易 磊，黃啟元，李嘉澤，劉成勇，朱雙喜

(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

光伏發(fā)電是當(dāng)前太陽能資源利用的一種十分重要的途徑，但它存在間歇性、隨機性等特性，這要求光伏系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)電和儲能控制平衡。蓄電池是光伏系統(tǒng)中常用的儲能裝置，實際使用中常常會因充放電問題使得蓄電池壽命短、容易失效?？紤]以上因素，目前已有許多光伏發(fā)電控制器的設(shè)計方案和蓄電池充電策略。

文獻(xiàn)[1]對現(xiàn)有鉛酸蓄電池充電控制策略進行分類與歸納，總結(jié)了不同充電策略的特點與應(yīng)用場合。文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一種充電電路拓?fù)洌岢鲆环N三階段充電策略，保證充電電流處于馬斯曲線內(nèi)。但其仍然采用的是連續(xù)式充電策略，在蓄電池端電壓接近飽和時，電池可接受充電電流將變小，充電效率降低。文獻(xiàn)[3]將MPPT 與三階段充電策略結(jié)合，保證太陽能的利用效率。但其未考慮蓄電池充電末期的極化等現(xiàn)象，使得充電末期充電速度慢，而且電池極化、析氣將對電池壽命造成損傷。

針對以上問題，本文結(jié)合MPPT 與蓄電池脈沖充電技術(shù)，提出基于MPPT 的脈沖充電控制策略，在提高太陽能利用效率的同時，對蓄電池有一定的保護。

1 光伏電池充電控制系統(tǒng)

光伏電池充電控制系統(tǒng)見圖1，包括光伏電池，DC/DC 變換器，蓄電池及控制器。光伏電池將太陽能經(jīng)過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽绷髯儞Q器采用BUCK 降壓電路，對蓄電池進行充電。

圖1 光伏電池充電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1 中，控制器ADC 模塊采集光伏電池與蓄電池的端電壓和電流，處理器通過數(shù)字控制技術(shù)實現(xiàn)光伏電池MPPT 和蓄電池脈沖充電算法，輸出PWM 信號通過驅(qū)動電路后控制DC/DC 變換器開關(guān)工作。

2 MPPT 與蓄電池階段式充電控制

2.1 最大功率點跟蹤控制

光伏電池輸出電壓和電流受外界光照強度、溫度以及電路負(fù)載變化的影響，圖2 所示為光伏電池工作特性曲線。在環(huán)境條件一定時，光伏電池輸出功率隨電壓非線性變化，存在最大功率點[3]。

圖2 光伏電池P-V特性曲線

從圖2 可知，在外界環(huán)境條件一定時，當(dāng)負(fù)載與光伏電池內(nèi)阻相等時，光伏電池輸出最大功率。光伏電池MPPT 控制原理正是通過調(diào)節(jié)直流變換器的占空比，使得負(fù)載與光伏電池等效內(nèi)阻相等，從而達(dá)到最大功率點跟蹤。

常規(guī)MPPT 控制算法以光伏電池P-V特性曲線的單峰值為基礎(chǔ)，主要有恒定電壓法、擾動觀察法和電導(dǎo)增量法等[3]。本文為實現(xiàn)光伏系統(tǒng)MPPT 控制的準(zhǔn)確性與快速性，采取電導(dǎo)增量法來跟蹤光伏電池最大功率點，具體控制算法流程圖見圖3。

圖3 電導(dǎo)增量法控制流程圖

圖3 中電導(dǎo)增量法是根據(jù)光伏電池功率和電壓的導(dǎo)數(shù)來調(diào)節(jié)輸出功率，從而實現(xiàn)最大功率點跟蹤。光伏電池最大功率點處功率和電壓導(dǎo)數(shù)為零，當(dāng)光伏電池工作在最大功率點左側(cè)時，需要對電壓進行正向調(diào)節(jié)；當(dāng)工作在最大功率點右側(cè)，需要對電壓進行反向調(diào)節(jié)。

2.2 蓄電池階段充電控制

蓄電池作為光伏系統(tǒng)中重要的儲能裝置，主要用于儲存多余的電能和對負(fù)載進行放電，因此蓄電池的充放電控制對于光伏系統(tǒng)有重要意義。傳統(tǒng)的充電方法有恒壓充電法、恒流充電法和三階段充電法等[4]，其中三段式充電方式因為具有恒壓充電與恒流充電的優(yōu)點，目前有一定的應(yīng)用。

三階段充電實現(xiàn)過程是首先對蓄電池小電流修復(fù)充電，然后進行大電流充電和恒壓充電，最后完成浮充充電。若剛開始蓄電池處于深度放電的狀態(tài)，初始電壓過低，為避免充電電流過大，對蓄電池進行小電流修復(fù)充電。隨著電池的電壓上升，當(dāng)上升到電池能接受大電流時，則進行大電流充電。當(dāng)電壓升高到一定的值后，蓄電池進入恒壓充電階段。當(dāng)電流下降到一定值，蓄電池接近充滿，開始進入浮充階段。

三階段充電控制雖可以實現(xiàn)蓄電池正常充電，但為了最大限度地利用太陽能，本文將MPPT 與三階段充電策略相結(jié)合，由MPPT 充電取代傳統(tǒng)的大電流充電階段，從而保證光伏電池最大功率輸出，圖4 為MPPT 與階段充電控制流程圖。

圖4 中，初始設(shè)置電池電壓和電流最大值，當(dāng)電壓和電流較小時啟動MPPT 對蓄電池充電，充電電流達(dá)到最大電流后切換到恒流充電，當(dāng)電壓達(dá)到最大功率點時進入恒壓充電，最后階段采用浮充充電。相較于傳統(tǒng)三階段充電，MPPT 充電可實現(xiàn)光伏電池最大功率輸出，并且加入恒流充電后可以限制MPPT 充電時電流過大，以此來保護蓄電池。

圖4 MPPT與階段充電控制流程圖

3 蓄電池脈沖充電控制

3.1 脈沖充電

脈沖充電可以實現(xiàn)快速充電，提高蓄電池的電流接受能力。因為充電方式為脈沖，充電期間對蓄電池進行充電，而間歇期間停止對蓄電池充電，提供電解水副反應(yīng)所產(chǎn)生的氫氣和氧氣重新化合的時間，使蓄電池重新回到最佳狀態(tài)[5-7]。

傳統(tǒng)三段式充電方法在充電后期，充電電流比較小，導(dǎo)致較長的充電時間。本文提出在充電末期采用脈沖充電縮短充電時間，提高蓄電池的電流接受能力并且延長蓄電池的使用壽命。

3.2 MPPT-脈沖充電

本文提出的新型充電策略，在充電前期采用MPPT 充電，而在充電末期采用脈沖充電，既保證光伏電池最大功率輸出，同時也可以加快充電速度，延長蓄電池使用壽命?；贛PPT 的蓄電池脈沖充電策略流程圖見圖5。

圖5 中，初始采用小電流充電激活蓄電池，之后采用MPPT 充電和恒流充電，當(dāng)蓄電池容量充至80%時進入脈沖充電，后期隨著脈沖充電進行，脈沖周期增大，占空比逐步減小，最后結(jié)束充電。

圖5 基于MPPT的蓄電池脈沖充電流程圖

基于MPPT 的蓄電池脈沖充電電路見圖6，控制開關(guān)管Q1 實現(xiàn)涓流、MPPT 和恒流充電，進入脈沖充電階段前，Q2 始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。隨著蓄電池容量增加，進入脈沖充電階段時，用PWM 控制開關(guān)管Q2，Q2 斷開時，光伏電池?zé)o法向負(fù)載供電，以此來實現(xiàn)脈沖[6-7]。

圖6 基于MPPT的蓄電池脈沖充電電路

4 仿真分析

4.1 MPPT 充電仿真

為驗證蓄電池初始階段MPPT 充電控制策略的可行性，在Matlab/Simulink 中對光伏系統(tǒng)蓄電池MPPT 充電階段進行仿真，采用電導(dǎo)增量法搭建的蓄電池MPPT 充電控制模型見圖7。其中光伏板特性曲線如前述圖2 所示，初始光照強度為1 000 W/m2，2 s 時光照強度受擾動變?yōu)?00 W/m2，溫度恒定為25°C 不變，蓄電池選用12 V/20 Ah 的鉛酸蓄電池模型。

圖7 蓄電池MPPT充電控制模型

圖8 為MPPT 充電仿真結(jié)果。從圖8 可知，在MPPT 充電模式下，2 s 光照強度變化前后可計算得到蓄電池充電功率分別約為183 和94 W，對比圖2 中光伏電池特性曲線，可知光伏電池工作在最大功率點，從而驗證采用電導(dǎo)增量法實現(xiàn)MPPT 充電的可行性。

圖8 MPPT充電仿真結(jié)果

4.2 浮充與脈沖充電對比仿真

為對比蓄電池末期采用浮充充電和脈沖充電的控制效果，分別搭建浮充充電和脈沖充電控制策略圖如圖9 所示。

圖9 蓄電池浮充與脈沖充電控制策略

圖9(a)浮充充電控制采用將給定電壓13.2 V 與蓄電池采樣電壓進行PID 運算后輸出PWM，控制開關(guān)管Q1 的占空比，從而實現(xiàn)對蓄電池的浮充充電。圖9(b)脈沖充電設(shè)定給定電壓為13.6 V，同樣經(jīng)過PID 運算后輸出PWM 控制開關(guān)管Q1通斷，Q1 占空比為可變值，脈沖電流大小由Q1 控制。脈沖周期與占空比由Q2 控制，占空比為80%，脈沖周期為1 s。

設(shè)定蓄電池末期的初始電池容量為90%，此時光伏系統(tǒng)蓄電池將進入浮充充電與脈沖充電模式。將圖7 中控制部分分別采用浮充充電與脈沖充電進行仿真，其余環(huán)境條件保持不變，得到仿真結(jié)果見圖10。

由圖10 仿真結(jié)果可知，從第二階段MPPT 模式退出后，第三階段脈沖充電模式下的電流5 A 大于浮充充電模式下的電流1.8 A，在仿真的4 s 時間內(nèi)，脈沖充電下蓄電池容量增加0.22%，浮充充電下蓄電池容量增加0.07%，脈沖充電的充電電流和充電速度為浮充充電的三倍左右。因此與傳統(tǒng)的浮充充電方式相比，脈沖充電方式大大縮短蓄電池充電時間，有效地延長了蓄電池的壽命。

圖10 蓄電池浮充與脈沖充電仿真對比圖

5 結(jié)論

本文基于最大功率點跟蹤技術(shù)，提出一種蓄電池充電策略，能夠提高光伏發(fā)電效率，縮短蓄電池充電時間，并且延長蓄電池的使用壽命。在Simulink 中搭建光伏系統(tǒng)蓄電池充電仿真模型，分別對蓄電池初始階段MPPT 充電策略和后期脈沖充電策略進行仿真，驗證了本文充電控制策略的可行性。