光伏系統(tǒng)中閥控鉛酸蓄電池的充放電與維護

光伏系統(tǒng)中閥控鉛酸蓄電池的充放電與維護

1vrla蓄電池在獨立光伏系統(tǒng)中的應用分析作為獨立發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分，蓄能是一個重要的因素。在光照下，它不僅可以補充太陽能的不足，還可以儲存多余的太陽能。在沒有光照的情況下，它是集中力量的唯一燃料。由于外界環(huán)境和條件要求的不同,如光照強度與時間、環(huán)境溫度、負載、系統(tǒng)的可靠性等,獨立光伏系統(tǒng)中可能會使用到各種型號的蓄電池。而VRLA蓄電池在獨立光伏系統(tǒng)的投資成本中所占比例較高,一般要達到1/4~1/2,而且在大多數(shù)情況下VRLA蓄電池達不到其使用壽命,從而嚴重影響了整個獨立光伏系統(tǒng)的運行壽命。因此,VRLA蓄電池成為了獨立光伏系統(tǒng)中最昂貴的部件之一。為了有效地解決這些問題,不僅要提高VRLA蓄電池自身的性能,高品質的系統(tǒng)能量管理對整個光伏系統(tǒng)的性價比評價起了至關重要的影響,特別是蓄電池充/放電策略的設計。本文以目前獨立光伏系統(tǒng)主流使用的閥控鉛酸蓄電池(VRLA)為研究對象,通過對蓄電池的充/放電策略進行優(yōu)化設計,改善蓄電池的性能并減緩其失效,提高整個光伏系統(tǒng)的性價比。2光照強度不足市電可以近似看成一個無窮的電源。而由于光照時間的長短變化及間隙性,光伏系統(tǒng)陣列的能源輸出不可能是無窮的,提供給蓄電池的最大電流也不是無限的。參考普通獨立光伏系統(tǒng)的設計,可以分為以下兩種情況來實現(xiàn):(1)當光照強度不足,即光伏陣列輸出的能量除滿足負載需求外的剩余能量,不足以維持蓄電池在當前充電情況下充電所需能量,蓄電池的充電策略可以采用最大功率點跟蹤充電方式(MPPT),即通過跟蹤控制使光伏陣列在最大功率點工作,陣列輸出的剩余能量全部由蓄電池收納。(2)當光照強度十分充足的情況下,即光伏陣列輸出的剩余能量超過了蓄電池在當前充電情況下的充電所需能量時,則光伏陣列無法通過跟蹤控制使光伏陣列在最大功率點工作,應采用分階段充電方式。同時,為了更好地維護蓄電池以延長其使用壽命,應適當?shù)乇３指〕錉顟B(tài)。有研究表明適當?shù)夭捎眠^充電更有利于蓄電池容量的恢復,特別是當蓄電池深度放電后,通過適應的浮充,可以減少蓄電池酸分層和結晶大小。3vrla電池組端電壓ub25.8v且充電電流展現(xiàn)方式充電狀態(tài)本獨立光伏系統(tǒng)中使用的是VRLA蓄電池,參考其充電特性曲線,確定采用分段設定參考電壓的方式實現(xiàn)對電池狀態(tài)的判斷。本系統(tǒng)使用兩只VRLA蓄電池,采用串聯(lián)方式連接后電池組正常工作電壓范圍為20~28.8V。設定充電終止電壓為28.8V,并將充電過程分為6段,用不同顏色和數(shù)量的發(fā)光二極管來表示系統(tǒng)處于不同的充電狀態(tài)。(1)當檢測到VRLA電池組端電壓Ub≤25.8V且其充電電流Ib<10A時,設定標示有“MPPT方式充電”的紅色發(fā)光二極管處于發(fā)光狀態(tài),表示蓄電池組進入MPPT方式充電狀態(tài)。(2)當檢測到電池組端電壓Ub≤25.8V且其充電電流Ib≥10A時,設定標示有“恒流充電”的紅色發(fā)光二極管處于發(fā)光狀態(tài),表示蓄電池組進入恒流充電狀態(tài)。(3)當檢測到電池組端電壓25.8V≤Ub≤28V時,設定標示有“恒壓充電”的紅色發(fā)光二極管處于發(fā)光狀態(tài),表示蓄電池組進入恒壓充電狀態(tài)(限制電流根據(jù)實際情況不斷變化)。(4)當檢測到電池組端電壓28V≤Ub≤28.8V且其最大限制充電電流Il≥1A時,如果蓄電池的充電電流Ib≥1A,保持恒壓充電;否則將蓄電池的最大限制充電電流降低1/2倍,繼續(xù)保持恒壓充電狀態(tài)。(5)當檢測到電池組端電壓28V≤Ub≤28.8V且其最大限制充電電流Il<1A時,設定標示有“浮充”的黃色發(fā)光二極管處于發(fā)光狀態(tài),表示蓄電池組進入浮充狀態(tài)。(6)當檢測到電池組端電壓Ub≥28.8V時,設定標示有“充滿”的綠色發(fā)光二極管處于發(fā)光狀態(tài),表示蓄電池組已經(jīng)充滿,處于停止充電狀態(tài)。4浮充電壓與放電電流本系統(tǒng)使用的是2只閥控式鉛酸蓄電池,型號為SP12-100(12V,100Ah),25℃下可以使用20h,電壓14.4~15V,浮充電壓13.5~13.8V,充/放電電流小于30A。廠家提供的串聯(lián)后蓄電池的相關工作參數(shù)列于表1。4.1光伏mppt發(fā)電系統(tǒng)主電路拓撲充電主電路要求能夠改變開關管的占空比而改變光伏電池的工作點,完成蓄電池3個階段的充電。適用于光伏MPPT發(fā)電系統(tǒng)的主電路拓撲有Buck、Boost、Buck-Boost和Cuk電路等。由于本系統(tǒng)中只需要實現(xiàn)降壓,所以采用電路結構簡單的Buck電路作為充電控制器的主電路。4.2mppt充電系統(tǒng)實現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT)的方法通常有幾種:恒壓法、曲線擬合法、干擾觀察法和增加電導法。由于干擾觀察法只需獲得電壓及電流參數(shù),算法簡單、易于實現(xiàn),所以在本系統(tǒng)中采用的是一種改進的變步長的擾動觀察法。初期采用較大的步長,能迅速地跟蹤到最大功率點附近,然后改變步長采用較小的步長來進行最大功率點跟蹤,該方法克服了單一步長的缺點,能根據(jù)實時的狀況改變步長,快速準確地跟蹤最大功率點。在MPPT充電環(huán)節(jié)中還補充一限流環(huán)節(jié),防止充電電流過大造成電池溫度過高,對蓄電池造成損傷。在使用最大功率點跟蹤充電過程中,當蓄電池組的端電壓超過過充所設定的閾值時,需要轉換充電方式,采用常規(guī)充電。4.3浮充階段c本系統(tǒng)中蓄電池充電控制采用階段式充電控制方式。由廠家所給定的蓄電池參數(shù),設置蓄電池最大允許充電電流為10A(C/10)。當最大限制充電電流降低到0.625A(C/160)時,進入浮充階段。浮充時,以很小的涓流電流(充電倍率約為C/300~C/200)繼續(xù)給蓄電池充電,以便補償蓄電池的自放電。當檢測到放電發(fā)生時,重新允許以最大電流對蓄電池進行充電。根據(jù)系統(tǒng)需要,選擇恒流充電倍率C/10,恒壓充電電壓Uref=28V。根據(jù)文獻,浮充電壓一般在26.8~28.8V,在此實驗中選擇為Uf=26.8V,選擇浮充時涓流電流充電率C/250。4.4vrla蓄電池充電電壓溫度補償當蓄電池的電解液溫度較高時,電解液的粘度會降低,同時電解液內部的化學反應會變活躍,使得蓄電池內阻變小,導致蓄電池在較低的充電電壓情況下即可使充電反應順利完成;而當蓄電池的電解液溫度較低時,電解液的粘度會增加,同時電解液內部物質的流動性變差,擴展速度減慢,蓄電池兩極極化增加,內阻也隨之增加,導致蓄電池充電時所需充電電壓急劇增加。由上述分析可知蓄電池受溫度的影響比較顯著,因此在對蓄電池充電策略進行設計時,必須將蓄電流充電終止電壓的溫度補償納入設計中。一般VRLA蓄電池的充電電壓溫度補償系數(shù)大約在-3~-5mV/℃之間。在蓄電池的充電過程中,為使其充電速度較快,即電壓較高時電流較大,其充電電壓溫度補償系數(shù)可以分以下兩種情況取值:當電解液所處溫度高于25℃時,其溫度補償系數(shù)取值-3mV/℃;當電解液所處溫度低于25℃時,其溫度補償系數(shù)取值-5mV/℃。在獨立光伏系統(tǒng)的蓄電池充電策略設計中,采用線性補償方式較階梯補償方式更為合理,因此在此采用線性補償,其充電終止電壓溫度補償關系式為:其中:u—經(jīng)補償后的過充電壓閾值u0—標準溫度下的過充電壓閾值(本系統(tǒng)中為25℃,此時為28.8V)T—電池充電時的溫度k*—溫度補償系數(shù)(當大于25℃時取-3mV/℃;當小于25℃時取-5mV/℃)最小充電電壓(即欠壓保護電壓)的溫度補償方法與其相同。4.5滯環(huán)處理方法在獨立光伏系統(tǒng)的蓄電池進行放電為負載提供能量時,放電控制的目的是維持系統(tǒng)中直流母線電壓的穩(wěn)定,從而保證在負載不斷變化的情況下,光伏系統(tǒng)能夠及時提供足夠的能量。光伏系統(tǒng)的放電率一般較小,通常在C/20~C/240之間。在獨立光伏系統(tǒng)的放電控制中設置了欠壓保護過程:當蓄電池的端電壓低于欠壓保護電壓Up時,立即停止蓄電池向負載提供電能來保護蓄電池。而如果欠壓保護過程的保護電壓監(jiān)控點只設一個定值Up,系統(tǒng)很容易產(chǎn)生振蕩。產(chǎn)生振蕩原因是:在蓄電池為負載提供能量時,其直流側電壓會逐漸下降,當檢測到蓄電池直流側電壓為Up時,由于欠壓保護則蓄電池停止供電,直流側電壓在停止供電后會再上升至Up以上,蓄電池再次為負載提供能量,從而會導致停止-運行-停止這種振蕩現(xiàn)象。因此,為了避免蓄電池在放電過程中產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象,本系統(tǒng)中加入了滯環(huán)處理,具體步驟如下:(1)在蓄電池放電過程中,當檢測到蓄電池的端電壓接近欠壓保護電壓Up時(Up=Up+U’),系統(tǒng)將報警。(2)當檢測到蓄電池端電壓低于欠壓保護電壓Up時,蓄電池停止為負載提供能量,并在蓄電池開路電壓低于設定欠壓恢復電壓Ur(可設置為1.1倍的欠壓電壓)時不允許再次使用。(3)當檢測到蓄電池開路電壓Up高于蓄電池的欠壓恢復電壓Ur時,就啟動系統(tǒng)讓蓄電池繼續(xù)給負載供電。根據(jù)實驗設備的實際情況,選擇適合的欠壓保護電壓為Up=21.6V、欠壓恢復電壓Ur=22.8V。廠家提供的過放斷開電壓為20V、過放恢復電壓為21.6V。4.6在充電電池中確定具體參數(shù)綜上分析,確定充/放電過程中的具體參數(shù)見表2。5蓄電池充電方式比選針對獨立光伏系統(tǒng)的特點,進行兩組充/放電實驗,每組重復3次,放電至SoC為50%,分別對它們進行充電(室溫為24℃)。第一組采用普通的先恒流再恒壓充電方式,第二組采用本充電策略。在光伏陣列功率輸出足夠的情況下,充電5h后,如圖1所示,第一組的平均荷電狀態(tài)為93%;第二組的達到98%。理論上只要蓄電池能夠接受陣列發(fā)出的能量,它們得到的能量應該是相同的。但由于蓄電池充電策略的不同,第一次不能全部接受能量,第二次在不同時期采用不同充電方式,可提高充電接受能力。因此,本充電策略在維持較低成