現(xiàn)方便。

2 優(yōu)化三段式充電策略

三段式充電方式是鉛酸蓄電池經(jīng)常采用的充電方式，即恒流充電-恒壓充電-浮充充電，傳統(tǒng)的方法是采用PI算法來實(shí)現(xiàn)三段式充電［10］。在獨(dú)立光伏供電系統(tǒng)中，由于光照的不穩(wěn)定性，PI算法容易失效，下面分階段進(jìn)行分析。

2.1 恒流充電階段

在恒流充電階段，蓄電池的荷電狀態(tài)比較低，蓄電池采用比較大的恒定電流充電。但如果陽光不充足，光伏電池最大輸出功率小于設(shè)定值Iset時(shí)蓄電池吸收的功率，則會(huì)出現(xiàn)不能維持設(shè)定充電電流的情況。光伏電池所能提供的最大充電電流小于Iset，這時(shí)無論如何調(diào)整占空比，都不能維持蓄電池的充電電流為Iset，誤差長期存在。同時(shí)由于PI恒流充電算法中積分環(huán)節(jié)對(duì)誤差的累積作用，會(huì)使DC/DC變換器的占空比逐漸趨于極限值，而該極限值一般不對(duì)應(yīng)最大功率點(diǎn)時(shí)的占空比，從而導(dǎo)致充電效率降低。Ib-D的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 Ib-D關(guān)系曲線Fig.2 Ib-D relational curve

在這種情況下，為了提高充電效率，比較合理的方案是更換為MPPT充電，因?yàn)檫@樣才能以最接近Iset的電流為蓄電池充電。而算法需要考慮的重要問題是PI恒流充電算法與MPPT充電算法之間的切換判據(jù)。PI恒流充電切換為MPPT充電最理想的切換點(diǎn)是在最大功率點(diǎn)處，因?yàn)樵谧畲蠊β庶c(diǎn)處切換電流變化過程最平緩。

結(jié)合圖1容易看出，最大功率點(diǎn)的明顯特征是dP/dD發(fā)生變號(hào)。這樣如果設(shè)定初始工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左側(cè)，由于左側(cè)dP/dD＞0，則PI恒流充電切換為MPPT的判據(jù)就是dP/dD＜0，且充電電流Ib＜Iset，即工作點(diǎn)剛剛從最大功率點(diǎn)左側(cè)(dP/dD＞0)運(yùn)行到了右側(cè)(dP/dD＜0)，而充電電流Ib還一直小于電流設(shè)定值Iset，則PI恒流充電切換為MPPT充電。由于切換是在dP/dD剛剛發(fā)生變號(hào)時(shí)進(jìn)行的，因此，切換點(diǎn)非?？拷畲蠊β庶c(diǎn)。

從MPPT切換為PI恒流充電的判據(jù)相對(duì)比較簡單。從圖2可以看出，只要MPPT充電電流大于Iset，則一定會(huì)存在PI恒流充電的穩(wěn)定工作點(diǎn)，因此判據(jù)可以設(shè)定為:當(dāng)Ib＞Iset時(shí)，MPPT切換為PI恒流充電。但考慮到MPPT并非準(zhǔn)確運(yùn)行在M點(diǎn)而是在M點(diǎn)左右擺動(dòng)。為了盡可能快速穩(wěn)定在B點(diǎn)，根據(jù)AM段的特征附加一個(gè)切換條件dP/dD＞0，即在Ib＞Iset且dP/dD＞0時(shí)，MPPT切換為PI恒流充電。

綜上所述，PI恒流充電和MPPT充電之間的切換判據(jù)為當(dāng)Ib＞Iset且dP/dD＞0時(shí)，MPPT充電切換為PI恒流充電;當(dāng)Ib＜Iset且dP/dD＜0時(shí)，PI恒流充電切換為MPPT充電。以上判據(jù)是在希望光伏電池工作在最大功率點(diǎn)左側(cè)時(shí)推導(dǎo)的。如果希望系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)右側(cè)，則判據(jù)應(yīng)改為當(dāng)Ib＞Iset且dP/dD＜0時(shí)，MPPT切換為PI恒流充電;當(dāng)Ib＜Iset且dP/dD＞0時(shí)，PI恒流充電切換為MPPT充電。

結(jié)合MPPT的PI恒流充電算法流程如圖3所示。

圖3 MPPT與PI恒流充電流程圖Fig.3 Flowchart of MPPT and PI constant charging process

2.2 恒壓充電階段

當(dāng)快速充電進(jìn)行一段時(shí)間后，蓄電池根據(jù)端電壓變化適時(shí)進(jìn)入恒壓充電階段。此時(shí)，充電器的控制對(duì)象為蓄電池的端電壓，并且通過恒壓算法穩(wěn)定蓄電池電壓，從而實(shí)現(xiàn)恒壓充電。與恒流充電情況類似，日照不足時(shí)同樣會(huì)出現(xiàn)不能維持給定電壓的情況，也需要從PI恒壓充電算法切換為MPPT充電。切換判據(jù)與恒流充電類似，只是控制對(duì)象換為充電電壓，即PI恒壓充電切換為MPPT的判據(jù)為充電電壓Ub＜Uset，且dP/dD＜0;MPPT切換為PI恒壓充電的判據(jù)為Ub＞Uset且dP/dD＞0。隨著恒壓充電的進(jìn)行，充電電流逐漸減小，并最終小于浮充轉(zhuǎn)換電流，此時(shí)應(yīng)切換為浮充充電。

由于浮充充電算法與恒壓充電算法類似，只是電壓設(shè)定值不同，因此二者判據(jù)一致，不再贅述。

3 仿真研究

為了驗(yàn)證算法的效率和正確性，在Simulink中分別對(duì)太陽能電池、DC/DC變換器等進(jìn)行了建模，開發(fā)了MPPT模塊，恒流、恒壓充電算法模塊并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真模型如圖4所示。

圖4 仿真模型Fig.4 Simulation model

為了驗(yàn)證算法的正確性，對(duì)日照突然增強(qiáng)和突然減弱兩種情況進(jìn)行仿真。日照強(qiáng)度S的變化情況如下:

結(jié)合MPPT的PI恒流充電仿真波形如圖5所示。

圖5 充電仿真波形Fig.5 The simulation waveform of charging

4 結(jié)束語

在研究光伏系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析了基于PI算法的三段式充電方法的不足之處，提出了將MPPT與PI算法相結(jié)合的方法，并重點(diǎn)研究了MPPT和PI恒流、恒壓算法之間的切換判據(jù)。該判據(jù)簡單方便，容易實(shí)現(xiàn)，提高了充電效率。通過Matlab仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案的可行性和正確性。

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