光伏系統(tǒng)光伏蓄電池荷電狀態(tài)檢測方法研究

光伏系統(tǒng)光伏蓄電池荷電狀態(tài)檢測方法研究

作為獨(dú)立的波形系統(tǒng)的重要組成部分，全球充電壓的準(zhǔn)確性對獨(dú)立波形系統(tǒng)起到了重要作用。目前,蓄電池SOC估計(jì)方法主要有安時(shí)計(jì)量法、開路電壓法、內(nèi)阻測量法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。開路電壓法要求環(huán)境穩(wěn)定性太高,不能滿足在線監(jiān)測要求。內(nèi)阻法對設(shè)備要求高,難以在實(shí)際中應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法訓(xùn)練數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或者不完全,會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。鑒此,本文選擇在安時(shí)計(jì)量法的基礎(chǔ)上,并且考慮環(huán)境溫度因素和放電電流因素的影響,采用一種電流置零的檢測方法對光伏蓄電池SOC進(jìn)行估計(jì),從而提高光伏蓄電池SOC的估計(jì)精度。1光伏蓄電池放電光伏蓄電池SOC為電池在一定放電倍率(電池在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放出其額定容量時(shí)所需要的電流值)下,剩余電量與相同條件下額定容量的比值。光伏蓄電池SOC表達(dá)式為式中,Qres為光伏蓄電池當(dāng)前的剩余容量;Q1為在恒定電流I放電的條件下,光伏蓄電池所具有的額定容量;Q為放電電荷量。光伏發(fā)電系統(tǒng)中,光伏蓄電池的利用占功率利用率的很大一部分,更為重要的是要時(shí)刻監(jiān)測蓄電池的荷電狀態(tài),采用在控制系統(tǒng)充放電或者蓄電池保護(hù)中對蓄電池進(jìn)行監(jiān)測,準(zhǔn)確估計(jì)蓄電池當(dāng)前電荷狀態(tài)進(jìn)而控制下一時(shí)刻蓄電池的充放電狀態(tài),使其運(yùn)行穩(wěn)定可靠;當(dāng)蓄電池工作在最佳狀態(tài)時(shí),不僅可以保護(hù)光伏蓄電池工作的長期性,也可以間接地節(jié)約能源,使得光伏系統(tǒng)長期運(yùn)行,無污染,效率高。一般影響光伏蓄電池電荷量監(jiān)測狀態(tài)的有外部因素(當(dāng)前蓄電池充放電量、放電倍率)以及內(nèi)部因素(包括充放電化學(xué)反應(yīng)中電解液濃度和所產(chǎn)生的熱量),現(xiàn)實(shí)中常用方法為實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄電池狀態(tài)累積計(jì)算蓄電池SOC。2祝賀蓄水套的套裝置計(jì)2.1光伏系統(tǒng)優(yōu)化方法常用的光伏蓄電池有鉛酸電池和鎳氫電池。在中小型光伏系統(tǒng)中,對于光伏蓄電池的荷電狀態(tài)的檢測,滿足條件:外界環(huán)境溫度保持不變,而且充電電流或放電電流基本保持恒定不變時(shí),光伏蓄電池的荷電狀態(tài)與光伏蓄電池的端電壓成比例,即式中,QSOC為光伏蓄電池總電荷量;Ub為光伏蓄電池的輸出端電壓;Ib為光伏蓄電池的充電(+)或放電(-)電流;T為光伏蓄電池的溫度。Ub、個(gè)變量與光伏蓄電池電荷量具有函數(shù)關(guān)系,實(shí)時(shí)監(jiān)測并且準(zhǔn)確計(jì)算光伏蓄電池的荷電狀態(tài),將所得到的數(shù)據(jù)存入DSP以供查表,需要估算時(shí),就可通過DSP查表法查到所需的蓄電池容量SOC。在實(shí)際應(yīng)用中,中小型光伏系統(tǒng)控制器往往沒有電流檢測的模塊,僅僅只檢測光伏蓄電池電壓,好一點(diǎn)的控制器還有檢測溫度的模塊。這樣的光伏控制器只是根據(jù)下式判斷但實(shí)際上,QSOC還與充放電電流Ib有關(guān),當(dāng)Ib變化時(shí),根據(jù)式(3)得到的結(jié)果就不太準(zhǔn)確,而且,在光伏系統(tǒng)的應(yīng)用中,充電電流確實(shí)是隨光照變化的一個(gè)量,并非固定值,所以對蓄電池SOC容量檢測準(zhǔn)確性造成干擾。在實(shí)際的工程實(shí)踐中,設(shè)計(jì)了一種電流置零檢測法,可以提高沒有電流檢測模塊的光伏控制器的SOC檢測準(zhǔn)確性。具體思路如下:首先,分析在光伏系統(tǒng)中變量檢測的特點(diǎn),即光伏系統(tǒng)中的變量檢測不是連續(xù)的,是間斷的,可以隔幾分鐘檢測一次。因此,可以在充電的過程中,每次檢測光伏蓄電池端電壓之前,把充電開關(guān)斷開一瞬間,再檢測光伏蓄電池端電壓,然后根據(jù)端電壓判斷QSOC計(jì)算蓄電池容量QSOC時(shí)不確定的Ib不再影響,所以就提高了蓄電池容量的檢測精度。但是能量的損耗問題也就不可避免地出現(xiàn)了,因?yàn)樵陉P(guān)斷充電開關(guān)時(shí),瞬時(shí)電壓會(huì)突然增大,不可避免會(huì)帶來一定的能量消耗。只要解決了這個(gè)問題就會(huì)提高電池容量的檢測準(zhǔn)確度。具體論證方案如下:①將充電檢測SOC分兩步走。首先,選擇使用常規(guī)在線電壓檢測法檢測,在光伏蓄電池電量下降時(shí),這樣做就減小了不必要的電能消耗與浪費(fèi),避免了電流置零檢測法所帶來的能量損失;其次,當(dāng)光伏蓄電池電量即將充滿時(shí),選擇電流置零檢測法,具體流程框圖如圖1所示,這樣做的目的就是當(dāng)在能量損失和精確的數(shù)據(jù)兩者中選擇時(shí)保證以精確的數(shù)據(jù)為主。②選擇電流置零檢測法,會(huì)引起能量的消耗,但是這消耗如果與其他相比所占比例很小,那么此消耗就可以忽略不計(jì)。如η=Δt/t,其中,η為損失電能的比例,Δt為每次檢測之前充電開關(guān)斷開的時(shí)間,t為兩次檢測之間的時(shí)間間隔。假如取Δt=20ms,t=300s,那么η=Δt/t≈0.00007,即萬分之0.7,這個(gè)比例非常小,可以忽略不計(jì)。2.2光伏蓄電池soc估算方法估算SOC的方法有很多種,本文采用的是安時(shí)累加積分法,此方法基于累加計(jì)算以頻率脈沖數(shù)值能夠精確計(jì)算電量,對電流修正系數(shù)也可以精確估算,保證蓄電池SOC估算的精準(zhǔn)性,得到誤差小、電量準(zhǔn)的蓄電池SOC。安時(shí)計(jì)量法是指通過計(jì)算光伏蓄電池在一定時(shí)間內(nèi)累積放出電量來估計(jì)光伏蓄電池SOC的方法。如果規(guī)定光伏蓄電池放電的初始狀態(tài)為SOC,那么光伏蓄電池當(dāng)前的剩余電量為式中,CN為額定容量;i為光伏蓄電池充放電電流,充電時(shí)為正,放電時(shí)為負(fù);η為光伏蓄電池的效率系數(shù),它主要包括充放電倍率系數(shù)ηi和溫度影響系數(shù)ηT;τ為充電時(shí)間。3高效放電型VRLA光伏蓄電池已經(jīng)成為衡量光伏系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一,光伏蓄電池具有體積小、防爆、電壓穩(wěn)定、無污染、重量輕、放電性能高、維護(hù)量小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),所以深受各個(gè)行業(yè)的青睞。本次試驗(yàn)采用深圳SUN-NYWAY公司的SW1270(12V7Ah)型號光伏蓄電池作為測試對象。3.1與溫濕度的關(guān)系光伏蓄電池SOC受到環(huán)境溫度的影響,環(huán)境溫度的變化會(huì)導(dǎo)致光伏蓄電池電量呈現(xiàn)非線性變化,也影響光伏蓄電池的工作性能及使用壽命。環(huán)境溫度分別選取0、10、20、30、40、50℃,在光伏蓄電池充滿電的狀態(tài)下,用放電倍率為C/30的放電電流對光伏蓄電池進(jìn)行完全放電,得到光伏蓄電池實(shí)際容量與環(huán)境溫度關(guān)系曲線,如圖2所示。說明在高溫和低溫范圍內(nèi),VRLA光伏蓄電池的容量都會(huì)有衰減的影響。3.2光伏蓄電池放電電流式(5)中除了溫度因素,還要考慮電流因素的影響,實(shí)際測量光伏蓄電池放電電流如圖3所示,為了評估光伏蓄電池SOC的準(zhǔn)確性,當(dāng)溫度因素一定時(shí)即選擇一定周期Δt的斷開開關(guān)測量,使充放電電流I=0,得到的評估值就相當(dāng)準(zhǔn)確了。改進(jìn)測量后的光伏蓄電池放電電流如圖4所示。對比圖3和圖4,改進(jìn)測量后的光伏蓄電池放電電流較之前的電流準(zhǔn)確,能減小誤差。4電流和電壓檢測電路本硬件電路由直流測試模塊、低通濾波、VFC變換器及TMS320F28335構(gòu)成的顯示實(shí)時(shí)的充(放)電電流值和累計(jì)的電量值,圖5為安時(shí)電量計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。工作原理是:DC采集模塊采集直流信號,預(yù)處理后經(jīng)低通濾波電路濾波后送入VFC變化器,VFC變換器發(fā)出兩路脈沖信號,分別被TMS320F28335的T0、T1口接收。T0用來測試脈沖信號頻率,用以計(jì)算實(shí)時(shí)電流;T1累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)值。通過積分運(yùn)算,最后得到累計(jì)安時(shí)值。顯示電路顯示當(dāng)前蓄電池充放電狀態(tài)。DC采集模塊采用科海模塊電流傳感器KT200A,技術(shù)指標(biāo)如下:供電電壓±5V,內(nèi)阻35n,測量輸出電流I=200mA(被測電流為200A時(shí)),測量范圍0～300A。美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單片集成電壓/頻率變換器VFC,功能全面且輸出穩(wěn)定,其輸出的頻率信號送TMS320F28335的兩個(gè)計(jì)數(shù)器T0和T1,因?yàn)榛鶞?zhǔn)電源具有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?具有精確的轉(zhuǎn)換精度,頻率范圍為1～100kHz,最大非線性度為0.01%,能夠精確地轉(zhuǎn)換直流采集模塊采集到的電壓信號,并送TMS320F28335的T0和T1計(jì)數(shù)器。5電流計(jì)量測量圖6所示為主程序流程框圖。上電開始后初始化程序,等待測量開始,即主程序循環(huán)調(diào)用周期法測量頻率子程序。檢測脈沖的頻率,即由VFC發(fā)送的數(shù)目,讀電能計(jì)數(shù)器的累計(jì)值,積分運(yùn)算并顯示電流和電量當(dāng)前瞬時(shí)值。讀電量計(jì)數(shù)器前,先判斷T1溢出中斷標(biāo)志,溢出則響應(yīng)中斷返回繼續(xù)判斷,無溢出運(yùn)行本次測量并顯示。電流傳感器作用為將電壓變換為電流信號,計(jì)數(shù)器T1進(jìn)行累加計(jì)算,例如:1V轉(zhuǎn)換的10kHz脈沖頻率累計(jì),每10000個(gè)脈沖信號,就等于100A·s的電量,也就是每個(gè)脈沖就代表0.28×10-5A·h。計(jì)數(shù)器滿32位,電量值Q=0.28×10-5×232≈12026A·h,即可得到安時(shí)電量計(jì)0.28×10-5A·h/脈沖。電量運(yùn)算子程序計(jì)算得到脈沖個(gè)數(shù)乘以此常數(shù)(0.28×10-5A·h/脈沖),計(jì)算安時(shí)值就相當(dāng)于計(jì)算累加脈沖個(gè)數(shù),進(jìn)而得到積分到現(xiàn)在的充放電安時(shí)值。送顯示子程序緩沖區(qū)顯示當(dāng)前值。6延長蓄電池使用壽命,促使蓄電池的使用壽命,使蓄電池的使用壽命,使光伏系統(tǒng)光伏蓄電池的SOC對于光伏系統(tǒng)的蓄電池保護(hù)起到了重大作用,進(jìn)而對光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行也有重要意義,精準(zhǔn)地估算蓄電池S