-第1章緒論1.1課題背景與意義從第一次工業(yè)革命開始，煤作為蒸汽機的燃料登上歷史舞臺，從此以后機械化迅速鋪展開來，逐漸取代手工勞動。以煤、石油和天然氣為主的化石燃料作為工業(yè)基礎，支撐著人類近現(xiàn)代文明不斷開拓進取。科學技術的發(fā)展使人均壽命得以提高，全球人口數(shù)量因此不斷膨脹，有限的化石燃料儲備無法滿足生產(chǎn)力發(fā)展的需求，長此以往能源危機問題將日益嚴重。我們必須盡快找到應對此類問題的方法，而可持續(xù)利用新能源的發(fā)展為緩解能源危機提供可能。常規(guī)化石能源在使用中會對環(huán)境造成污染，后期還需投入大量的人力物力來改善環(huán)境。而清潔新能源的使用可以完全避免以犧牲環(huán)境來求發(fā)展的狀況。眾所周知溫室效應的產(chǎn)生是二氧化碳過度排放的結(jié)果，而化石燃料的燃燒會產(chǎn)生大量的二氧化碳，例如：工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣等。二氧化碳氣體易于吸收熱量，大量的二氧化碳聚集在地球表層形成溫室保護罩。自從21世紀以來全球氣溫迅速升高，造成冰川融化、海平面上升、森林大火等一系列環(huán)境問題。根據(jù)2017年聯(lián)合國氣候變化波恩會議，2016年大氣中二氧化碳濃度達到80萬年來的最高水平，二氧化碳濃度在過去70年中上升速度之快也是前所未有，并且世界氣象組織日前發(fā)布了一份給出許多警告的報告，如果不迅速減少二氧化碳排放量，溫室效應將會給人類帶來多方面災難性的危險[1]。據(jù)資料統(tǒng)計，我們生產(chǎn)生活中使用的電能絕大多數(shù)來自于化石燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能，直到現(xiàn)在我國電力行業(yè)還是以燃燒煤炭為主體的火電占據(jù)主導地位，新能源發(fā)電蘊含著巨大的發(fā)展?jié)摿?。太陽能發(fā)電技術直接或間接將光能轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化過程清潔無污染。近年來這種新的發(fā)電形式在國家政策的支持下迅速發(fā)展，但是該發(fā)電方式還存在一些缺陷，發(fā)電功率隨著太陽光照強度變化以及發(fā)電效率不高的問題明顯，這兩點已經(jīng)成為了制約太陽能發(fā)電的重要因素，基于此種狀況本文針對這兩個問題展開了研究。1.2蓄電池技術研究現(xiàn)狀工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中最常用的有鎳氫電池，三元鋰電池，磷酸鐵鋰電池。在長期不徹底充電或者放電的情況下，鎳氫電池容量也不會出現(xiàn)明顯的降低，正因如此該電池被廣泛使用。太陽能發(fā)電中光伏系統(tǒng)需要進行大量的電能存儲以備后續(xù)使用，而鎳氫電池單位體積存儲的能量較低、循環(huán)使用壽命較低等缺陷，顯然無法滿足太陽能光伏系統(tǒng)的要求。與磷酸鐵鋰電池相比，三元鋰電池單位體積內(nèi)存儲的電能更多，且這兩種電池的循環(huán)壽命相當。三元鋰電池具備如此優(yōu)秀的綜合性能故被廣泛應用，但是在大型儲電設備的建造中通常不使用該電池，那是因為該電池原材料稀少，大型儲電設備的建造導致成本激增，所以光伏發(fā)電系統(tǒng)也不采用三元鋰電池。由此可知，具有較高的能量密度和循環(huán)使用壽命并且安全環(huán)保的磷酸鐵鋰電池比較適合作為儲能裝置應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)[2]。1.2.1蓄電池充電技術研究現(xiàn)狀電壓、單位能量、功率和環(huán)保性等指標是評價蓄電池性能的重要參數(shù)。電池電壓有理論充放電電壓、工作電壓和終止電壓。外界環(huán)境因素對工作電壓有較大的影響，充電放電方式的選擇、環(huán)境溫度的變化以及充電次數(shù)這些因素都會導致工作電壓不盡相同。終止電壓是電池最小放電電壓。電池能量的定義是電池在某一放電條件下電池對外做功產(chǎn)生的電能。電池功率的定義是在某一放電條件下單位時間內(nèi)電池產(chǎn)生的電能[3]。幾種常見的蓄電池材料為：鉛酸、鎳氫、磷酸鐵鋰、三元鋰等。表1-1為這幾種不同材料的蓄電池性能對比：表1-1蓄電池性能對比電池種類鉛酸電池磷酸鐵鋰電池鎳氫電池三元鋰電池單位標稱電壓2.0V工作電壓范圍1.67-2.23.0-3.31.0-1.43.6-4.3V單位重量能量25-4060-7550-60150-200Wh/kg單位體積能量65-80220-240200-220250-300Wh/l最佳充電率0.05-0.250.5-1.50.2-0.50.5C循環(huán)壽命<300>2000>600>2000次環(huán)保性污染環(huán)保污染環(huán)保工作放電率0.1-0.520.51C基于蓄電池各式各樣的特性，市場上也有不同類型的需求。通過權(quán)衡上表中幾種常見蓄電池的優(yōu)缺點，著重考慮在光伏發(fā)電系統(tǒng)設計中蓄電池自身特性、建造成本和所處環(huán)境等因素的影響，本文選擇磷酸鐵鋰電池作為研究對象。對于蓄電池的充電方法已有不少學者做過研究，提出了多種多樣的控制方法。經(jīng)過本文的探究，選取了最廣泛應用的三種方法進行探究，比較其特性及適用范圍。經(jīng)過探討與分析，使用了恒流恒壓充電方式。該方式充分利用在充電中析出的氣體，在間歇期內(nèi)將其重新化合以此提高電能吸收率。多變量、非線性、離散性是蓄電池內(nèi)部化學變化最顯著的特點，所以優(yōu)勢傳統(tǒng)的充電控制方法不能滿足控制要求。而模糊控制充電法其優(yōu)勢在于提高充電過程中對多因素復雜被控變量的魯棒性。傳統(tǒng)充電方法在變量復雜多變的情況下建立精確數(shù)學模型較為困難。除此之外考慮到充電中電池的充電狀態(tài)及時反饋狀態(tài)電荷從而調(diào)節(jié)充電電流，判斷不同電池的不同性能，設計適合的充電方法，以提高電池的壽命，由此形成了基于蓄電池荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)的智能充電方法[4]。1.3MPPT的研究現(xiàn)狀當前光伏發(fā)電還有一些缺陷以待解決。生活中很多數(shù)據(jù)輸出特性是非線性的，光伏陣列的輸出便包括在內(nèi)。最大功率點（MaximumPowerPoint，MPP）的概念便應運而生。其是一個特殊工作點的名稱，在外部輸入條件相同的情況下，光伏板的輸出功率會隨著輸出電壓的變化而變化，形成一條P-V曲線，而最大功率點便是曲線的最高點。在最大功率點處可以達到最大的輸出功率。因此產(chǎn)生了利用這一曲線提高輸出功率的技術，稱之為MPPT。MPPT技術的關鍵在于尋找合適的控制算法來快速跟蹤最大功率點。目前，國內(nèi)外不少學者都致力于該控制算法的研究，且取得一定的成果。普遍使用的基礎控制算法有擾動觀察法（P&O）、電導增量法、恒定電壓法（CVT）、間歇掃描法等，擾動觀察法輸入?yún)?shù)較少，在光照強度較為穩(wěn)定的情況下使用，但其輸出在最大功率點附近振蕩的缺點，容易導致能量過度損耗，甚至有時發(fā)生誤判現(xiàn)象；除了擾動觀察法，電導增量法也屬于最常用的MPPT控制算法之一，該算法具備快速跟蹤、精準控制等優(yōu)點，與擾動觀察法相比，基本可以消除振蕩現(xiàn)象，在外界環(huán)境氣候變化頻繁的地區(qū)使用效果良好，但該方法對傳感器的要求嚴格，故設計成本偏高；短路電流法和恒定電壓法均屬于固定參數(shù)法，這種方法簡單易于操作，控制最大功率主要依據(jù)光伏電池的輸出特性曲線，但此方法控制精度差，在環(huán)境因素穩(wěn)定的情況下使用；直線近似法同樣簡單易操，但對溫度變化較為敏感，溫度劇烈變化加劇組件的老化速度，導致控制準確率大幅降低。1.4本文主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排光伏發(fā)電不斷發(fā)展，蓄電池在光伏系統(tǒng)中的地位越來越重要，根據(jù)上述蓄電池種類和充電方式的分析和對比，本文主要研究并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中磷酸鐵鋰電池的充電控制策略。首先分析現(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤()和蓄電池充電的控制策略，并與本課題進行比較，設計適合本課題光伏系統(tǒng)蓄電池充電的控制方式和拓撲結(jié)構(gòu)。然后針對現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)的精確度不夠高和蓄電池使用壽命低等問題，提出對充電控制策略的優(yōu)化，并對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化設計，提高系統(tǒng)光伏電能的利用效率。最后在中建立磷酸鐵鋰電池充電仿真模型，并且搭建該模型的實驗平臺，驗證所提出控制策略的可行性。本文共分為章，以下對每一章的主要內(nèi)容進行介紹。第一章，緒論主要介紹本課題的研究背景和意義，對蓄電池的種類、充電技術和保護技術進行分析和比較，各自有不同的優(yōu)勢和應用領域，為蓄電池的選擇打下基礎。第二章，重點介紹磷酸鐵鋰電池工作原理、特性以及磷酸鐵鋰電池荷電狀態(tài)(SOC)的影響因素，為電池充電控制策略的設計做準備，以達到保護電池、延長電池使用壽命的目的。第三章，詳細研究本課題采用的最大功率跟蹤的方式以及給磷酸鐵鋰電池充電的控制方式。對于的控制策略，采用變步長電導增量法。對于蓄電池充電控制策略，采用與恒流-恒壓結(jié)合的充電方法。第四章，光伏系統(tǒng)概述包括光伏電池的工作原理、光伏電池的等效電路與輸出特性，實現(xiàn)最大功率點跟蹤的方法等，能夠?qū)⒐夥姵夭杉降淖疃嗟哪芰看鎯Φ搅姿徼F鋰電池中。第五章，設計磷酸鐵鋰電池的充電仿真實驗，通過對主電路和輔助電路的設計最后搭建實驗平臺，得出充電中電流和電壓的結(jié)果，驗證恒流-恒壓充電的可行性和正確性。第2章光伏系統(tǒng)控制方法光伏系統(tǒng)具有不消耗燃料，不產(chǎn)生廢水廢氣等廢物污染環(huán)境的優(yōu)點，同時光伏系統(tǒng)還具有強大的擴展性能，可根據(jù)需要進行擴展從而解決了由于前期設計考慮不周導致規(guī)模不足的問題。本文采用的光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。太陽能被光伏電池陣列采集并轉(zhuǎn)化為電能，采集并轉(zhuǎn)化的電能由DC/DC-MPPT控制器跟蹤到最大功率并被分別供給到蓄電池充放電控制器和逆變器，本文只研究蓄電池充放電控制，逆變并網(wǎng)不在討論范疇。圖2-1光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1光伏電池特性和數(shù)學模型光伏發(fā)電的最關鍵部件就是光伏板陣列，只有了解了光伏陣列發(fā)電的原理及其特性才能開展后續(xù)研究，所以本文的研究從光伏電池的原理方面入手。2.1.1光伏電池的基本原理和特殊性能光伏電池制造的物理依據(jù)是半導體在光照的作用下會由于光電效應產(chǎn)生電動勢，利用這種電動勢便可以產(chǎn)生電能。光伏電池可以類似的理解成為一個半導體發(fā)光二極管。這個光電二極管與硅半導體配合，分工協(xié)作完成太陽能的吸收，轉(zhuǎn)化的工作。但是單個光伏電池的電動勢很小，功率也不高，我們可以將若干個光伏電池通過串并聯(lián)的方式進行擴展就可以得到一個光伏電池陣列[5]。如圖2-2所示的結(jié)構(gòu)圖為硅半導體的抽象結(jié)構(gòu)。圖2-2硅半導體結(jié)構(gòu)圖在發(fā)生光電效應時，硅半導體內(nèi)部會產(chǎn)生變化，這種變化會使得光能被轉(zhuǎn)化為電能。這個轉(zhuǎn)化分為兩個過程：光能轉(zhuǎn)化為電能，形成電動勢。如果我們在硅半導體外部接通完整的電流通路則通路中會有光電流產(chǎn)生。如圖2-3是發(fā)生光電效應時，硅半導體內(nèi)部的變化。圖2-3硅半導體內(nèi)部變化2.1.2光伏電池的數(shù)學模型我們可以將光伏電池近似的看作一個二極管和電流為Iph的電流源并聯(lián)而成的等效電路，因為光伏電池本身就與具有極其薄的PN結(jié)，且PN結(jié)與受光面平行的大面積二極管很相似。同時，電流流過電池板時，會由于材料本身的電阻率而受到內(nèi)部的損耗，所以我們在構(gòu)建模型時必須考慮串聯(lián)電阻Rs，在實際情況中，Rs都很小，一般大約有幾歐。我們還需要考慮到，由于加工過程中由于加工工藝等因素會在電池中形成漏電流，則必須引入PN結(jié)電容和并聯(lián)電阻Rsh來體現(xiàn)被短路的漏電流。Rsh一般大于1K歐。在考慮以上情況后得到的光伏電池等效電路如圖2-4所示[6]。圖2-4光伏電池等效電路在構(gòu)建光伏電池的輸出特性方程時，需要考慮到，光伏電池的光電流在光照穩(wěn)定時不會隨工作狀態(tài)發(fā)生變化，也就是可以理解為一個恒流源，通常，我們可以將結(jié)電容Cj忽略不計，由此得到的光伏電池輸出特性方程為方程（1）的形式。 表2-1列出了方程中每個參數(shù)的物理意義。表2-1參數(shù)物理意義表參數(shù)符號物理意義單位參數(shù)符號物理意義單位I總輸出電流A串聯(lián)電阻Ω光生電流A并聯(lián)電阻Ω二極管結(jié)電流AAPN結(jié)理想因子漏電流Ak玻爾茲曼常數(shù)反向飽和電流AT絕對溫度由于光伏電池多為硅太陽能電池，其等效電路的串聯(lián)電阻很小，并聯(lián)電阻很大，近似為無窮，因此可以忽略（V+）/一項，則光伏電池的輸出伏安特性方程可簡化為式（2）所示。 式（2）是一種光伏電池的單指數(shù)模型，需要確定、、和A四個待定參數(shù)，廠家一般會在光伏系統(tǒng)設計中提供以下四個參數(shù)，即短路電流、開路電壓、最大功率點電壓和電流。在相應的模型中，將這些參數(shù)依次帶入，便可以得到光伏陣列的待定參數(shù)[7]。由式(2)得到二極管品質(zhì)因數(shù)為： 在I=0時，由式（3）得出該等效模型的開路電壓為： 在式（4）中，若使為0，忽略，則該等效模型的開路電流為： 聯(lián)立式（4）和（5）得到瞬時功率： 2.2光伏電池的輸出特性如圖2-5所示，圖中電池在光強1000W/m2，處在25℃環(huán)境下的I-U和P-U曲線。經(jīng)觀察得知，在電壓從0逐漸升高到Um的過程中，電流I的變化不太大，而功率卻在迅速上升，而電壓值大于Um時，電流和功率值都在迅速下降，從中我們可以得知，電池的輸出功率存在極值，而我們的任務便是找到這個極值在極值點附近使用電池。我們使用的方法時跟蹤最大功率點。但是由于電池的輸出特性會被外界環(huán)境所干擾，當外界條件改變時，電池的輸出功率也會變化，這為實際的工作帶來了難度。所以我們分別研究溫度、光照改變時，電池的電壓電流關系。結(jié)果如圖2-6，2-7所示[8]。圖2-5PV電池輸出特性曲線圖2-6不同溫度時PV電池輸出I-U曲線圖2-7不同光照時PV電池輸出I-U曲線2.3光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤方法在很長的一段時間內(nèi)，大量的研究人員都對如何使用太陽能進行了大量的研究，因為其足夠清潔，可再生的特性，可以極大緩解當前地球的環(huán)境壓力。但是從目前來看，光伏陣列的技術還不夠成熟存在改進的空間。由于光強，溫度T與MPPT關系是非線性的，所以找到MPPT點十分不易，我們的核心任務便是跟蹤MPPT點，亦即光伏陣列在唯一負載下的最大功率點[9]。2.3.1MPPT控制電路從以上的分析可以得知，輸出功率在負載電阻和電池內(nèi)阻大小相差不大時，達到極大值[10]。假若陣列的輸出電流是，輸出電壓是，電池內(nèi)阻是，負載是，那么光伏電池的輸出功率為： 對（7）求導得： 由式(8)可知當即時輸出功率最大。圖2-8阻抗匹配關系由之前的分析可知，電池內(nèi)阻會受到環(huán)境的影響，若要達到MPPT的要求，就必須時刻調(diào)整負載電阻使得其與不斷變化的電池內(nèi)阻相匹配。而由于信息收集帶來的電壓誤差，我們必須采用如圖2-9所示的DC/DCBoost升壓變換電路將電池的輸出電壓變大的同時改變負載大小。圖2-9Boost升壓電路是電池陣列輸出電壓，V是IGBT開關管，設開關管在導通狀態(tài)持續(xù)時間為，在關斷狀態(tài)持續(xù)時間為。開關處于導通狀態(tài)時向電感L充電，此時C存儲的電能給R供電，由于C比較大，能夠保持恒值。當V處于關斷時和L共同向C充電并給R供電。設開關V的升壓比為，則與的關系為： 又 由于<1所以,從而我們得知，使用這樣的升壓電路有可以在升壓的同時使得負載和陣列自身的電阻相近。2.3.2MPPT控制方法實際生產(chǎn)中，有四種使用頻率較高的MPPT方法，接下來，我們會對這幾種方式進行研究和探討[11]。1．固定電壓法，固定電壓法是對陣列的輸出電壓進行嚴格控制使之穩(wěn)定在Um附近，這極大地方便了我們跟蹤最大功率。而這種方法的基本原理當僅有光照變化時，陣列的MPPT維持在固定電壓附近?？刂戚敵鲭妷涸诠潭妷焊浇纯杀ＷC陣列處在最大功率處。從之前的論述可以明顯地看出，雖然這種方法具有簡單易行效率高的特點，但是這種方法并不適用于環(huán)境溫度改變的情形中，對環(huán)境溫度要求較高，而現(xiàn)實中，這樣的環(huán)境很少存在，這就限制了這種方法的使用[12]。2，擾動觀察法，擾動觀察法應用廣泛，要求對電池的狀態(tài)進行實時的收集。并將收集到的信息輸送到前端。經(jīng)過分析對輸出電壓設置干擾，根據(jù)干擾后輸出功率的變化來確定MMPT當前的狀態(tài)是否接近MPPT。該方法操作簡便且進度高，又能實時跟蹤，應用廣泛?？墒沁@種方法會產(chǎn)生震蕩，是一個不足之處[13]。3，電導增量法，電導增量法也需要采集信息，但與擾動觀察法不同的是，電導增量法采集的是輸出的信息。根據(jù)采集到的電壓，電流值推導出電導增量。從而比較電導和其增量，如果比較的結(jié)果偏離零點，則要對系統(tǒng)進行調(diào)整直到結(jié)果趨近于零值。此時，陣列的工作狀態(tài)便接近于MPPT。如圖2-10所示，這種方法效率高，所得控制效果好[14]。圖2-10IV法MPPT流程圖第3章蓄電池總述2002年左右磷酸鐵鋰電池問世。電池的性能主要取決于采用的正，負極和電解質(zhì)材料。根據(jù)電池正極材料給鋰離子電池命名，種類繁多。常用的鋰電池正極材料有氧化鈷鋰（）氧化錳鋰（）和氧化鎳鋰（）。而磷酸鐵鋰電池的正極材料是磷酸鐵鋰（）。在這四種正極材料的金屬元素中，鐵（）是最廉價且開采冶煉難度最小的，由此可見采用磷酸鐵鋰為[15]正極材料更廉價，除此之外，磷酸鐵鋰電池具有良好的電化學性能，平穩(wěn)的充放電平臺，穩(wěn)定的充放電結(jié)構(gòu)，無污染，安全性能好。3.1電池的工作原理如圖3-1所示晶體屬于橄欖石結(jié)構(gòu)每個晶胞中含有4個單元，鐵原子位于八面體位置鋰原子位于八面體的位置由此形成和八面體磷原子位于氧原子的4c位置形成四面體從而、和交替排列形成一層層的腳手架結(jié)構(gòu)[16]。圖3-1磷酸鐵鋰晶體結(jié)構(gòu)磷酸鐵鋰電池是指正極材料為磷酸鐵鋰的鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示左邊是正極由、和的晶體構(gòu)成鋁箔和電池的正極相連；右邊是由石墨構(gòu)成的負極銅箔和電池的負極相連中間的聚合物薄膜將正負極分開。電池中的鋰離子可以通過隔膜而電子不能通過。圖3-2蓄電池原理圖通過X射線衍射光譜檢測不同充放電狀態(tài)下的磷酸鐵鋰發(fā)現(xiàn)，磷酸鐵鋰電池的充放電過程是一個相變的過程，反應方程式如下：充電過程：放電過程：充放電過程中電池的化學反應微觀過程如下：充電時，外電場的作用使Li+離子從正極的磷酸鐵鋰晶體中掙脫出來進入電解液中，之后Li+離子嵌入到負極石墨晶體內(nèi)部，F(xiàn)e2+被氧化Fe3+，同時磷酸鐵鋰晶體中的電子e-通過鋁箔和外電路聚集到石墨晶體中從而使正極流到負極的電荷可以達到平衡[17]。充電完成后正極的磷酸鐵鋰()被氧化成磷酸鐵()。放電時，本來嵌入在負極石墨晶體中的Li+離子在外電場的作用下掙脫出來，進入電解液后回到正極磷酸鐵鋰晶體表面并且嵌在其內(nèi)部，F(xiàn)e3+被還原成Fe2+，同時石墨晶體中的電子e-通過銅箔和外電路聚集到磷酸鐵鋰晶體表面，從而使負極流到正極的電荷可以達到平衡。放電完成后正極的磷酸鐵被還原成磷酸鐵鋰X射線衍射光譜證明了磷酸鐵鋰電池的這個充放電過程。3.2電池的特性磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池、鎳鎘電池比較而言，具有能量密度高、循環(huán)壽命長和安全環(huán)保等優(yōu)點。在眾多電池體系中磷酸鐵鋰電池是比較理想的用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的化學儲能元件。就光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池而言，磷酸鐵鋰電池具有如下優(yōu)點：不污染環(huán)境。磷酸鐵鋰電池無任何有毒有害物質(zhì)，是綠色環(huán)保電池，成為國家重點研究發(fā)展和支持的項目。與鉛酸電池相比，沒有鉛酸泄露的問題電池回收過程中也不會遺留有毒物質(zhì)。超長壽命。磷酸鐵鋰電池可以在室溫下充放電循環(huán)2000次而容量保持率85%以上。壽命遠高于普通鉛酸電池的300次，鎳氫電池的600次循環(huán)壽命。電池單體電壓高、瓦時效率高。磷酸鐵鋰電池單體電壓是3.2V鉛酸電池是2V，鎳氫電池只有1.2V，磷酸鐵鋰電池的瓦時效率比較高，在使用壽命內(nèi)一般能夠達到以上；新的鉛酸電池瓦時效率只有在環(huán)境溫度中達到，當環(huán)境溫度較低在零度以下或者溫度較高在40℃以上時它的實際效率會下降很多。重量輕、體積小。相同容量的磷酸鐵鋰電池、鉛酸電池和鎳氫電池比較，磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池的，重量是鉛酸電池的，鎳氫電池的。電池的儲能容量大。磷酸鐵鋰電池克容量是130mAh/g，而錳酸鋰電池的容量是90mAh/g。安全性能好。鉛酸電池在環(huán)境溫度過高或者電池過充、短路時可能會發(fā)生燃燒甚至爆炸的危險，研究得出磷酸鐵鋰電池在時依然能夠保持穩(wěn)定性，安全性非常好。3.2.1蓄電池充電特性磷酸鐵鋰電池充放電特性是用開路電壓法測量的電池開路電壓()是充放電中電池靜置一段時間后的電壓開路電壓與的關系基本不隨電池容量和老化程度而變化。圖3-3是磷酸鐵鋰()電池在充電時開路電壓與關系曲線。由圖3-3可知，在充電的初期和后期開路電壓變化較大，在為0.3~0.8過程中開路電壓變化比較平緩，二者相差0.05V左右。圖3-3開路電壓與SOC關系曲線3.3本章小結(jié)本章闡述和分析了磷酸鐵鋰電池的工作原理和特性，為進一步研究其性能做好理論準備。以的型磷酸鐵鋰電池作為研究對象對該電池的充電和放電特性進行深入研究，得到了磷酸鐵鋰電池在不同條件下所表現(xiàn)出的不同的特點。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中應用磷酸鐵鋰電池要從充放電特性、溫度因素、放電倍率和循環(huán)壽命等方面綜合考慮，設計適合該系統(tǒng)使用的磷酸鐵鋰電池的充電控制策略。第四章蓄電池充電控制方法設計根據(jù)前文所述的內(nèi)容，已經(jīng)闡述了光伏太陽能板的原理及特性，蓄電池的特性以及幾種最常用的最大功率點跟蹤算法。在本章中，將設計最大功率點跟蹤方法以及太陽能充電方法，為前文所述的磷酸鐵鋰蓄電池制定高效的充電控制策略。4.1最大功率點跟蹤方法設計根據(jù)前文所述，最常用的MPPT方法是電導增量法。電導增量法的原理如下：由于在MPPT點處通過求得功率對電壓的導數(shù)，使之趨向于0，便可實現(xiàn)最大功率點跟蹤。其中功率P可以用電流I和電壓V表示，等式改寫為 整理式(11)得 在系統(tǒng)工作的過程中，不斷采樣當前電壓值和電流值并根據(jù)式（12）進行運算，當電流和電壓值的關系符合式（12）時，說明此時的輸出功率已經(jīng)是最大功率了，不需要再調(diào)整輸出電壓和電流。當電流電壓關系不滿足式（12）時可以通過與?I/V的大小判斷當前輸出功率在最大功率點的右側(cè)還是左側(cè)，以此來確定下一步輸出功率的移動方向?；诖朔N原理，電導增量法在使用時需要遵循以下步驟：第一步時，即，當前系統(tǒng)在MPPT點的左側(cè)，要向電壓增大的右側(cè)移動。第二步時，即，當前系統(tǒng)在MPPT點的右側(cè)，要向電壓減小的左側(cè)移動。第三步時，即，功率對電壓的導數(shù)為0，說明當前的系統(tǒng)已經(jīng)在最大功率點上，不需要繼續(xù)移動功率點，保持當前狀態(tài)即可保證太陽能板輸出最大功率。由于實際使用時干擾項較多，使用這個判別條件容易引起震蕩，故而在實際使用中一般會給導數(shù)設置一個閾值，即，這樣就相當于放寬了最大功率點的功率范圍，可以克服由于檢測誤差或者外部擾動引起的震蕩。的絕對值越小，輸出的最大功率就越接近理論最大功率，功率輸出控制越精確但是若的絕對值取得過小，便不能保證其對擾動和檢測誤差的克服作用系統(tǒng)仍然會發(fā)生震蕩，影響輸出穩(wěn)定性和準確度。由于光伏太陽能板的輸出P-U曲線在最大功率點兩側(cè)不具有對稱性，所以即使是在相同功率下從最大功率點的兩側(cè)同時進行調(diào)整，兩側(cè)到達最大功率點所需要的時間是不相同的，為了保證系統(tǒng)跟蹤最大功率的準確性和穩(wěn)定性就需要克服這一問題。本文基于此提出了對傳統(tǒng)電導增量法的改進算法，即根據(jù)當前功率點距離最大功率點的誤差來改變跟蹤步長的方法稱之為變步長電導增量法。圖4-1光伏陣列輸出P-U曲線由前文所述，MPPT點左側(cè)的功率增加到時，電壓從增大到；MPPT點右側(cè)的功率增加到時，電壓從減小到，可以得到： 根據(jù)式(13)以及式(14)得在功率變化ΔP取得相同值時，若此時跟蹤步數(shù)也取得相同值，則從最大功率點兩側(cè)功率達到最大功率點的步長 式中為從左側(cè)達到MPPT點的步長，為從右側(cè)達到MPPT點的步長。從中可以看出，若想讓二者經(jīng)過相同的調(diào)整步數(shù)同時到達最大功率點，那么左側(cè)的功率調(diào)整步長就必須大于右側(cè)的。圖4-2變步長電導增量法MPPT流程圖變步長電導增量法跟蹤最大功率的流程圖如圖所示。當時，從左側(cè)靠近點以為步長，從右側(cè)靠近點時以為步長，利用A和的值調(diào)節(jié)步長。限制二者的最大步長，當或時為最大步長。當時，從左側(cè)靠近點以為步長，從右側(cè)靠近點以為步長，利用B和的值調(diào)節(jié)步長。同樣限制二者的最大步長，當或時，最大步長均為。4.2蓄電池充電控制方法經(jīng)過查閱文獻得到最佳充電曲線如圖所示，基于這樣的充電曲線，工程人員研究出了三種傳統(tǒng)蓄電池充電策略，分別為恒流限壓充電，恒壓限流充電和恒流-恒壓充電。電池在充電過程中會產(chǎn)生析出氣體，而按照最佳充電曲線充電可以極大的削弱這一現(xiàn)象，所以對蓄電池充電方式進行研究不僅可以提高蓄電池的充電效率，延長其使用壽命，也可以增強蓄電池使用過程中的安全性。圖4-3最佳充電曲線圖4-4恒壓限流充電曲線圖恒壓限流充電曲線如圖所示：在此種充電方式充電的過程中，其電壓為一固定的常數(shù)且保持不變，充電電流曲線類似于這樣的反比例函數(shù)，隨著時間的增長，電流無限趨近于0，當電流值小于設定閾值后充電過程結(jié)束。上文所述的蓄電池最佳充電曲線也是這樣的反比例函數(shù)，所以恒壓限流充電方式可以有效減少充電過程中的氣體析出，可以保證充電過程中的安全性，但是若充電的蓄電池是多節(jié)蓄電池串聯(lián)而成的電池組，則充電電壓會變得很高，不容易將電壓控制在目標值，導致充電電壓過高，這樣便會導致充電電流過大，產(chǎn)生的熱效應變大，若熱效應過大則會對蓄電池造成不可逆的損害，所以恒壓限流充電方式不適用于高電壓應用場合。恒流限壓充電方式的曲線如圖所示：在此種充電方式充電的過程中，其電流為一固定的常數(shù)且保持不變，充電電壓曲線類似于這樣的對數(shù)函數(shù)，隨著時間的增長，電壓逐漸升高且其斜率逐漸減小，當電壓值趨近設定閾值后充電過程結(jié)束。該方法充電初期充電較慢，充電后期析出的氣體較多，當電池容量很大時，充電初期需要的時間很長，效率低下，所以恒流限壓方法不適合低電壓大容量的蓄電池。圖4-5恒流限壓充電曲線恒流-恒壓充電曲線如圖所示：充電初期以恒流限壓充電方式設定的恒流值盡量接近最佳充電電流值在這過程中充電電壓逐漸增大。當充電電壓增大到設定的值時蓄電池進入恒壓限流充電方式，此時電壓不變電流逐漸減小盡量以最佳充電電流變化曲線進行。恒流-恒壓充電結(jié)合兩種充電方式的優(yōu)點既提高了蓄電池的充電效率又考慮到蓄電池壽命的因素提高其使用壽命。圖4-6恒流-恒壓充電曲線作為廣泛使用的動力電池的一種，磷酸鐵鋰電池的最大輸出功率大、充放電次數(shù)多而且還有對環(huán)境友好無污染的優(yōu)勢。通過本文的節(jié)圖充電曲線可知當電池快達到充電電壓上限時電池的開路電壓迅速上升充電曲線出現(xiàn)階躍跳變的狀況，這樣會導致充電電壓的升高，增加充電的熱效應以及產(chǎn)生過充，有可能會對電池產(chǎn)生不可逆的損傷。因此無論是單獨使用恒壓或者是恒流的充電方式都不能保證充電過程的安全性。因此通常會采用圖所述的恒流-恒壓充電方式。對磷酸鐵鋰電池單體充電，電池先以恒流方式充電，一般不超過，當電壓慢慢上升達到時轉(zhuǎn)為恒壓充電方式，電流慢慢下降直至電流下降到低于時充電完成，停止充電。快速充電和智能充電適用于較高充電效率的場合并網(wǎng)光伏系統(tǒng)中的蓄電池對充電效率要求不高，重點關注的是電池壽命所以本文使用的仍然是傳統(tǒng)的恒流-恒壓方式。經(jīng)過四種充電方式的研究與比較，本文采用與恒流-恒壓充電方式相結(jié)合的策略對磷酸鐵鋰電池充電。變換器將跟蹤的最大功率和電壓盡可能變換為最大的穩(wěn)定的電壓，之后再給磷酸鐵鋰池充電。本光伏發(fā)電-蓄電池儲能系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)蓄電池的高效率充電，若光伏發(fā)電的效率較高，滿足蓄電池充電所需的能量后還可以將蓄電池利用不了的電能輸送到電網(wǎng)為電網(wǎng)用戶使用。4.3充電電路仿真設計由于光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能無論是電壓還是電流都不穩(wěn)定，所以在對蓄電池充放電時需要變換電路以穩(wěn)定輸出電壓和電流。電路是利用的導通和關斷進行充電或者放電模式的轉(zhuǎn)換以及控制電壓和電流的。本文采用的是非隔離型雙向電路，該電路使用的開關管較少所以產(chǎn)生的損耗較小，而且它不像隔離型雙向電路有笨重的變壓器，所以易于集成和包裝。電路元器件較少易于控制和調(diào)試以及造價低成為實驗比較好的選擇。雙向充放電電路如圖所示。圖4-7雙向Buck/Boost電路通過對開關管和的導通和關斷時刻以及時間的控制使變換器工作于降壓或升壓模式，和的導通和關斷的信號由系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。降壓工作模式：當母線電壓提供的電能大于負載需要的電能或者蓄電池給負載供過電電量不滿時，需要對磷酸鐵鋰電池組充電，此時雙向變換器相當于降壓電路。升壓工作模式：當母線電壓提供的電能小于負載需要的電能或者無法給負載供電時由磷酸鐵鋰電池組給負載供電，此時雙向變換器相當于升壓電路。第五章蓄電池充電控制仿真實驗本文的前幾部分分別敘述了蓄電池的選用以及其充放電特性，光伏發(fā)電的原理、特性以及最大功率點控制方法，而后詳細研究了蓄電池充電的控制方法，設計了充放電電路以及最大功率點跟蹤電路，本章基于上文的工作設計仿真程序?qū)υO計的控制電路進行仿真，驗證其可行性并對充放電效率進行評估。5.1仿真環(huán)境介紹本文所述的蓄電池充電控制系統(tǒng)屬于電力電子的仿真范疇，在電力電子仿真中是常用的仿真工具，使用文件作為程序運行腳本，其函數(shù)定義也是在文件中定義的，中還集成了模塊，用戶可以搭建圖形界面運行仿真程序，本文就是基于Simulink搭建的仿真程序。5.1.1工具箱介紹是中的一種可視化仿真工具，是一種框圖設計語言，用框圖表示信號之間的運算關系，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。由于單純使用圖形界面構(gòu)建系統(tǒng)較為復雜，所以本文使用中的函數(shù)模塊描述系統(tǒng)的信號傳遞關系。函數(shù)是系統(tǒng)函數(shù)()的簡稱，是指采用非圖形化的方式（一般用函數(shù)）描述的一個功能塊。函數(shù)由一種特定的語法構(gòu)成，用來描述并實現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)以及復合系統(tǒng)等動態(tài)系統(tǒng)；S-函數(shù)能夠接受來自框圖的信號，并對信號進行運算，產(chǎn)生輸出并輸出至框圖中，其中對于信號的運算是用編寫S函數(shù)模塊的文件處理的。本文使用和函數(shù)建立仿真程序，并產(chǎn)生仿真結(jié)果。5.2仿真程序建立及結(jié)果5.2.1仿真程序建立本文所述的固定翼飛行器航跡角軌跡跟蹤控制系統(tǒng)主要由三部分組成：部分一為模擬光伏發(fā)電板