范佳林，顧俊杰，周 敏，郭迎慶

（南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京210037）

隨著傳統(tǒng)能源開發(fā)利用所造成的生態(tài)環(huán)境污染問題日益增長(zhǎng)，可持續(xù)發(fā)展的清潔能源越來越受到重視，因此發(fā)展以清潔太陽能為能源的發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義[1]。

然而傳統(tǒng)光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率較低，作為光伏發(fā)電與蓄電池連接的中心樞紐的光伏發(fā)電控制器對(duì)提高轉(zhuǎn)換效率具有關(guān)鍵作用，最先進(jìn)的控制器核心是PWM控制方式，充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引入Buck 電路拓?fù)?，通過利用光伏電池輸出與所接負(fù)載之間存在的一個(gè)使光伏電池輸出功率最大的最佳匹配點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)太陽能板在最大功率點(diǎn)附近充電，極大地提高充電效率[2-5]，在此基于Simulink的太陽能充電控制器，通過判別采集的電流電壓大小，依據(jù)模糊控制算法產(chǎn)生一個(gè)可控制的PWM 信號(hào)，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路控制Buck-Boost變換器的工作模式來給蓄電池充電，從而提高光伏電池的發(fā)電效率和蓄電池的使用壽命。

1 太陽能充電控制器總體結(jié)構(gòu)

太陽能是一種新興的可再生能源，資源豐富，環(huán)保無害，但使用過程中卻存在著不穩(wěn)定性，隨著時(shí)間和溫度的變化，太陽能的變化最明顯，因光伏太陽能板在工作過程中受光照強(qiáng)度和溫度的影響，所以在仿真的過程中，選取8：00—16：00的時(shí)間段進(jìn)行仿真，依據(jù)實(shí)際情況，一般條件下的太陽能板強(qiáng)度變化曲線及環(huán)境溫度變化曲線如圖1所示，上午與下午的太陽能光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度相比于中午的較低，光伏太陽能板模塊通過輸入太陽能板輻照強(qiáng)度信號(hào)和環(huán)境溫度信號(hào)，模擬真實(shí)環(huán)境下太陽能板輸出的電壓與電流。

圖1 太陽能電池板輻照強(qiáng)度、環(huán)境溫度變化曲線Fig.1 Curves of solar panel strength and ambient temperature

在此所設(shè)計(jì)的太陽能充電控制器，使蓄電池能夠在不同電信號(hào)狀態(tài)的太陽能電池板下充電，提高蓄電池的充電效率，太陽能充電控制器主要由太陽能電池板、DC/DC轉(zhuǎn)換電路、PWM 處理部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 太陽能充電控制器總體框圖Fig.2 Overall block diagram of the solar charge controller

通過信號(hào)采集，經(jīng)過模糊控制算法得到對(duì)應(yīng)的PWM 信號(hào)占空比，從而高效地適應(yīng)太陽能電池板不同電信號(hào)下充電的模式。PWM 信號(hào)控制Buck-Boost電路以輸出對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定電壓給蓄電池充電，最后蓄電池反饋電流和電壓信號(hào)給PWM 處理環(huán)節(jié)，以了解蓄電池充電情況，及時(shí)調(diào)整PWM 信號(hào)。

2 DC/DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出為波動(dòng)的直流電，因此需要DC/DC轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)整流、濾波、穩(wěn)壓，Buck-Boost 電路是開關(guān)電源6種基本DC/DC變換拓?fù)渲?，是一種允許輸出電壓大于、小于或者等于輸入電壓的DC/DC 斬波電路，Buck-Boost 電路亦有許多分類，經(jīng)過綜合考慮，在此選用SEPIC（single ended primary inductor converter）電路，如圖3所示，其輸入輸出為同極性，且輸出脈動(dòng)小。

圖3 SEPIC 斬波電路原理Fig.3 SEPIC chopper circuit schematic

在SEPIC電路中，當(dāng)開關(guān)管Q 受控制電路的脈沖信號(hào)觸發(fā)而導(dǎo)通時(shí)，V1—L1—Q 回路和C1—Q—L2回路同時(shí)導(dǎo)通，L1和L2儲(chǔ)能；Q 處于斷態(tài)時(shí)，V1—L1—C1—D—負(fù)載（C2和R）回路及L2—D—負(fù)載回路同時(shí)導(dǎo)通，此階段V1和L1既向負(fù)載供電，同時(shí)也向C1充電，C1儲(chǔ)存的能量在Q 處于通態(tài)時(shí)向L2轉(zhuǎn)移，因此SEPIC電路能夠通過開關(guān)管的通斷保持輸出電壓穩(wěn)定在某一區(qū)間[6-7]。

3 鉛酸蓄電池分析

作為大眾化的低成本二次電池，鉛酸蓄電池憑借其高可靠性、高功率密度、高效率及高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、通信裝置、能量貯存等領(lǐng)域得到了廣泛使用[6]。

由于鉛酸蓄電池適用范圍較廣，有多種充電制度，因此需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的充電方法。常見的充電方法有恒電流充電、恒電壓充電、涓流充電、浮充電等。

典型12V-18AH 鉛酸蓄電池充電狀態(tài)的變化如圖4所示，可以看出，蓄電池在完全放電狀態(tài)首先進(jìn)行恒電流充電，同時(shí)保持較低充電電壓，在一定時(shí)間后調(diào)整為恒電壓充電，同時(shí)保持較低充電電流，這種方法綜合了恒電流充電與恒電壓充電的優(yōu)點(diǎn)，即充電初期大電流易被電池接受，充電后期恒壓小電流能有效避免過充現(xiàn)象，保障電池壽命[7]，由于控制器設(shè)計(jì)選用SEPIC電路，其輸出電壓相較電流更穩(wěn)定，因此將采用恒電壓充電，以保證充電過程控制的平穩(wěn)。

圖4 典型電池充電過程Fig.4 Typical battery charging process

為了能夠進(jìn)行有效分析，快速調(diào)整方案，對(duì)充電控制器進(jìn)行Simulink 仿真。對(duì)于鉛酸蓄電池，若需要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確模型仿真將涉及到熱力學(xué)、電極動(dòng)力學(xué)、固相、電解液相等諸多復(fù)雜的方面，而且許多模型建立所需的參數(shù)，一般蓄電池生產(chǎn)制造商也并不會(huì)給出，因此獨(dú)立進(jìn)行電池模型建立較為困難[8]。得益于Simulink內(nèi)置了鉛酸蓄電池的電路模型，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置，就能夠得到可用的仿真蓄電池。

在Simulink 中，將電池模型正負(fù)端接入電路，通過式（1）計(jì)算確定蓄電池實(shí)時(shí)狀態(tài)，即

式中：E0為恒壓電壓；K為極化常數(shù)；Q為最大電池容量；i*為低頻電流動(dòng)態(tài)參數(shù)；Qt為電池實(shí)際容量；exp（s）為指數(shù)區(qū)動(dòng)態(tài)參數(shù)；sel（s）為電池工作模式，當(dāng)sel（s）=0表示電池充電，sel（s）=1表示電池放電。

最后，通過m端口輸出觀察蓄電池當(dāng)前電量、電流及電壓情況，便于仿真，鉛酸蓄電池仿真運(yùn)行時(shí)內(nèi)部數(shù)學(xué)模型如圖5所示。

4 模糊控制

傳統(tǒng)控制方法要求對(duì)受控模型有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型描述，但實(shí)際應(yīng)用過程中，受控對(duì)象往往含有諸多無法通過數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確描述的特點(diǎn)，如鉛酸蓄電池充電過程中存在非線性、時(shí)變性等特點(diǎn)，此時(shí)傳統(tǒng)的控制模式對(duì)控制對(duì)象難以準(zhǔn)確控制，而通過將人的思維、經(jīng)驗(yàn)判斷轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜對(duì)象的有效控制，即模糊控制，就能大大降低控制難度[11-13]。

圖5 鉛酸蓄電池電路數(shù)學(xué)模型Fig.5 Mathematical model of lead-acid battery circuit

該模糊控制器以蓄電池的充電功率信號(hào)作為輸入，以PWM 信號(hào)的修正占空比作為輸出，通過模糊規(guī)則設(shè)置使蓄電池充電功率接近最大，同時(shí)保證充電平穩(wěn)性，避免電壓或電流出現(xiàn)較大波動(dòng)損害蓄電池壽命，模糊控制器使用三角形隸屬度函數(shù)對(duì)輸入dP的模糊化處理和對(duì)輸出dD的去模糊化處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過程的模糊控制，保證充電的安全與效率。模糊控制規(guī)則見表1，模糊控制輸入與輸出隸屬度函數(shù)圖形如圖6所示。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rules

圖6 模糊控制輸入dP和輸出dD 隸屬度函數(shù)Fig.6 Fuzzy control input dP and output dD membership function

5 仿真分析

5.1 SEPIC電路模型

SEPIC電路以光伏太陽能板模塊輸出的電壓作電路輸入電壓，經(jīng)過由PWM 信號(hào)控制的MOSFET改變電路狀態(tài)，輸出穩(wěn)定電壓為鉛蓄電池充電，設(shè)置SEPIC電路電感L1為1 mH，L2為10 mH；電容C1為47 μF，C2為220 μF；電阻R1為1 Ω，R2為10 Ω。電池模型的種類為鉛酸蓄電池，額定電壓為18 V，額定容量為18 A·h，設(shè)定的初始電池電量為99.998%，電池的響應(yīng)時(shí)間為30 s，SEPIC電路仿真如圖7所示。

圖7 SEPIC電路仿真示意圖Fig.7 Schematic of SEPIC circuit simulation

5.2 控制電路子系統(tǒng)

控制電路子系統(tǒng)[14]包括實(shí)時(shí)PWM 信號(hào)輸出及PWM 占空比修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電的模糊控制。子系統(tǒng)首先采集電路輸入電壓，經(jīng)過如圖7所示流程取一定精度電壓值通過查表計(jì)算確定所需要輸出的占空比，模糊控制系統(tǒng)采集電池充電的電壓與電流信號(hào)作為模糊控制的輸入信號(hào)，通過如圖7所示流程，由模糊控制規(guī)則計(jì)算輸出占空比所需修正的數(shù)值，最終修正后的占空比信號(hào)輸出至電路控制電池充電。

圖8 模糊控制規(guī)則Fig.8 Fuzzy control rules

在模糊控制器中，經(jīng)由規(guī)則控制（如圖8所示），輸入量與輸出量構(gòu)建出確定的映射空間，通過映射空間映射關(guān)系，確定對(duì)于電池充電功率變化dP，占空比需要的變化量dD。

5.3 仿真結(jié)果分析

相較于恒壓控制，模糊控制下輸出電壓略有提高，充電電壓曲線仿真結(jié)果如圖9所示，由于電壓變化較小，可視為具有穩(wěn)定的恒壓輸出。

圖9 充電電壓曲線Fig.9 Charging voltage curve

模糊控制與恒壓控制所得輸出電流均較小，但前者電流略大于后者，充電電流曲線仿真結(jié)果如圖10所示，圖中負(fù)值表示輸入，較小充電電流有利于避免過充現(xiàn)象，但兩者中間波動(dòng)都較頻繁，會(huì)損失一部分充電效率。

圖10 充電電流曲線Fig.10 Charging current curve

充電電池電量曲線如圖11所示，采用模糊控制的電池電量曲線，充電效率相比較于恒壓控制而言，提升較為明顯，同時(shí)滿足蓄電池充電后期恒壓電流小的要求，由此表明所設(shè)計(jì)的太陽能充電控制器能夠?qū)π铍姵剡M(jìn)行高效充電。

圖11 充電電池電量曲線Fig.11 Rechargeable battery power curve

6 結(jié)語

通過對(duì)太陽能充電控制器各組成部分的研究，以及后續(xù)集成的綜合考慮，最終確定了設(shè)計(jì)方案；通過Simulink 進(jìn)行模型仿真，確定了該方案的可行性；通過與恒壓控制的比較，發(fā)現(xiàn)采用模糊控制的電池充電電壓與電流均略高，充電效率提升較為明顯，達(dá)到提升充電效率的設(shè)計(jì)目的，后續(xù)將通過對(duì)控制器算法進(jìn)行改進(jìn)，使充電曲線盡可能符合蓄電池充電特性曲線，以期進(jìn)一步提高充電效率。

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