光伏发电系统蓄电池充电控制器的研究

史凡

【摘 要】研究光伏电池的输出特性并跟踪最大功率，将最大功率点输出的电压和电流给蓄电池充电。设计DC-DC功率变换器将光伏阵列与蓄电池隔离，控制器对蓄电池进行充电和保护，利用matlab仿真显示充电的效果，实验表明该控制器可以充分利用太阳能并且提高蓄电池的充电速度，延长蓄电池的寿命。

【关键词】光伏电池；蓄电池充电；matlab仿真

0 引言

在光伏发电系统中，蓄电池是其重要的组成部分，蓄电池充电性能的好坏直接影响光伏发电的发展。由于受到环境变化的影响较大，光伏电池输出的电压和电流不稳定，此电能的质量和性能较差，难以直接给负载使用，因此需要控制器將该电能适当的控制和变换后，才能给负载使用。对于光伏发电系统的最大功率点跟踪，将跟踪到的电压和电流利用DC-DC功率变换器对蓄电池充电，使太阳能和蓄电池都能充分利用[1]。

1 光伏电池的输出特性

由于环境温度和光照强度对光伏阵列的输出电压和电流影响较大，光伏阵列输出的I-U、P-U曲线均是非线性曲线。通过实验仿真得到I-U和P-U的特性曲线，由曲线得知在一定的温度和光照强度下，当输出电压增大时，电流在一定范围内基本保持不变，随即剧烈下降；而光伏电池输出功率曲线上存在一个最大功率点Pm，同时对应的最大电压和电流是Um、Im，最大输出功率Pm=Um*Im[2]。光伏电池P-U曲线如图1所示。

2 蓄电池充电控制器的设计

光伏阵列由于受到温度、光照等环境因素的影响，其输出的电能不稳定，质量不好，提供给蓄电池的电压和电流也不稳定[3]。通过各种类型蓄电池的比较，本文选择铅酸蓄电池，它有较大的储存量、可靠的充放电性能、并且较低的价格。以下对蓄电池进行三段式充电。

（1）第一阶段：MPPT最大功率充电

将光伏阵列的输出电压、输出电流为UP、IP送入控制器，通过对各种MPPT控制算法的比较，采用变步长电导增量法寻找最大功率点，由控制器发出PWM信号控制BUCK电路的MOSFET，进而对蓄电池以最大功率充电。通过检测蓄电池的端电压和电流，再把检测信号反馈回控制器，从而达到对蓄电池充电进行管理的目的，保护蓄电池[4]。

（2）第二阶段：恒压充电

在第一阶段MPPT充电的过程中，蓄电池电压逐渐增大，但是只能充到蓄电池额定容量的80%-90%，为了使其容量达到100%，采用恒压充电。在蓄电池电压达到14.35V时，进入恒压充电。

（3）浮充充电

浮充充电是为了补充铅酸蓄电池的自然放电损失的电能，该阶段将充电电流稳定在0.2A左右。

2.2 充电系统仿真

蓄电池充电方式采用三段式充电，第一阶段对蓄电池以最大功率充电，仿真实验从蓄电池电量的80%开始充电，此时电池电压为12.8V。当充电电压达到14.35V时，第一阶段结束；第二阶段恒压充电开始，充电电压恒定为14.35V；第三阶段为浮充充电，充电电压13.8V。

3 结论

通过matlab软件仿真得到蓄电池充电仿真如图2所示。通过仿真波形可看出，蓄电池的充电电压与设计中的理想状况下最佳充电特性曲线电压比较接近。这有利于提高蓄电池的充电效率和利用率。实验表明该控制器可以充分利用太阳能并且提高蓄电池的充电速度，延长蓄电池的寿命。

【参考文献】

[1]刘军.改进型MPPT算法的太阳能充放电控制器设计与实现[D].华南理工大学，2015.

[2]王猛.光伏发电系统并网逆变器控制策略研究[D].华北电力大学，2015.

[3]粟梅，李黎明，孙尧，等.独立光伏系统用蓄电池充放电策略的设计[J].电工文摘，2012，48（1）：127-130.

[4]罗浩.光伏发电充电与逆变控制研究[D].西安工业大学，2015.

[责任编辑：朱丽娜]endprint