獨立光伏照明系統(tǒng)中蓄電池充電控制策略

李世光

(中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008)

引言

獨立光伏照明系統(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，存在的主要問題是光伏電池效率的提高和蓄電池使用壽命的延長。針對以上兩個問題，本文提出一種用于獨立光伏照明系統(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，實現(xiàn)了獨立光伏照明系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

1 獨立光伏照明系統(tǒng)的組成

獨立光伏照明系統(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)計標準》的照明強度要求，并滿足如下照明時間指標：路燈每天工作8小時，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)鉛酸免維護電池。

2 光伏電池最大功率點跟蹤

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

采用擾動觀察法實現(xiàn)光伏電池的最大功率點跟蹤。先對光伏電池的輸出電壓和電流進行連續(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)，計算它們的乘積P(k)即為當前功率，然后減去上一次的功率P(k-1)，得到功率差△P，如果△P=0，則不進行擾動；如果△P>0，則說明擾動使功率向著增大的方向變化，所以繼續(xù)保持原有的擾動△U方向不變；如果△P<0，則說明擾動使功率向著減小的方向變化，則說明擾動的方向是錯誤的，所以需要改變擾動△U的方向，使△U=－△U，然后將擾動△U加在電壓基準Upref(k)上，即，至此完成一次擾動。再將本次采樣的 Up(k)、Ip(k)、P(k)作為基準，繼續(xù)擾動，直到系統(tǒng)跟蹤到光伏電池的最大功率點為止。

擾動觀察法的優(yōu)點是：跟蹤準確，光伏電池轉(zhuǎn)換效率較高，采樣精度要求低，較易實現(xiàn)。

3 蓄電池充電控制策略

在獨立光伏照明系統(tǒng)中，光伏電池本身的非線性等因素的影響，傳統(tǒng)的充電方法不再適用，需要設(shè)計一種適用于獨立光伏照明系統(tǒng)的充電策略。

為了充分的利用太陽能，同時兼顧蓄電池的使用壽命，本文設(shè)計了由最大功率充電、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，可以只考慮光伏電池最大功率的實現(xiàn)，近似于恒流充電。充電過程中，電路檢測蓄電池端電壓Ub。當蓄電池端電壓上升到設(shè)定的門限值時，進入恒壓充電。

（2）恒壓充電：以一個較高的電壓給蓄電池充電，同時檢測充電電流Ib,起到保護蓄電池的作用。當充電電流下降到門限值時，認為蓄電池電量已充滿，充電進入浮充階段。

（3）浮充：為了彌補蓄電池的自放電，以一個比恒壓充電電壓稍小的基準電壓對蓄電池進行充電。

4 仿真驗證

統(tǒng)中蓄電池充電控制策略的設(shè)計后，采用Saber軟件進行了仿真驗證。仿真時，由于蓄電池充電時間太長，且恒壓充電和浮充均是以恒定電壓為蓄電池充電的，因此只對最大功率充電和恒壓充電進行了仿真驗證。在Saber中搭建了獨立光伏照明系統(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并以最大功率給蓄電池充電，直到19ms時充電電壓達到57V，充電電路切換成57V恒壓充電，系統(tǒng)不再進行最大功率點跟蹤。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，說明這種充電策略確實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

本文研究一種獨立光伏照明系統(tǒng)中的蓄電池充電控制策略。采用擾動觀察法跟蹤最大功率點，軟硬件簡單，容易實現(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蓄電池在充電過程中不受損壞，延長其使用壽命，浮充階段能夠彌補蓄電池的自放電。最后通過Saber軟件仿真驗證了該系統(tǒng)蓄電池充電控制策略的有效性。

[1]楊金煥，陳中華.21世紀太陽能發(fā)電的展望.上海電力學(xué)院學(xué)報.2001，17(4)：23-28.

[2]金步平，陳哲良.太陽能與照明[J].新能源及工藝.2001，3：7-10.

[3]成志秀，王曉麗.太陽能光伏電池綜述[J].信息記錄材料.2007，8(2)：41-47.

[4]江小濤，吳麟章，周明杰.太陽電池最大功率點跟蹤研究.武漢科技學(xué)院學(xué)報.2005年，18卷(第 4 期):43～46.

[5]張化德.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究.［D］.濟南:山東大學(xué).2007年

[6]劉莫塵.獨立光伏發(fā)電的自動跟蹤系統(tǒng).［D］.濟南:山東大學(xué).2005年