风光互补路灯照明系统蓄电池充电控制策略研究

　　1 引言

　　风能和太阳能是两种应用广泛的可再生能源，但其二者存在时间和地理分布上的差异，所以单纯的风能路灯和光伏路灯都抵不上风光互补路灯的可靠性。风光互补路灯即是有效的利用风能及太阳能之间在能量及时间上的互补特性，通过两者各自的发电装置，共同向蓄电池进行充电，为路灯提供独立供电电源的独立供电系统。因此，风光互补发电系统性价比高,适用于独立电源系统。

　　在离网型风光互补发电系统中，铅酸蓄电池作为能源存储模块扮演了重要的角色。蓄电池组在初期投资中占很大比重(约20%左右)，在后期的维护费用中蓄电池的成本约占90%，也是整个系统中最薄弱的环节之一。实践经验可知，蓄电池若能避免长时期处在过充、过放状态下工作，那么其使用寿命将会延长3~5倍，所以研究一套低成本又有智能电源管理的蓄电池充电控制系统具有现实意义。

　　2 风光互补路灯系统的组成及工作原理

　　风光互补路灯的系统主要由太阳电池组件、微风风力发电机、蓄电池组、灯架、整流器、控制器、灯源组成。系统的工作原理是：在智能控制器的控制下，白天太阳电池组件向蓄电池组充电，同时微风风力发电机只要在风速达到启动风速就可向蓄电池组充电，晚上微风风力发电机和蓄电池组提供电力给高压钠灯，因为控制器有泄电功能，使得它能够在任何条件下(有风、无风、阳光充足或长期阴雨天)都能确保蓄电池组不因过充或过放而被损坏[1]。其组成原理如下图1所示[1]：

　　图1 风光互补路灯系统原理图

　　3 模型分型

　　图2所示，为蓄电池常用的模型。该模型又叫蓄电池的戴维南等效电路，包括等效电容C、平行板之间的等效电阻R、电压源Us和电池内阻Rs。并假设这些参数为常数值，因此为一个蓄电池的近似模型。而且假定某套照明系统的技术参数如表1所示。

　　图2 蓄电池等效电路图

　　表1 风光互补LED路灯系统技术参数

　　4 蓄电池充放电方法和控制研究

　　4.1蓄电池充电理论基础

　　20世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图3所示。由最佳曲线可知,充电初期采用大充电电流以加快充电速度,充电末期减小充电电流以免产气过于剧烈使极板上的活性物质脱落损坏,降低电池容量和寿命。

　　4.2 常规充电方法

　　4.2.1 恒流充电法

　　恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图2所示。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。

　　4.2.2 阶段充电法

　　1)二阶段充电法。先以恒电流充电至预定的电压值,再改为恒定电压完成剩余的充电,见图5(a)。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。

　　2)三阶段充电法。如图5(b)所示,在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时,由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可将出气量减到最少,但作为一种快速充电方法使用受到一定的限制。

　　图5 阶段充电曲线

　　4.2.3恒压充电法

　　这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。

　　5 蓄电池控制建模

　　5.1 双闭环PID设计

　　如图6所示[2,3]，采用这种控制模式可以实现蓄电池恒压限流充电。由于采用电流闭环控制,这个限定值就为恒流充电的电流给定值Ig。蓄电池电压作为外环反馈量,以Vg作为充电电压给定值。虚线框内为电流控制环。框外有一个限幅环节,用于限制充电电流。

　　图6 恒压限流充电控制电路方框图

　　5.2 电流闭环设计

　　如图7所示[2,3]，为电流环动态分析结构图。(Ig)s为给定电流，(Id)s为充电电流。

　　图7 电流环动态分析结构图

　　晶闸管整流装置的传递函数可看作惯性环节，由于电流测量电路存在滞后,所以传递函数可近似看为一个小惯性环。为简略起见，可以把这个控制环节视为简单比例环节,比例系数为K1，取电流调节器的参数为：

　　式中，(WACR)s为电流调节器PI的传递函数;S为拉氏算子;Ki为稳态增益，Ti为时间常数。K1=Ig(max)/Id(max)，Ks=1，Ti=T，则电流环开环传递函数为：

　　式中，(Ig)max、(Id)max分别为Ig、Id的最大值;Ra为蓄电池内阻;Cs为滤波电容;Rr为整流装置内阻。由于Ra、Rr极小，取，则电流环开环传递函数可简化为：

　　电流环闭环传递函数为：

　　式(4)可知，电流环可按典型的I型系统设计，其参数KjTj=0.5，Tj为电流环惯性时间,取Tj=30ms，则Kj为16.7。

　　5.3 电压闭环设计

　　由式(4)已知电流环的闭环传递函数，比例系数为K2=Ug(max)/Ud(max)，取电压调节器参数为：

　　式中，Ug(max)、Ud(max)分别为给定电压、充电电压最大值;Kv为电压调节器的稳态增益;Tv为电压调节器的时间常数。

　　则电压环的开环传递函数为：

　　其闭环传递函数为：

　　由式(7)已知电流环的截止频率低，参照典型的I型系统设计。取KjTv=0.5，Tv==180ms，则Kv=36。

　　6 仿真结果与结论

　　如图8所示，为参数整定后，依据仿真模型得到的仿真结果，其中，图8(a)、(b)采用恒压充电方式,跟踪速度快，用时小于0.3s、无静差、无超调,图8(c)将限幅器幅值Ig降低为1A,测试限流充电方式。结果表明,电流环能有效限制充电电流幅值，使其小于限幅器幅值。

　　仿真结果表明：(1)采用双闭环PID控制可实现恒压限流的充电方式。(2)铅酸蓄电池先恒流后恒压的二阶段充电方式简单、稳定、可行，也可适用于其他的分布式发电系统。

　　图8 仿真结果