CN102290840A - 一种应用于独立光伏发电***的高效光伏充电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于独立光伏发电***的高效光伏充电控制方法。包括MPPT充电、恒压充电、浮充电三个阶段：阶段1利用最大功率点跟踪方法对蓄电池进行快速充电，每连续扰动五次后进行一次功率判断，实现环境条件快速变化下的功率准确跟踪；阶段2分为提升充电和均衡充电两种，分别实现正常和过放状况下蓄电池电能的补充；阶段3用于维持蓄电池电量的饱满。本发明通过充电状态的有效管理，提升了充电效率，延长了蓄电池使用寿命。

Description

一种应用于独立光伏发电***的高效光伏充电控制方法

技术领域

本发明属于光伏发电领域，具体涉及一种应用于独立光伏发电***的高效光伏充电控制方法。

背景技术

太阳能作为一种新型能源，以资源丰富、清洁环保、受地域限制小等优点，已得到广泛的应用，其中光伏发电显得尤为突出。但是，目前独立光伏发电***中蓄电池使用寿命短、充电效率低的问题比较突出。

充电控制方法是充电控制器的核心，它的好坏直接影响独立光伏发电***中蓄电池的寿命以及***的工作效率。在独立光伏发电***中常用的充电方法有恒流充电、恒压充电、3阶段充电、慢脉冲充电等方法。恒流充电在充电后期容易析出气体影响蓄电池的质量和寿命；恒压充电在充电前期同样会析出气体；慢脉冲充电虽然是一种利用大电流快速充电的方法，但是当光伏电池输出的功率有限时，达不到预期的充电效果；3阶段充电法包括恒流、恒压、恒流3个阶段，该方法避免了恒压、恒流充电时析气的缺点，而且效率较高，因此比较适合于中小功率的独立光伏发电***，但***容易长时间工作在过放状态，导致蓄电池的活性降低，直接影响蓄电池的工作寿命。

光伏电池阵列的输出具有强烈的非线性，在特定环境下存在着唯一的最大功率点，并且随着日照强度和电池温度的改变，最大功率点不断变化。为了充分利用光伏电池所转化的能量，就存在一个最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的问题。工程实践中实现最大功率点跟踪常用的方法有：恒定电压法、扰动观测法和电导增量法。恒定电压法控制简单，但这种控制方式忽略了温度的影响，仅适用于对控制精度要求不高的情况下；电导增量法控制效果较理想，但其算法实现时需要反复微分运算，计算量大，对控制器、传感器要求较高，不适合应用于低成本的独立光伏发电***中；扰动观测法能快速准确进行MPPT控制，但是***必须引入扰动，寻优的最后结果是***在最大功率点附近来回振荡，跟踪精度和响应速度无法兼顾，在日照、温度急剧变化时容易发生误判。

发明内容

为了解决现有技术中独立光伏发电***中蓄电池使用寿命短、充电效率低的问题，本发明提出一种应用于独立光伏发电***的高效光伏充电控制方法。

一种应用于独立光伏发电***的高效光伏充电控制方法，包括MPPT充电、恒压充电、浮充电三个阶段，具体为：

一、MPPT充电

首先根据蓄电池状态确定蓄电池的充满电压设定值，然后通过最大功率点跟踪方法改变充电脉冲占空比，使光伏电池输出功率达到最大，对蓄电池进行快速充电，直到蓄电池电压上升到充满电压设定值，此时蓄电池荷电系数为100％；

二、恒压充电

当蓄电池荷电系数达到100％后，调整充电脉冲占空比，对蓄电池进行恒压充电，使其电压维持在蓄电池的充满电压设定值附近，直至恒压充电定时器计时结束；

三、浮充电

恒压充电完成后，将充电目标电压调整为浮充电压，对蓄电池进行浮充电，使其电压维持在浮充电压附近，保持电量的饱满；

在恒压充电和浮充电充电的阶段，若负载电流大于充电电流，则蓄电池电压设定值无法维持，若蓄电池电压降至提升恢复电压以下，蓄电池将重新进行MPPT充电。

本发明的优点在于：

(1)本发明的高效光伏充电控制方法包括MPPT、恒压、浮充三个阶段，其中恒压充电阶段分为提升充电和均衡充电两种。

MPPT充电阶段充分利用了光伏电池所转化的电能，提高了充电效率，避免蓄电池长时间处于过放状态；恒压充电和浮充电既保证了蓄电池的完全充电，又能尽量减少蓄电池析气和失水。

独立光伏发电***中，蓄电池经常处于过放状态。对于过放的蓄电池，适当的均衡充电可以搅动电解质，引起蓄电池电极的去极化反应，从而使蓄电池工作在最佳状态，寿命得到有效延长。

(2)本发明的最大功率点跟踪方法，通过采样开路电压后进行最大功率点预判，大大提高了***初始工作时的最大功率点跟踪的速率，实验条件下，最大功率点跟踪时间不超过15s；通过变步长寻优，解决了自寻优算法跟踪精度和响应速度之间的矛盾；通过连续扰动五点后的判断，消减了天气条件快速变化时的误判；并通过寻优结束后的滞后比较，使***在最大功率点附近的震荡得到了有效缓解。通过Topcon公司的SASController***测试，本发明的静态最大功率点跟踪效率在99％以上，动态最大功率点跟踪效率在95％以上。

(3)本发明通过能量控制，实时检测蓄电池电压和充电电流，通过改变充电脉冲占空比、开关充电回路，防止蓄电池过充电或过放电，保护蓄电池并延长其使用寿命。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的最大功率点跟踪方法流程图；

图3是本发明应用于12V蓄电池的控制方法示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种应用于独立光伏发电***的高效光伏充电控制方法，流程如图1所示，包括MPPT充电、恒压充电、浮充电三个阶段，具体为：

一、MPPT充电

首先根据蓄电池状态确定蓄电池的充满电压设定值，然后通过最大功率点跟踪方法改变充电脉冲占空比，使光伏电池输出功率达到最大，对蓄电池进行快速充电，直到蓄电池电压上升到充满电压设定值，此时蓄电池荷电系数为100％。

所述蓄电池的充满电压设定标准为：若蓄电池曾发生过放，即蓄电池电压曾低于低压断开电压，充满电压设定为均衡电压；若蓄电池未发生过放，充满电压设定为提升电压。

本发明的最大功率点跟踪方法，流程如图2所示，具体包括以下步骤：

步骤一，采样光伏电池开路电压U_OC和蓄电池电压U_BAT。

步骤二，初始化充电脉冲占空比Duty＝(f₁/f₂)×U_BAT/(K×U_OC)，其中，f₁为CPU工作频率，f₂为充电脉冲频率，K为比例系数，取值范围为0.75～0.85，具体数值由所采用光伏电池类型决定。

步骤三，初始化扰动方向为正，扰动步长Step为1。

步骤四，采样蓄电池电压和蓄电池充电电流，获取蓄电池充电瞬时功率；充电脉冲占空比Duty沿扰动方向变化步长Step。

步骤五，判断充电脉冲扰动是否满5次，若扰动未满5次，则跳至步骤四，否则，转入步骤六。

步骤六，比较获取的5次充电瞬时功率值P₁、P₂、P₃、P₄、P₅，具体情况如下：

a、若P₁＞P₂且P₁＞P₅，充电脉冲占空比Duty不变，扰动方向取反，跳至步骤四，继续扰动；

b、若P₅＞P₄且P₅＞P₁，充电脉冲占空比Duty不变，扰动方向不变，跳至步骤四，继续扰动；

c、若P₂＞P₁且P₂＞P₃，充电脉冲占空比Duty沿扰动反方向变化步长Step后，扰动方向取反，跳至步骤四，继续扰动；

d、若P₄＞P₃且P₄＞P₅，充电脉冲占空比Duty沿扰动方向变化步长Step后，扰动方向取反，跳至步骤四，继续扰动；

e、其它，充电脉冲占空比Duty不变，扰动步长Step加1，扰动方向取反，跳至步骤四，继续扰动；

f、若P₃＞P₂且P₃＞P₄，停止扰动，转入步骤七。

步骤七，跟踪到当前环境下光伏电池的最大功率点，最大功率值为P₃。

二、恒压充电

当蓄电池荷电系数达到100％后，调整充电脉冲占空比，对蓄电池进行恒压充电，使其电压维持在蓄电池的充满电压设定值附近，直至恒压充电定时器计时结束。

根据蓄电池的充满电压设定值的不同，恒压充电分为提升充电和均衡充电两种，提升充电的时间由用户根据所选用蓄电池进行选择，一般为10～120min，均衡充电的时间为提升充电时间3/4。

恒压充电定时器具体为：在恒压充电阶段，如果负载电流大于恒压充电电流，蓄电池电压有可能跌落到提升恢复电压以下，当蓄电池电压降至提升恢复电压以下且维持20s后，恒压充电过程被打断。因此恒压充电过程中设有单次充电定时器和总充电定时器，单次充电定时器的时间设定为恒压充电维持时间，总充电定时器的时间设定为恒压充电维持时间的2倍。恒压充电过程被打断后，单次充电定时器重新赋值，总充电定时器不变；当任意一个定时器计时结束，恒压充电完成，蓄电池进入浮充电阶段。本发明所采用的恒压充电时间控制避免了由于负载频繁开关引起充电时间过长、蓄电池过热析气。

独立光伏发电***中，蓄电池经常处于过放状态。对于过放的蓄电池，适当的均衡充电可以搅动电解质，引起蓄电池电极的去极化反应，从而使蓄电池工作在最佳状态，寿命得到有效延长。

三、浮充电

恒压充电完成后，将充电目标电压调整为浮充电压，对蓄电池进行浮充电，使其电压维持在浮充电压附近，保持电量的饱满。

蓄电池在充满后，就不会再有更多的电化学反应，充电电流将转化为热量和析出气体。这时进入浮充阶段，以更小的电压和电流对蓄电池进行充电，在降低蓄电池温度和减少析出气体的同时，浮充电抵消了蓄电池因自放电和低功率负载用电而消耗的电量，保持了蓄电池存储电量的饱满。

在恒压充电和浮充电充电的阶段，若负载电流大于充电电流，则蓄电池电压设定值将难以维持，若蓄电池电压降至提升恢复电压以下，蓄电池将重新进行MPPT充电。

为保证独立光伏发电***充放电过程安全有效进行，本发明的高效充电控制方法还包括能量控制。在蓄电池充电的整个过程中，***实时检测蓄电池电压和蓄电池充电电流，防止蓄电池过充电或过放电，有效保护了蓄电池并延长其使用寿命。能量控制具体实施方案如下：

a、蓄电池电压高于超压断开电压，蓄电池超压，切断充电回路；

b、蓄电池电压低于超压断开恢复电压，打开充电回路；

c、蓄电池电压低于低压断开电压，蓄电池过放，关断所有负载；

d、蓄电池电压高于低压断开恢复电压，逐渐打开所有负载；

e、当蓄电池充电电流大于1.05倍额定值，小于1.1倍额定值，单步长减小充电脉冲占空比；

f、当蓄电池充电电流大于1.1倍额定值，小于1.2倍额定值，双步长减小充电脉冲占空比；

g、当蓄电池充电电流大于1.2倍额定值，关断充电回路。

实施例：

图3为应用于12V蓄电池的高效光伏充电控制方法的示意图，具体为：

阶段1为图3中MPPT斜线段，***首先根据蓄电池状态确定充满电压的设定值，然后通过最大功率点跟踪算法改变充电脉冲占空比，使光伏电池输出功率达到最大，对蓄电池进行快速充电，直到蓄电池电压上升到充满电压设定值，此时蓄电池荷电系数为100％。

所述蓄电池的充满电压设定标准为：若蓄电池曾发生过放，即蓄电池电压曾低于低压断开电压(11.1V)，充满电压设定为均衡电压(14.5V)；若蓄电池未发生过放，充满电压设定为提升电压(14.3V)。

阶段2为图3中提升维持或均衡维持折线段，当蓄电池荷电系数达到100％后，***调整充电脉冲，对蓄电池进行恒压充电，使其电压维持在充满电压设定值(14.3V/14.5V)附近，直至恒压充电定时器计时结束。

阶段3为图3中浮充维持折线段，恒压充电完成后，***将充电目标电压调整为浮充电压(13.8V)，对蓄电池进行浮充电，使其电压维持在浮充电压附近，保持电量的饱满。

在充电2、3阶段，若负载电流大于充电电流，则蓄电池电压设定值将难以维持，若蓄电池电压降至提升恢复电压(13.2V)以下，蓄电池将重新进入阶段1进行MPPT充电。

Claims (6)

1.一种应用于独立光伏发电***的高效光伏充电控制方法，其特征在于，包括MPPT充电、恒压充电、浮充电三个阶段，具体为：

一、MPPT充电

首先根据蓄电池状态确定蓄电池的充满电压设定值，然后通过最大功率点跟踪方法改变充电脉冲占空比，使光伏电池输出功率达到最大，对蓄电池进行快速充电，直到蓄电池电压上升到充满电压设定值，此时蓄电池荷电系数为100％；

二、恒压充电

当蓄电池荷电系数达到100％后，调整充电脉冲占空比，对蓄电池进行恒压充电，使其电压维持在蓄电池的充满电压设定值附近，直至恒压充电定时器计时结束；

三、浮充电

恒压充电完成后，将充电目标电压调整为浮充电压，对蓄电池进行浮充电，使其电压维持在浮充电压附近，保持电量的饱满；

在恒压充电和浮充电充电的阶段，若负载电流大于充电电流，则蓄电池电压设定值无法维持，若蓄电池电压降至提升恢复电压以下，蓄电池将重新进行MPPT充电。

2.根据权利要求1所述的一种应用于独立光伏发电***的高效光伏充电控制方法，其特征在于，所述蓄电池的充满电压设定值为：若蓄电池曾发生过放，即蓄电池电压曾低于低压断开电压，充满电压设定为均衡电压；若蓄电池未发生过放，充满电压设定为提升电压。

3.根据权利要求1所述的一种应用于独立光伏发电***的高效光伏充电控制方法，其特征在于，所述的最大功率点跟踪方法，具体包括以下步骤：

步骤一，采样光伏电池开路电压U_OC和蓄电池电压U_BAT；

步骤二，初始化充电脉冲占空比Duty＝(f₁/f₂)×U_BAT/(K×U_OC)，其中，f₁为CPU工作频率，f₂为充电脉冲频率，K为比例系数，取值范围为0.75～0.85，具体数值由所采用光伏电池类型决定；

步骤三，初始化扰动方向为正，扰动步长Step为1；

步骤四，采样蓄电池电压和蓄电池充电电流，获取蓄电池充电瞬时功率；充电脉冲占空比Duty沿扰动方向变化步长Step；

步骤五，判断充电脉冲扰动是否满5次，若扰动未满5次，则跳至步骤四，否则，转入步骤六；

步骤六，比较获取的5次充电瞬时功率值P₁、P₂、P₃、P₄、P₅，具体情况如下：

a、若P₁＞P₂且P₁＞P₅，充电脉冲占空比Duty不变，扰动方向取反，跳至步骤四，继续扰动；

b、若P₅＞P₄且P₅＞P₁，充电脉冲占空比Duty不变，扰动方向不变，跳至步骤四，继续扰动；

c、若P₂＞P₁且P₂＞P₃，充电脉冲占空比Duty沿扰动反方向变化步长Step后，扰动方向取反，跳至步骤四，继续扰动；

d、若P₄＞P₃且P₄＞P₅，充电脉冲占空比Duty沿扰动方向变化步长Step后，扰动方向取反，跳至步骤四，继续扰动；

e、其它，充电脉冲占空比Duty不变，扰动步长Step加1，扰动方向取反，跳至步骤四，继续扰动；

f、若P₃＞P₂且P₃＞P₄，停止扰动，转入步骤七；

步骤七，跟踪到当前环境下光伏电池的最大功率点，最大功率值为P₃。

4.根据权利要求1所述的一种应用于独立光伏发电***的高效光伏充电控制方法，其特征在于，根据蓄电池的充满电压设定值的不同，所述恒压充电分为提升充电和均衡充电两种，提升充电的时间为10～120min，由用户根据所选用蓄电池进行选择，均衡充电的时间为提升充电时间3/4。

5.根据权利要求1所述的一种应用于独立光伏发电***的高效光伏充电控制方法，其特征在于，所述恒压充电定时器具体为：在恒压充电阶段，如果蓄电池电压降至提升恢复电压以下且维持20s后，恒压充电过程被打断。因此恒压充电过程中设有单次充电定时器和总充电定时器，单次充电定时器的时间设定为恒压充电维持时间，总充电定时器的时间设定为恒压充电维持时间的2倍。恒压充电过程被打断后，单次充电定时器重新赋值，总充电定时器不变；当任意一个定时器计时结束，恒压充电完成，蓄电池进入浮充电阶段。

6.根据权利要求1所述的一种应用于独立光伏发电***的高效光伏充电控制方法，其特征在于，本发明还包括能量控制，具体实施方案如下：

a、蓄电池电压高于超压断开电压，蓄电池超压，切断充电回路；

b、蓄电池电压低于超压断开恢复电压，打开充电回路；

c、蓄电池电压低于低压断开电压，蓄电池过放，关断所有负载；

d、蓄电池电压高于低压断开恢复电压，逐渐打开所有负载；

e、当蓄电池充电电流大于1.05倍额定值，小于1.1倍额定值，单步长减小充电脉冲占空比；

f、当蓄电池充电电流大于1.1倍额定值，小于1.2倍额定值，双步长减小充电脉冲占空比；

g、当蓄电池充电电流大于1.2倍额定值，关断充电回路。

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