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        獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)中蓄電池充電控制策略

        2012-11-16 03:38:44李世光
        關(guān)鍵詞:控制策略效率系統(tǒng)

        李世光

        (中國(guó)礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州 221008)

        引言

        獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)主要由四部分組成:光伏電池組件、充電器、蓄電池和照明燈具,存在的主要問(wèn)題是光伏電池效率的提高和蓄電池使用壽命的延長(zhǎng)。針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題,本文提出一種用于獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)的蓄電池充電控制策略,結(jié)合MPPT算法和蓄電池分段充電方法,能兼顧光伏電池的效率和蓄電池的壽命,實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

        1 獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)的組成

        獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)主要由四部分組成:光伏電池組件、充電器、蓄電池和照明燈具,如圖1所示。

        根據(jù)CJJ45-2006《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的照明強(qiáng)度要求,并滿(mǎn)足如下照明時(shí)間指標(biāo):路燈每天工作8小時(shí),如遇陰雨天氣,至少連續(xù)照明4天。綜合考慮成本、效率和可靠性,系統(tǒng)配置為24V/36W白光LED燈照明,170Wp光伏電池板,100Ah12V 4節(jié)鉛酸免維護(hù)電池。

        2 光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤

        光伏電池輸出特性為非線(xiàn)性,且易受外界光照強(qiáng)度、溫度和負(fù)載阻抗的影響,其中光照強(qiáng)度和溫度屬外部環(huán)境,是無(wú)法控制的。由圖2可知,光伏電池的輸出特性隨著外界光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化,但在一定的光照強(qiáng)度和溫度的條件下,光伏電池總存在一個(gè)最大功率點(diǎn)。因此,為了提高光伏電池的效率,需要在外界光照強(qiáng)度和溫度變化的過(guò)程中,通過(guò)改變負(fù)載阻抗的方法來(lái)實(shí)時(shí)地控制光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)。

        采用擾動(dòng)觀(guān)察法實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。先對(duì)光伏電池的輸出電壓和電流進(jìn)行連續(xù)的采樣,第k次采樣的光伏電池輸出電壓和電流分別為Up(k)、Ip(k),計(jì)算它們的乘積P(k)即為當(dāng)前功率,然后減去上一次的功率P(k-1),得到功率差△P,如果△P=0,則不進(jìn)行擾動(dòng);如果△P>0,則說(shuō)明擾動(dòng)使功率向著增大的方向變化,所以繼續(xù)保持原有的擾動(dòng)△U方向不變;如果△P<0,則說(shuō)明擾動(dòng)使功率向著減小的方向變化,則說(shuō)明擾動(dòng)的方向是錯(cuò)誤的,所以需要改變擾動(dòng)△U的方向,使△U=-△U,然后將擾動(dòng)△U加在電壓基準(zhǔn)Upref(k)上,即,至此完成一次擾動(dòng)。再將本次采樣的 Up(k)、Ip(k)、P(k)作為基準(zhǔn),繼續(xù)擾動(dòng),直到系統(tǒng)跟蹤到光伏電池的最大功率點(diǎn)為止。

        擾動(dòng)觀(guān)察法的優(yōu)點(diǎn)是:跟蹤準(zhǔn)確,光伏電池轉(zhuǎn)換效率較高,采樣精度要求低,較易實(shí)現(xiàn)。

        3 蓄電池充電控制策略

        在獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)中,光伏電池本身的非線(xiàn)性等因素的影響,傳統(tǒng)的充電方法不再適用,需要設(shè)計(jì)一種適用于獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)的充電策略。

        為了充分的利用太陽(yáng)能,同時(shí)兼顧蓄電池的使用壽命,本文設(shè)計(jì)了由最大功率充電、恒壓充電和浮充所構(gòu)成的三階段充電方法,如圖3所示。

        (1)最大功率充電:由于蓄電池的電流接受能力較強(qiáng),可以只考慮光伏電池最大功率的實(shí)現(xiàn),近似于恒流充電。充電過(guò)程中,電路檢測(cè)蓄電池端電壓Ub。當(dāng)蓄電池端電壓上升到設(shè)定的門(mén)限值時(shí),進(jìn)入恒壓充電。

        (2)恒壓充電:以一個(gè)較高的電壓給蓄電池充電,同時(shí)檢測(cè)充電電流Ib,起到保護(hù)蓄電池的作用。當(dāng)充電電流下降到門(mén)限值時(shí),認(rèn)為蓄電池電量已充滿(mǎn),充電進(jìn)入浮充階段。

        (3)浮充:為了彌補(bǔ)蓄電池的自放電,以一個(gè)比恒壓充電電壓稍小的基準(zhǔn)電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

        4 仿真驗(yàn)證

        統(tǒng)中蓄電池充電控制策略的設(shè)計(jì)后,采用Saber軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真時(shí),由于蓄電池充電時(shí)間太長(zhǎng),且恒壓充電和浮充均是以恒定電壓為蓄電池充電的,因此只對(duì)最大功率充電和恒壓充電進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。在Saber中搭建了獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)蓄電池兩階段充電的電路原理圖,如圖4所示。

        蓄電池充電仿真波形如圖5所示,可知系統(tǒng)在7ms處跟蹤到最大功率點(diǎn)并以最大功率給蓄電池充電,直到19ms時(shí)充電電壓達(dá)到57V,充電電路切換成57V恒壓充電,系統(tǒng)不再進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。由圖5(a)和圖5(b)可以看出,第一階段充電近似恒流充電,第二階段為恒壓充電,說(shuō)明這種充電策略確實(shí)能夠兼顧光伏電池的效率和蓄電池的性能和使用壽命。

        結(jié)論

        本文研究一種獨(dú)立光伏照明系統(tǒng)中的蓄電池充電控制策略。采用擾動(dòng)觀(guān)察法跟蹤最大功率點(diǎn),軟硬件簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)。其核心是采用分段的蓄電池充電方法,最大功率充電階段能夠充分利用光伏電池,近似恒流充電,充電速度快,恒壓充電階段能夠保護(hù)蓄電池在充電過(guò)程中不受損壞,延長(zhǎng)其使用壽命,浮充階段能夠彌補(bǔ)蓄電池的自放電。最后通過(guò)Saber軟件仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)蓄電池充電控制策略的有效性。

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