CN101860061B - 小功率独立光伏发电系统的充电控制方法 - Google Patents

小功率独立光伏发电系统的充电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小功率独立光伏发电系统的充电控制方法，属于光伏发电技术领域。该一种小功率独立光伏发电系统的充电控制方法充分利用光伏电池阵列的输出特性与铅酸蓄电池的充电特性来提高独立光伏发电系统的充电效率，实现光伏电池阵列与铅酸蓄电的最佳匹配，同时通过铅酸蓄电池的自放电增强其可接受的充电电流，在充电过程中使铅酸蓄电池完全吸收光伏电池阵列输出的电能，从而达到提高独立光伏发电系统的充电效率的目的。

Description

小功率独立光伏发电系统的充电控制方法
技术领域
本发明属于光伏发电领域，涉及一种小功率独立光伏发电系统的充电控制方法。
技术背景
太阳能是一种清洁的可再生能源，容易获得的能源资源。太阳能电池可以直接将太阳能转换为电能，不会对环境产生任何污染。近些年随着光伏发电技术的飞速发展，结合我国的基本国情，独立光伏发电系统的应用日益扩大，由于太阳能的安全、节能、方便、环保等优点，应用日具规模。
独立光伏发电系统由光伏电池阵列、控制器、铅酸蓄电池以及负载组成。控制器是独立光伏发电系统中的控制核心，而控制器的核心则是其充电控制策略。由于光伏电池阵列的输出呈现非线性，同时铅酸蓄电池的充电特性曲线也呈非线性，而且光伏电池阵列的输出功率有限，因此采用常规的控制方法具有一定的局限性。
就小功率独立光伏发电系统而言，为了提高系统的效率通常是让光伏电池阵列发挥最大的作用，采用的方法是通过最大功率跟踪算法(MPPT)使光伏电池阵列以最大功率输出。目前比较成熟的MPPT主要有恒电压跟踪方法、功率扰动法、电导增量法以及各种改进型的电导增量法等，其中恒电压跟踪方法是以电压值作为参考值进行控制，使光伏电池大致保持在最大功率点附近；功率扰动方法是逐步对光伏电池的工作电压进行调节，比较其功率输出以获得最大功率输出；电导增量法则是根据光伏电池的输出功率对工作电压的导数，根据导数的值对工作电压进行调节获得其最大功率输出。但是这些方法都具有一定的局限性，恒电压跟踪方法其实不能准确获得最大功率输出，因为不同的天气状况光伏电池阵列的最大功率点所对应的工作电压不是相等的；功率扰动法虽然比较简单，容易操作，但是它不能正确处理天气突然变化的情况，很容易出现误判，导致系统能量损失；电导增量法虽然应对天气变化的快速性比较好，能够准确使光伏电池阵列获得最大功率输出，但是系统对传感器的灵敏度要求比较高，造成硬件成本过高，因此也不太适合独立光伏发电系统。
在独立光伏发电系统中，光伏电池阵列最主要的作用是将太阳光转化为电能，铅酸蓄电池的最主要的作用是将光伏电池阵列转换得到的电能储存下来，因此提高系统的效率可以从光伏电池阵列和铅酸蓄电池两方面考虑。但是现在在已应用的小功率独立光伏发电系统中，没有分析真正影响系统效率的原因，仅仅单方面从光伏电池阵列输出功率的角度去考虑系统效率，没有很好对光伏电池阵列与铅酸蓄电池的工作状态进行匹配，因此其充电控制策略具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小功率独立光伏发电系统的充电控制方法，该控制方法能有效提高充电效率。
本发明的技术解决方案如下：
一种小功率独立光伏发电系统的充电控制方法，DC-DC变换器的输入端接光伏电池阵列，输出端接铅酸蓄电池，微处理单元发出PWM脉冲到DC-DC变换器的控制端，微处理单元实时检测光伏电池阵列以及铅酸蓄电池的端电压和电流，铅酸蓄电池通过受微处理单元控制的放电控制电路给负载供电；其特征在于：所述的小功率独立光伏发电系统的充电控制方法具体包括以下步骤：
步骤1：初始化：将匹配标志位设置为零；
步骤2：设定PWM的占空比a＝0.5，步长Δα；
步骤3：检测光伏电池阵列的输出电压Us、铅酸蓄电池的端电压Ui；
步骤4：判断Us＞Ub是否成立，如果不成立，则等待10秒后跳至步骤3；
步骤5：判断Ul≤Ub＜Um是否成立，其中Ul为铅酸蓄电池的过放电钳位电压，Um为铅酸蓄电池的过充电钳位电压，如果不成立，则跳至步骤20；
步骤6：检测光伏电池阵列的输出电流Ii+1；
步骤7：判断|Ii+1-Ii|＞ΔI，Ii为上一次光伏电池阵列的输出电流，电流采集的时间间隔为10秒，ΔI为电流变换误差，如果不成立，则跳至步骤10；
步骤8：令匹配标志位为零；
步骤9：停止充电，即令PWM的占空比为0，释放放电脉冲触发铅酸蓄电池的自放电电路实现铅酸蓄电池的自放电；
步骤10：判断匹配标志位是否为1，如果成立，则跳至步骤19；
步骤11：检测光伏电池阵列的输出电压Ui，输出电流Ii，并计算其输出功率Pi＝Ui*Ii，同时令α＝α+Δα；
步骤12：继续检测光伏电池阵列的输出电压Ui+1，输出电流Ii+1，并计算其输出功率Pi+1＝Ui+1*Ii+1；
步骤13：判断Pi+1＞Pi是否成立，如果不成立，则跳至步骤15；
步骤14：令Pi＝Pi+1，α＝α+Δα，然后跳至步骤12；
步骤15：判断Pi+1＜Pi是否成立，如果不成立，则跳至步骤17；
步骤16：令Pi＝Pi+1，令α＝α-Δα，然后跳至步骤12；
步骤17：令匹配标志位为1；
步骤18：令Ii＝Ii+1，然后跳至步骤3；
步骤19：恒压充电，即保持PWM的占空比不变，然后跳至步骤18；
步骤20：判断Ub＜Ul，如果不成立，则跳至步骤26；
步骤21：表示铅酸蓄电池过放电，此时设定充电电流Ic＝C/80，其中C为铅酸蓄电池的容量；
步骤22：检测铅酸蓄电池的充电电流Ic；
步骤23：判断Ic＝C/80是否成立，如果不成立，则跳至步骤3；
步骤24：判断Ic＜C/80是否成立，如果成立，则增大PWM的占空比，然后跳至步骤22；
步骤25：减小PWM的占空比，然后跳至步骤22；
步骤26：表示铅酸蓄电池充电后期，充电进行浮充阶段，浮充电压为Uf，浮充阶段结束后，整个充电过程结束。
铅酸蓄电池的过放电钳位电压Ul取值为10.8V，铅酸蓄电池的过充电钳位电压Um取值为14.4V，ΔI＜0.1A，12V＜Uf＜14.4V。
有益效果：
本发明的目的在于提供一种简单、有效、可行的应用于小功率独立光伏发电系统的充电控制策略。充电控制策略使光伏电池阵列与铅酸蓄电池工作处于最佳匹配状态，充分发挥光伏电池阵列的输出特性与铅酸蓄电池充电特性，使铅酸蓄电池储存更多的能量，达到提高独立光伏发电系统充电效率的目的。
本发明最大的优点是从光伏电池阵列、铅酸蓄电池的角度出发，考虑系统独立光伏发电系统充电效率的提高。铅酸蓄电池在充电过程中由于内部极化反应的存在，致使铅酸蓄电池的可接受充电电流随充电的进行而不断变小；同时光伏电池阵列的输出电流随光照强度而变化，因此在独立光伏发电系统的充电过程中就会出现铅酸蓄电池无法完全吸收光伏阵列输出电流的情况。本发明提出在独立光伏发电系统的充电过程中，通过铅酸蓄电池的瞬间大电流自放电，以增大铅酸蓄电池的可接受充电电流，从而增强铅酸蓄电池对充电电流的吸收能力；在充电过程中，光伏电池阵列以最大功率输出，实现光伏电池阵列与铅酸蓄电池的最佳匹配，为独立光伏发电系统以提供更多的能量。本发明综合考虑铅酸蓄电池对充电电流的吸收能力和光伏电池阵列的最大功率输出，使两者都工作在最佳状态，实现独立光伏发电系统充电系统的提高。
现有针对独立光伏发电系统的充电控制策略都从单一的角度去考虑系统的充电过程，这样就会导致两方面的问题：首先，从光伏电池阵列的角度出发，实现光伏电池阵列的最大功率输出，而忽略铅酸蓄电池的特性，铅酸蓄电池的可接受充电电流随充电的进行而不断减小，因此铅酸蓄电池无法吸收光照强度突然变化时光伏电池阵列输出的大电流，否则不断会损坏铅酸蓄电池，缩短其使用寿命，而且会影响独立光伏发电系统的充电效率以及光伏电池阵列的利用率；其次，从铅酸蓄电池的角度出发，忽略光伏电池阵列的最大功率输出特性，这种充电控制策略虽然能够有效保护铅酸蓄电池，避免铅酸蓄电池过充电与过放电，但是光伏电池阵列的利用率低，影响独立光伏发电系统充电效率的提高，长此以往，对铅酸蓄电池也不利，因为铅酸蓄电池长期欠充会降低其活性。本发明则完全避免上述所说的两方面的问题，在充电过程中，通过铅酸蓄电池适当的自放电增大铅酸蓄电池的可接受充电电流，增强铅酸蓄电池对充电电流的吸收能力，能够吸收当光照强度增强时光伏电池阵列输出的大电流，同时实现了光伏电池阵列与铅酸蓄电池最佳匹配，始终保持光伏电池阵列的大功率输出，给独立光伏发电系统提供更多的能量，因此本发明在一定程度上提高了独立光伏发电系统的充电效率，同时也增大了铅酸蓄电池、光伏电池阵列的利用率。
为了验证本发明涉及的充电控制策略，并与三阶段充电控制方法做了对比实验。在除控制策略不同之外其他外界条件完全相同，更重要的是铅酸蓄电池的荷电状态也大致相同，得出如下的实验数据(对比时间为2小时)。
表1 两种充电控制策略的效果对比
功能指标   三阶段充电控制方法   本发明涉及的充电控制策略   效率提高百分比
  铅酸蓄电池的充电电流   1.01A   1.08A   6.93％
  光伏电池阵列的输出功率   12.86W   13.88W   7.93％
从表1可知，本发明涉及的充电控制策略不仅提高了光伏电池阵列的输出功率，而且提高铅酸蓄电池的充电电流，铅酸蓄电池储存了更多的能量，光伏电池阵列输出了更多的能量，从而提高了独立光伏发电系统的充电效率，也提高了铅酸蓄电池与光伏电池阵列的利用率。由此可见，本发明所涉及的小功率独立光伏发电系统的充电策略，针对三阶段充电控制方法而言取得了更好的效果，进一步提高了独立光伏发电系统的充电效率，同时也为高效利用太阳能提供了一种新途径。
附图说明
图1为小功率独立光伏发电系统的控制框图
图2为充电控制策略的控制流程图
具体实施方式
下面结合附图以具体实施例对本发明的技术方案及工作过程作进一步的说明，但本发明的保护范围不限于此：
实施例1
图1描述了小功率独立光伏发电系统的控制结构，充电控制策略程序固化在控制MCU中。充电控制策略的实现过程为：控制MCU通过U/I检测模块采集光伏电池阵列的输出电压、输出电流，以及铅酸蓄电池的充电电压、充电电流，经过充电控制策略的计算后重新设定PWM控制器的占空比，通过修改PWM的占空比控制DC-DC变换器，对铅酸蓄电池充电电、充电电流进行控制，使其按照充电控制策略对铅酸蓄电池进行充电。
图2为充电控制策略的控制流程图，其主要实现步骤如下：
步骤1：系统硬件初始化；
步骤2：设定PWM的占空比a＝0.5，步长Δα(0.01＜Δα＜0.1)；
步骤3：检测光伏电池阵列的输出电压Us、铅酸蓄电池的端电压Ub(Us、Ub的大小根据光伏电池阵列与铅酸蓄电池的型号而定)；
步骤4：判断Us＞Ub是否成立，如果不成立，则等待10秒后跳至步骤3；
步骤5：判断Ul≤Ub＜Um是否成立(其中Ul为铅酸蓄电池的过放电钳位电压，一般为10.8V左右，Um为其过充电钳位电压，一股为14.4V左右，也可以根据不同的要求去设定)，如果不成立，则跳至步骤20；
步骤6：检测光伏电池阵列的输出电流Ii+1；
步骤7：判断|Ii+1-Ii|＞ΔI(ΔI为电流变换误差，ΔI＜0.1A)，|Ii+1-Ii|反映了光照强度的变化，当|Ii+1-Ii|＞ΔI时，表示光伏电池阵列的功率曲线发生了变化，光伏电池阵列与铅酸蓄电池的最佳匹配发生了改变，需要重新匹配，如果不成立，则跳至步骤10；
步骤8：令MPP＝0(MPP为一个标志位，用来表示光伏电池阵列与铅酸蓄电池是否为最佳匹配，为1表示是最佳匹配，为0表示不是最佳匹配)；
步骤9：停止充电，释放放电脉冲触发铅酸蓄电池的自放电电路实现铅酸蓄电池的自放电，增大了铅酸蓄电池的可接受充电电流，增强了铅酸蓄电池对充电电流的吸收能力；
步骤10：判断MPP＝1是否成立，如果成立，则跳至步骤19；
步骤11：检测光伏电池阵列的输出电压Ui，输出电流Ii，并计算其输出功率Pi＝Ui*Ii，同时令α＝α+Δα；
步骤12：继续检测光伏电池阵列的输出电压Ui+1，输出电流Ii+1，并计算其输出功率Pi+1＝Ui+1*Ii+1；
步骤13：判断Pi+1＞Pi是否成立，如果不成立，则跳至步骤15；
步骤14：令Pi＝Pi+1，α＝α+Δα，然后跳至步骤12；
步骤15：判断Pi+1＜Pi是否成立，如果不成立，则跳至步骤17；
步骤16：令Pi＝Pi+1，减小Δα，令α＝α-Δα，然后跳至步骤12；
步骤17：实现了光伏电池阵列与铅酸蓄电池的最佳匹配，令MPP＝1；
步骤18：令Ii＝Ii+1，然后跳至步骤3；
步骤19：恒压充电，保持PWM的占空比不变，然后跳至步骤18；
步骤20：判断Ub＜Ul，如果不成立，则跳至步骤26；
步骤21：表示铅酸蓄电池过放电，此时设定充电电流Ic＝C/80(其中C为铅酸蓄电池的容量)，因为铅酸蓄电池过放电不能接受大电流充电，因此设定充电电流Ic为C/80，用来恢复铅酸蓄电池的容量，使铅酸蓄电池能够接受较大电流的充电；
步骤22：检测铅酸蓄电池的充电电流Ic；
步骤23：判断Ic＝C/80是否成立，如果成立，则跳至步骤3；
步骤24：判断Ic＜C/80是否成立，如果成立，则增大PWM的占空比，然后跳至步骤22；
步骤25：减小PWM的占空比，然后跳至步骤22；
步骤26：表示铅酸蓄电池充电后期，充电进行浮充阶段，浮充电压为Uf(12V＜Uf＜14.4V)，同时充电结束。
浮充是蓄电池组的一种供(放)电工作方式，系将蓄电池组与电源线路并联连接到负载电路上，它的电压大体上是恒定的，仅略高于蓄电池组的断路电压，由电源线路所供的少量电流来补偿蓄电池组局部作用的损耗，以使其能经常保持在充电满足状态而不致过充电。

Claims (2)

1.一种小功率独立光伏发电系统的充电控制方法，DC-DC变换器的输入端接光伏电池阵列，输出端接铅酸蓄电池，微处理单元发出PWM脉冲到DC-DC变换器的控制端，微处理单元实时检测光伏电池阵列以及铅酸蓄电池的端电压和电流，铅酸蓄电池通过受微处理单元控制的放电控制电路给负载供电；其特征在于：所述的小功率独立光伏发电系统的充电控制方法具体包括以下步骤：
步骤1：初始化：将匹配标志位设置为零；
步骤2：设定PWM的占空比α＝0.5，步长Δα；
步骤3：检测光伏电池阵列的输出电压Us、铅酸蓄电池的端电压Ub；
步骤4：判断Us＞Ub是否成立，如果不成立，则等待10秒后跳至步骤3；
步骤5：判断Ul≤Ub＜Um是否成立，其中Ul为铅酸蓄电池的过放电钳位电压，Um为铅酸蓄电池的过充电钳位电压，如果不成立，则跳至步骤20；
步骤6：检测光伏电池阵列的输出电流Ii+1；
步骤7：判断|Ii+1-Ii|＞ΔI，Ii为上一次光伏电池阵列的输出电流，电流采集的时间间隔为10秒，ΔI为电流变换误差，如果不成立，则跳至步骤10；
步骤8：令匹配标志位为零；
步骤9：停止充电，即令PWM的占空比为0，释放放电脉冲触发铅酸蓄电池的自放电电路实现铅酸蓄电池的自放电；
步骤10：判断匹配标志位是否为1，如果成立，则跳至步骤19；
步骤11：检测光伏电池阵列的输出电压Ui，输出电流Ii，并计算其输出功率Pi＝Ui*Ii，同时令α＝α+Δα；
步骤12：继续检测光伏电池阵列的输出电压Ui+1，输出电流Ii+1，并计算其输出功率Pi+1＝Ui+1*Ii+1；
步骤13：判断Pi+1＞Pi是否成立，如果不成立，则跳至步骤15；
步骤14：令Pi＝Pi+1，α＝α+Δα，然后跳至步骤12；
步骤15：判断Pi+1＜Pi是否成立，如果不成立，则跳至步骤17；
步骤16：令Pi＝Pi+1，令α＝α-Δα，然后跳至步骤12；
步骤17：令匹配标志位为1；
步骤18：令Ii＝Ii+1，然后跳至步骤3；
步骤19：恒压充电，即保持PWM的占空比不变，然后跳至步骤18；
步骤20：判断Ub＜Ul，如果不成立，则跳至步骤26；
步骤21：表示铅酸蓄电池过放电，此时设定充电电流Ic＝C/80，其中C为铅酸蓄电池的容量；
步骤22：检测铅酸蓄电池的充电电流Ic；
步骤23：判断Ic＝C/80是否成立，如果不成立，则跳至步骤3；
步骤24：判断Ic＜C/80是否成立，如果成立，则增大PWM的占空比，然后跳至步骤22；
步骤25：减小PWM的占空比，然后跳至步骤22；
步骤26：表示铅酸蓄电池充电后期，充电进行浮充阶段，浮充电压为Uf，浮充阶段结束后，整个充电过程结束。
2.根据权利要求1所述的小功率独立光伏发电系统的充电控制方法，其特征在于，铅酸蓄电池的过放电钳位电压Ul取值为10.8V，铅酸蓄电池的过充电钳位电压Um取值为14.4V，ΔI＜0.1A，12V＜Uf＜14.4V。
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