独立光伏系统高效充电策略研究.doc

本文由huarobust贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 总第 47 卷 2010 年 第 538 期 电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation Vol.47 No.538 Oct. 2010 第 10 期 独立光伏系统高效充电策略研究 张鸿博1， 蔡晓峰2， 赵慧光3 （1.华北水利水电学院， 郑州 450011； 2.河南工程学院， 河南 新郑 451191； 3.河南省新乡供电公司， 河南 新乡 453002) 摘要： 首先介绍了光伏电池的特点和独立式光伏系统的一般结构， 然后重点对充电算法进行了研究， 提出了将 MPPT应用于充电系统的方案，指出了普通三段式充电算法应用于独立光伏系统存在的问题和解决的方法， 并 建立了matlab仿真模型进行了仿真验证， 仿真结果证明了算法的正确性。 关键词： 太阳能电池； 最大功率点跟踪； 充电； 中图分类号： TM615 文献标识码： B 文章编号： 10011390 （2010 10002903 ） Research on High-efficiency Charge Strategy for Stand-alone Photovoltaic System ZHANG Hong-bo1, CAI Xiao-feng2, ZHAO Hui-guang3 (1. North China University of Water Conservancy and Electric Power, Zhengzhou 450011, China. 2. Henan Institute of Engineering, Xinzheng 451191, Henan, China. 3. Xinxiang Power Grid Corporation, Xinxiang 453002, Henan, China.) Abstract： characteristic of the photovoltaic cells and the common structure of the stand -alone photovoltaic The system are introduced fristly, then the charge strategy is focused on. The charge strategy with MPPT function and the problems and resolution method of the general 3-stage charge strategy are proposed. the simulating model is built on matlab and the simulating result shows the correctness of this high-efficiency photovoltaic charging strategy. Keywords: photovoltaic cells, maximum power point tracking, charge 引 言 目前， 在独立光伏发电系统中通常采用铅酸蓄电 池组作为储能环节。 在利用太阳能电池给蓄电池充电 的过程中， 由于受太阳能电池输出特性的制约， 太阳 0 能电池并非时刻工作在最大功率点附近， 因而造成了 太阳能电池能量的浪费， 而最大功率点跟踪(MPPT)能 解决这一问题； 同时， 由于充放电控制不合理很容易 导致蓄电池提前损坏， 寿命缩短， 因而蓄电池的充放 电管理就显得尤为重要。为此， 在设计光伏充电系统 中， 既要考虑太阳能电池的MPPT， 又要考虑蓄电池的 充放电特性。 光伏电池最大功率点跟踪 光伏电池在一定日照和温度下具有一个最大功 率点1， 且最大功率点受到温度和日照强度的影响会 发生改变， 需要一定的算法才能使光伏电池工作在最 大功率点处。光伏系统最大功率点跟踪方法很多2-4， 1 算法的选择要根据独立式光伏系统的特点和算法的 难易程度， 在独立光伏系统的应用中， 光伏阵列和蓄 电池之间的接口通常采用DC/DC变换器， 拓扑结构如 图1所示。 DC/DC PWM U,I 图1 独立光伏系统框图 Fig.1 Block diagram of the stand-alone PV system 由于蓄电池本身是一个电压源， 那么该DC/DC变 换器的输出电压就可以认为在短时间内是一个常量。 在理想情况下， DC/DC变换器的功率损耗为零，那么 光伏电池输出的全部功率与蓄电池吸收的全部功率 相等。由于蓄电池端的电压短时间内认为不变， 那么 - 29 - 总第 47 卷 2010 年 第 538 期 电测与仪表 第 10 期 Electrical Measurement & Instrumentation 只需测量蓄电池端的电流， 当蓄电池的充电电流达到 最大值时， 就认为光伏电池输出最大功率。因此通过 对电流的监测来控制占空比的扰动。 当增大占空比使 电流增大时则继续增大占空比， 当增大占空比使电流 减小时则减小占空比； 同样当减小占空比使电流增大 时则继续减小占空比， 当减小占空比使电流减小时则 增大占空比。 占空比扰动法由于直接把占空比作为控 制变量， 只需要控制一个参数， 从而使控制器简单化， 降低了成本。 2 蓄电池优化充电策略 在独立光伏供电系统中，在太阳辐射强度较高 时， 容易造成蓄电池组过充； 太阳辐射强度较低时， 又 容易造成蓄电池组欠充等。 为了保证系统正常供电和 Fig.2 Relationship between Iset and Ib-D curve under insufficient sunshine radiation 蓄电池的充电电流Ib大于恒流充电的设定电流值Iset。 如图3， 最大功率点充电时运行于最大功率点M附近， 充电电流Ib大于Iset， 这时切换为PI恒流充电， 假设PI算 法Kp、 i取正， K 由于误差 erro=Iset-Ib 为负， （I ） 则PI算法使 占空比减小， 最终会稳定在B点， 实现恒流充电。 结合MPPT的恒流充电算法流程图如图4。 I 延长蓄电池的使用寿命， 必须采用合理优化的算法尽 三段式充电方式 可能降低这些因素对蓄电池的影响。 是铅酸蓄电池经常采用的充电方式 5，即：恒流充 电 恒压充电 涓流充电， 但由于光伏电池工作 环境的特殊性， 算法应用于光伏充电时需要做适当的 改变。 （1 恒流充电 ） 在充电初期， 蓄电池的荷电状态比较低， 可以采 用比较大的电流充电， 充电时功率较大， 有文献指出 该阶段可以通过传统的PI算法实现恒流充电， 但需要 注意的是， 在阳光不充足时， 光伏电池输出功率有限， 为了提高充电 会出现不能维持给定充电电流的情况。 效率，比较合理的方案是这种情况下更换为MPPT充 电。 PI恒流充电与MPPT充电之间的切换判据是算法 需要考虑的重要问题，图2曲线EFG是蓄电池充电电 流与占空比之间的关系示意图4,6， 由图2可以看出， 当 日照不足时， 无论如何调节占空比蓄电池的充电电流 Ib均小于Iset， 这样对于PI算法来说， （Ierro=Iset-Ib 一 误差 ） 会 直为正，由于PI算法积分环节对误差的累积作用， 使DC/DC变换器的占空比最终会变为极限值。 因此规 定恒流充电向MPPT充电切换的判据是占空比已到极 限值但蓄电池充电电流Ib和设定值Iset仍有误差。占空 比极限值可以根据光伏电池的最大功率点电压Vmpv和 蓄电池的电压Vbat计算得到， 如果图1中DC/DC变换电 路为BOOST电路， 则最大功率点对应的占空比近似为 Dm=1-Vmpv/Vbat， 考虑到蓄电池电压在充电过程中的变 化和温度日照等因素的影响，占空比极限值可以取 1.52倍Dm。 当日照增强时MPPT充电电流会大于Iset，这样规 定MPPT充电切换到恒流充电的判据是MPPT充电时 - 30 - I 图3 日照较强时Iset与Ib-D曲线关系 under enough sunshine radiation Fig.3 Relationship between Iset and Ib-D curve 图4 MPPT&恒流充电流程图 Fig.4 Flow chart of MPPT&constant-current control ? ? ? ? ? ? ? ? Vol.47 No.538 Oct. 2010 I I F E G D 图2 日照不足时Iset与Ib-D曲线关系 A dD=K *(I ? ? ? ? ? ? M B C D U(k) I(k) U(k)=U1 I(k)I MPPT U(k) I(k) U(k)=U1 D=D &I(k)=U1 I(k)I MPPT U(k) I(k) U(k)=U1 D=D &I(k)I PID (k)-I (k-1)+K *(I D(k)=D(k-1)+dD (k) 总第 47 卷 2010 年 第 538 期 电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation Vol.47 No.538 Oct. 2010 第 10 期 （2 恒压充电 ） 当快速充电进行一段时间后， 根据蓄电池电压变 化适时进入恒压充电阶段。此时， 充电器的控制对象 为蓄电池的端电压， 并且通过恒压算法稳定蓄电池电 和恒流充电情况类似， 日照不 压， 从而实现恒压充电。 足时一样会出现不能维持给定电压的情况， 由于传统 PI算法积分环节对误差的累积作用， 会使DC/DC变换 器的占空比变为极限值。此时仍然应该改为MPPT充 电， 以便以最接近给定电压的值充电。切换判据与恒 减弱， 当充电电流小于设定阀值时， 则退出恒压充电， 进入涓流充电。 此时充电器的控制对象仍然是蓄电池 电压， 算法与恒压充电算法类似， 只是设定值不同， 不 再赘述。 仿真研究 为了验证算法的效率和正确性，在SIMULINK中 分别对太阳能电池、 DC/DC变换器等进行了建模， 开 发了恒流充电算法模块、 恒压充电算法模块并进行了 仿真验证， 限于篇幅， 这里只给出恒流充电算法的仿 3 真模型和结果。 仿真模型如图5，蓄电池用24V直流电源和1小 电阻串联仿真， DC/DC变换器采用BOOST升压电路， 流充电类似， 只是控制对象换为充电电压， 不再详述。 （3 涓流充电 ） 随着恒压充电的进行， 蓄电池对电流的接受能力 电感取1mH， 电容取400F。 MPPT & PI模块实现文中 恒流充电算法的仿真， 其中Kp=0.1， i=0.04， K 采样时间 占空比上限取0.6， 恒流充电的设定值Iset为1. 取0.003s。 时， 切换为PI恒流充电。 2A。系统首先按MPPT运行，当发现充电电流高于Iset 为了充分验证算法的正确性， 对日照突然增强和 突然减弱两种情况均进行仿真， 日照变化按图6进行。 /(kW/m ) 0.9 0.75 0.075 图6 日照变化曲线 Fig.6 Change curve of sunshine radiation 图5 仿真模型 Fig.5 Simulating models /s 0.2 0.5 仿真结果如图7， 图中可以看出， 开始时按MPPT 充电， 由于日照不足， 充电电流不能达到1.2A， 于是在 0.075s时日照增强，充电电流高 最大功率点处充电， 于1.2A， 由MPPT充电切换为PI恒流充电， 系统稳定在 1.2A充电； 0.2s时日照降低， 由于充电电流Ib小于Iset， 误 差为正， PI算法调节占空比逐渐增大，占空比在0.38s 图7 恒流充电仿真波形 Fig.7 The simulation waveform of constant-current charging algorithm （下转第 58 页 ） - 31 - 总第 47 卷 2010 年 第 538 期 电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation Vol.47 No.538 Oct. 2010 第 10 期 结 论 设计了一台具有调光节能功能的数字化高压钠 灯电子镇流器， 制作了实验样机， 对样机做了全面的 实验， 实验结果表明， 该镇流器各项性能指标满足设 3 计要求， 可以方便的实现较宽范围的调光， 节能效果 明显， 在城市路灯照明系统及工业照明系统中具有广 泛的应用前景。 参考文献 1 徐殿国， 韩颖， 李晓强.基于LCC谐振网络的HPS灯电子镇流器启动 方法的研究D.第十六届全国电源技术年会论文集： 889- 891. XU Dian- guo, HAN Ying, Li Xiao- qiang. Research on start- up of HPS electronic ballast based on LCC resonant networkD.Proceedin gs of the 16th national conference on power technology： 889- 891. 现代电力电子电路M.杭州： 浙江大学出版社,2002. 2 林渭勋， 3 X.Cao,Wei Yan,S.Y.R.Hui,etc.High freq- uency modeling of low- wattage high- inten- sity- discharge ( HID ) lamp J . IEEE Power Ele- ctronics Specialists Conference,2001(1):62- 66. 4 Dorr,D.S.,Mansoor,A.;Morinec,A.G.,ect.E- ffects of power line voltage variations on different types of 400- W high- pressure so- dium ballast J. IEEE Transactions On Indus- try Applications,Vol 33,No.2,March/April 1997:472- 476. 作者简介： 男， 从事电力电子在电力系 刘炳正(1985- )， 硕士研究生， 统中的应用的研究。Email: 王归新(1961- )， 博士， 男， 从事新能源与有源电力控制器 技术研究。 收稿日期： 20100628 （田春雨 编发 ） （上接第 31 页 ） 左右调节到极限值0.6但充电电流始终低于1.2A， 此 时切换为MPPT充电， 这样提高了充电效率， 使得蓄电 池以最接近Iset充电。 恒压充电和恒流充电算法原理一致， 只是控制对 象为蓄电池的端电压， 不再赘述。 4 结束语 在分析光伏电池和蓄电池特性的基础上， 重点研 究了具有MPPT功能的光伏供电系统充电策略， 该策略 以三段式充电方法为基础， 将MPPT与其结合， 重点分 析了MPPT和PI恒流和恒压算法的切换依据。 该方法结 构简单， 控制方便， 效率高。通过Matlab仿真实验结果 验证了该方案的可行性和正确性， 有一定应用价值。 参考文献 1崔岩， 蔡炳煌， 李大勇， 等太阳能光伏系统MPPT控制算法的对比 研究J. 太阳能学报， 2006， （6 ： 27 ） 535- 537. Cui Yan, CAI Bing- huang, LI Da- yong, et al. Comparative Studies on the MPPT Control algorithms of Solar Energy Photovoltaic System J. Acta Energiae Solaris Sinica, 2006， （6 ： 27 ） 535- 537. 2崔开涌， 陈国呈， 张翼， 等光伏系统最大功率点直接电流跟踪策略 J. 电力电子技术， 2008， （9 ： 28， 42 ） 2741. CUI Kai- yong, CHEN Guo- cheng, ZHANG Yi, et al. A Maximum Power Point Direct Current Tracking Strategy of Photovoltaic System J. Power 42 ） 2741. Electronics, 2008， （9 ： 28， 3周林， 武剑， 栗秋华， 等光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述J. 高电压技术， 2008， （6 ： 34 ） 1145- 1154. ZHOU Lin, WU Jian, LI Qiu- hua, et al. Survey of Maximum Power Point Tracking Techniques for Photovoltaic Array J. High Voltage Engineering, 2008， （6 ： 34 ） 1145- 1154. 20100528 收稿日期： （杨长江 编发 ） 赵慧光 （1981-） 男， ， 硕士， 工程师， 从事电力系统运行 与维护工作。 蔡晓峰 （1981-） 女， ， 硕士， 讲师， 从事光伏发电技术研 究。 张鸿博 （198