张传伟;姜启刚
【摘 要】针对分布式家用光伏发电系统中储能蓄电池充电过程中存在硫化、气体析出现象、充电效率低问题,文中采用双向Buck/Boost变换器作为充放电主电路,详细分析以正负脉冲方式给蓄电池充电的工作原理.通过控制开关管的开通、关断,实现能量的双向流动,合理设计电感与死区时间,实现软开关.针对500 W光伏电池板,仿真验证设计的合理性. 【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2017(034)006
【总页数】3页(P84-86)
【关键词】光伏发电;双向Buck/Boost变换器;正脉冲充电;负脉冲放电
【作 者】张传伟;姜启刚
【作者单位】青岛大学自动化与电气工程学院,山东青岛266071;青岛大学自动化与电气工程学院,山东青岛266071
【正文语种】中 文
0 引 言
能源危机、环境污染加剧，光伏发电特别是分布式家庭小型光伏发电系统发展迅猛，前景广阔。为此，研究一款适用于家用光伏系统的高效率、充电过程对蓄电池损害小、具有反向放电功能[1-4]的充放电电路近年来成为光伏发电技术领域的一个研究热点。针对此，本文以单级式软开关具有正负脉冲电功能的充放电电路为主要研究内容。
1 正负脉冲充放电电路设计
24ba根据马斯定律，铅酸蓄电池在充电过程中适当放电，可以有效提高其充电接受能力。本文采用具有馈能作用的正负脉冲充电方法，采用双向Buck/Boost变换器为主电路，如图1所示。
图1 双向充放电电路图
废旧电路板提金技术
在传统Buck/Boost双向变换器基础上增加一对复合开关实现系统能量流动方向的控制。在白天晴天时，光伏电池板输出功率大于交流负载功率，控制SB1闭合、SB2关断，在保证负载不间断供电前提下，对蓄电池充电。在夜晚或阴雨天气下时，光伏电池板不足以维持负载正常工作，控制SB1断开、SB2闭合，电路工作在Boost放电状态，蓄电池给负载提供能量。蓄电池充电时，具有正负脉冲充电的功能，在正脉冲充电的过程中叠加短时间的放电负脉冲，以减缓气体析出和硫化，提高蓄电池充电接受能力,并带有一定的修复效果。开关管工作在软开关状态，其体二极管无反向恢复问题；同时，负脉冲放电电能前馈到储能电容C1,能够减小电能损耗。如图 2所示，T1时段，电感L上的电流为正大于负的多个三角波电流，其等效为一定幅值的正脉冲充电电流，能量正向流动；T2时段，电感L上的电流为负的多个三角波电流，蓄电池放电馈能，等效为负脉冲，能量反向流动，适当去除硫化，减少气体析出，提高蓄电池的充电接受能力。随着时间的增加，充电电压与蓄电池之间的压差不断减小，等效充电电流呈指数规律下降，与马斯曲线一致。通过设置合适的正负脉冲宽度和交替频率来控制正负充电脉冲的切换。图2 充放电电感电流波形图
2 光伏系统用双向充放电电路原理分析
正负脉冲充电工作过程如图3所示，可分为如下六个模态。
t0～t1：在t0时刻之前，Q1导通，Q2关断，电感L电流线性增加，光伏电池板通过电感L向蓄电池充电。在t0时刻，Q1关断，Q2处于关断状态，电感电流不能突变，Q2的体二极管续流，电感电流开始线性减小。
t1～t2：在t1时刻，Q2零电压导通，因为其体二极管的续流使其两端电压为零，电感电流继续线性减小。
t2～t3：Q2保持导通状态，t2时刻，电感电流继续减小到零，其体二极管自然关断，电流反向线性增加，蓄电池开始放电。
t3～t4：在t3时刻，Q2被关断， Q1的体二极管开始自然续流，电感电流幅值减小，方向不变。
t4～t5：在t4时刻，同理Q1两端的电压为零，Q1开始零电压导通。电感放电电流开始线性减小。在t5时刻电感的电流再次减小到零，并继而反向增大。
t5～t6：开关管Q1继续保持通态，充电电感电流线性增加，在t6时刻开始下一个开关周期。
图3 正负脉冲充电工作过程
负脉冲放电工作期间，控制Q2开关管PWM导通；Q1开关管一直处于关断状态，通过其体二极管续流。此时，电路工作在Boost放电模式，蓄电池向前端储能电容C1回馈电能。从而在蓄电池充电过程中叠加一系列放电负脉冲，提高其充电接受能力，其工作过程如图4所示。
蓄电池持续放电模式，其工作过程如图4所示。夜晚或阴雨天气时，电路工作在此状态下。控制Q2开关管PWM导通，Q1开关管一直处于关断状态，通过其体二极管续流。此时，电路工作在Boost放电模式，蓄电池持续向母线回馈电能。
图4 负脉冲放电工作过程
3 光伏正负脉冲充放电电路控制分析
光伏电池板输出功率随光照的变化而变化，光照充足时,采用双向正负脉冲充电的方式给蓄电池充电;光照不足时，电路工作在Boost放电模式，蓄电池释放电能，供负载使用。其控制流程如图5所示。检测光伏电池板输出电压、电流，计算其输出功率Ppv,和负载功率P负载比较后,决定电路工作模式：蓄电池正负脉冲充电模式、蓄电池放电模式或待机模式。在蓄电池正负脉冲充电模式下，检测蓄电池是否需要充电，当需要充电池时，采用正脉冲充电期间叠加负的放电脉冲，提高蓄电池电能接收能力，如此循环，直到蓄电池充满电。在Boost放电模式下，在保证不过放的前提下，蓄电池持续向母线回馈电能。
图5 控制流程图
4 参数设计
正负脉冲充电工作模式下，Q1导通期间，电感L两端电压为Ua-Ub，iL线性增大，电感电流峰峰值ipp满足其中开关导通时间则可由式(1)求得ipp值。
(1)
电感电流的峰峰值总是大于2倍的平均值，即ipp>2IL。此时，由式(2)来选择合适的电感L
值。
(2)
环二肽
佳迪达化工为实现Q1、Q2的零电压开通，Q1必须在t3～t5期间开通，Q2必须在t0～t2期间开通，则由式(3)来决定死区td大小。
式中, Ua为光伏电池板输出电压；Ub为蓄电池所需充电电压；fs为开关管频率；IL为电感电流有效值。
5 仿真验证
边远偏僻牧区、山区、海岛供电困难地区，采用2块250 W光伏电池板，24 V/100 Ah铅酸蓄电池足以满足家庭日常供电。设计Ua:Ub为68.8 V/27 V,最大功率为500 W。将上述参数代入式(1)、(2)、(3)得，电感L取值小于24.3 μH,取18 μH，前端馈能电容C1取3 000 μF；滤波电容C2取470 μF。选择开关频率为20 kHz，死区时间为2.0 μs。利用Saber仿真软件搭建电路，仿真结果如图6所示。图6(a)表示电感L上的电流波形，与图2所示的理论波形相一致。图6(b)表示蓄电池电流波形，电流大小与理论计算相一致。图6(c)表示开关管软开关
情况，在开关管电压过零时，电流为负，通过其反并联二极管续流，电压钳位为零，实现零电压开通。
图6 仿真波形图
6 结 论
本文研究的家用分布式光伏系统蓄电池双向Buck/Boost充放电电路，开关管软开关能够很好地实现蓄电池的正负脉冲充电，减缓蓄电池气体析出，提高蓄电池使用寿命。夜晚光伏电池板供电不足时，切换为蓄电池供电，实现负载不间断供电。在偏远的牧区、山区、海岛等供电困难区域具有实用价值。
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[2] 廖志凌，阮新波．一种独立光伏发电系统双向变换器的控制策略[J]．电工技术学报，2008，23(1):97-103.
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