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1、中山大学研究生学刊 (自然科学、医学版)第 30 卷第 3 期 JOURNAL。FT HEG RADUATES VOL. 30 32009 S UNY AT-SENU NIVERSITY ( NATURALS CIENCES、MEDICINE) 2009小型风电系统蓄电池组充放电*控制器的设计及仿真研究李钧（中山大学信息科学与技术学院，广州510006）内容提要】本文对风力发电系统中的蓄电池组数学模型进行了研究，基于MATLAB/Simulink平台建立了蓄电池组的仿真模型并进行了改进；对蓄电池组充放电控制算法进行了理论研究和比较，提出了三段恒流充电控制和基于安培小时法的放电深度控制的蓄电池组
2、充放电控制策略并进行了算法设计；在搭建完风力发电系统整体模型的基础上进行了仿真研究，验证了本文所搭建仿真模型的正确性以及所设计控制算法的正确性和有效性。族键词】风力发电；蓄电池;M ATLAB/Simulink;分段恒流充电；放电深度 控制1引言小型风力发电系统的控制部分主要包括MPPT（最大功率点跟踪，Maximum PowerPoint Tracking）控制”和蓄电池充放电控制两个方面，其中，后者在小型风力发电系统控制中占有更为重要的地位。风力发电系统运行环境十分恶劣，风速的剧烈变化会引起能量供给和需求的不平衡 以及供电电压的不稳定 ，为了保证风力发电系统供电的连续性和稳定性，通常会配置
3、蓄电池作为储能装置，其性能好坏及寿命长短对于风力发电系统的安全稳定运行具有十分 重大的意义。目前使用的铅蓄电池均不是为新能源发电系统专门设计的2 ,其主要缺点是耐过充电和过放电能力较差。风能发电随机性强，稳定TIe差，在发电系统中很难保证对蓄电池有规律地充放电。因此，在风力发电系统中，如果对运行中的蓄电池充放电的控制和保 护方法不得当，极易造成蓄电他的损坏。另外，在小型风力发电系统中，蓄电池的投资*收稿日期：2009- 09- 17作者简介：李钧，男，1983年生，广西柳州人，中山大学信息科学与技术学院2009级检测技 术与自动化装置专业硕士研究生，研究方向为电力电子，联系方式junlee61
4、7163 com。1994-20116 China. Academic JoLiiual Electronic Publixhing H011 号* All rights rsserv&d- hltpi中山大学研究生学刊（自然科学、医学版）二九年第三期占总系统投资的 2446%;如此高的投资比例也可以看出蓄电池使用寿命的长短直接影响发电系统供电的稳定性 、系统维护经费的再投入和整个系统的发电成本 。因此， 蓄电池充放电控制与过充电和过放电保护是小型风力发电系统运行控制的主要部分 。换 言之，整个小型风力发电系统的运行控制围绕蓄电池的有效充放电控制与保护进行 。2小型风力发电系统的基本结构本文研
5、究的小型风力发电系统由小型风力机、交流发电机（三相永磁同步交流发电机）、三相不可控整流桥、Boost变换器、单相并网逆变器、滤波器、直流调压负载和本 地用户负载等几部分组成,其系统结构框图如图 1所示。卸曲倒我控制器但PPT控制， 蓄电池充放电控制）图1小型风力发电系统及其控制部分结构示意图逆 变 霹交流电网 或负载蓄电池知IC-DC 变换 电踞小型风力发电系统控制器主要包括两个部分：1）风能最大功率点跟踪（MPPT）最大功率追踪控制是一种通过调节电气模块的工作状态，使风力发电机能够输出更多电能的电气系统5,其作用就类似于汽车换档的作用。本文采用Boost升压电路，通过控制功率开关管的占空比，
6、就可以达到电阻匹配的目的，从而使得风力机总是输出最大功率。常用的最大功率捕捉的办法有三种：风速跟踪控制算法、转速反馈控制算法、功率 扰动控制算法。这三种方法跟踪原理不相同，跟踪效果也有差异，详细比较可见参考文 献 6。2）蓄电池充放电控制蓄电池充放电控制是小型风力发电系统中极其重要的一环，因而也是本文要讨论的重点，在本文余下部分中将对其展开详细讨论。3风力发电的蓄电池储能系统目前，阀控密封铅酸蓄电池 (Valve RegulatedL ead-Acid, VRLA)以其体积小 、价 91?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishin
7、g Hoiiscl All rights reserved. nltp:A格低廉、性能可靠、安全性高，污染小、维护性能好等优点，且技术上又不断进步和完 善，在风力发电系统中获得大量应用。影响蓄电池寿命的主要因素如下：1）充电电压：在对蓄电池充电过程中，需要对充电电压有所监视，若检测到蓄电池端电压超过某一电压值（具体可参见蓄电池厂家所提供的参数），说明蓄电池内部很可能已经发生了析气反应，造成加速活性物质脱落，损坏极板。此时应当立即停止充电，以防止对蓄电池的过充电。2）放电深度：蓄电池循环寿命与蓄电池的放电深度有着直接的关系，随着放电深度的增加，导致极板逐渐硫化”，充放电可循环的次数将减少，两者呈
8、负相关关系。4小型风力发电系统的蓄电池组建模研究目前，铅酸蓄电池建模工作主要集中在以下几个方面：基本原理模型、等效电路模型、黑箱”模型、自适应结构模型等，其各自特点可见文献 7。其中，等效电路模 型以其简单直观的形式以 及便于建模 等优点成 为电气工 程领域内 被广泛运 用的一种 模型。根据应用领域的不同，等效电路模型也有多种不同的电路形式，典型的有初等模型、Thevenin电池模型、Shepherd模型、Massimo Ceraolo动态模 型等,各自的 基本模 型、改进模型的模型结构、适用范围、以及误差情况可见文献7 - 9。由于本文只要求模型的输出电压对于蓄电池充电电流的响应能够大致符合
9、经典实验 曲线即可，对蓄电池模型参数精度的要求不高，因此在对上述模型进行比较后，选取Thevenin电池模型作为风力发电系统蓄电池组的模型。其基本模型如图 2。图2 Thevenin电池模型C0代表平行极板之间的电容，R0代表极板与电解液之间的非线性接触电阻。取电容C0两端的电压uc为状态变量，根据电路定律可得到：(1)r - Co c + ( 1 + ) Uc =U 0 - E0dt R/但是在仿真的过程中，发现该模型在对于恒流充电的电压响应上，波形变化较平缓，而充电电压又是作为电流分段的依据，故本文将在原有模型基础上串联一个与蓄电池SOC有关的电压分量，即KX SOC分量，其中K为待定常数
10、，将在具体模型搭建完 成之后根据输出波形进行确定。92lift 1 A I ii rcstirhttp中山大学研究生学刊（自然科学、医学版）二九年第三期数学模型如下：(2)Uo - E0 =r C0 当 + 1 + uc +K - SOCdt LR0等效电路图如图 3所示。图3本文采取的蓄电池模型等效电路图9415充电控制算法对铅酸蓄电池的充电方法有很多，包括恒流充电、恒压充电、两阶段充电、快速充电、智能充电、均衡充电等方法。各自的特点比较见文献10-13。经过对上述充电方法优缺点的比较，本文将采用文献 14中所提到的一种改进恒流充电法一一分段恒流充电法。分段恒流充电就是在每一个分段内以恒定的
11、电流对蓄电池进行充电，并且电流整定值逐段减小。分段恒流充电是根据马斯理论“也关于蓄电池对充电电流的接受能力的描述而提出的，该方法能抑制正极板活性物质的软化和负极板活性物质的硫酸盐化，从而延长了电池的循环寿命。恒流充电（不分段）过程中电池电压的变化规律如图411所示，分段恒流充电的电压变化曲线与图 4所示曲线类似，只是在不同阶段由于充电电流的不同，电压变化率不同罢了。876 54 3210 987- ，+ fc e fc 222 22 2222 lii0 1 2345678 9 10 1J充电时间为图4恒流充电过程中蓄电池端电压变化曲线11 tf IIduk由 AL riIs reser93本文
12、小型风力发电系统中所使用的直流斩波电路为Boost电路，根据这一特点可选择如下控制策略：根据自动控制原理，通过将充电电流与一个设定值进行比较，经由PI控制器对比较结果进行处理，再通过PWM发生器来对Boost电路进行控制。虽然Boost电路作用是 升高电压，并且通过调节占空比，输出电压可调；但是在小型风力发电系统中，由于有蓄电池对电压的钳位作用，在PWM发生器对占空比的调节下，输出电压变化不大；占空比变化，相当于Boost电路输出等效阻抗发生变化，这样就可以调节充电电流达到所设定的值，实现恒流充电。本文采用三段恒流充电，可将蓄电池端电压作为判断依据，随着充电的进行，当蓄电池端电压升高到设定值时
13、，将充电电流设定值降低一个档次；蓄电池端电压继续升高，达到下一设定值时，充电电流设定值再次下降一个档次。这样便可实现分段恒流充电。本文使用 MATLAB/Simulink作为仿真的工具搭建模型，全电路图如图 5所示：图5小型风力发电机整体结构电路模型图中POWER”子系统内部包括风机、发电机和整流电路，其中风机和发电机简化合并为一个三相电压源模块，整流电路根据实际情况采用三相不可控整流电路；“Boost”为DC/DC升压斩波电路；Current control”包才PI控制器和 PWM发生器，用 于对蓄电池充电电流进行反馈控制；“top Charging”用于计算蓄电池已充电电量 ，并控制蓄电
14、池充 电的停 止，以便下一步对蓄电池 放电深度控制算法进 行实施和验证；Battery”为蓄电池模型，电池电压以及电阻大小的选择参考文献 12参数，选定蓄电池内电阻为Q5W,极板等效电阻为Q5W，开路电压为10V,电容参数先取为默认值，将在调试时根据输出波形来确定；G iven current”依据蓄电池端电压变化，给出不同的充电电流给定值，以实现电流的分段。本文采用典型的 PI控制器结本如图 6所示。小型风电系统蓄电池组充放电控制器的设计及仿真研究图6 PI控制器结构蓄电池充电电流和端电压波形如图7所示。充电时间t/b图7蓄电池充电电流波形与端电压波形由图7可见，充电电流在Ig变化时，能够很
15、快地调整到与Ig大小一致，并且能够幅值在达到Ig大小之后保持稳定，不受蓄电池端电压的影响。通过调试，发现各参数对波形影响情况如下：负载电阻越大，电流响应速度越快。PI环节的比例系数越大，电流响应也越快，因为控制作用越强。三相电压源相电压的大小对电流波形有较大影响，电压越大，由于系统阻抗基本不变，输送给系统的能量也会越大，则电流的衰减也会变缓 。B8st电路中电容越大,充电电流爬升越慢，但达到设定值后震荡越小 ；B 8st电路 中电感小于一定值时，输出电压会大大降低，震荡也厉害，而且会使 POWER的输出电 压降低；电感太大也会使输出电压有所降低 。综合调试后选择主要参数如下：电源相电压：27V
16、,频率：50Hz整流器滤波电容：1500旷B8st电路电感：210mH,电容：25mF蓄电池电容：0.01叶；极板等效电阻：0.5里蓄电池内电阻：0.5W9595中山大学研究生学刊 （自然科学、医学版）九年第三期6放电控制算法蓄电池放电的控制技术有放电电压控制法、放电电流的控制法和放电深度控制法其中放电深度控制法是当蓄电池组的放电深度大于其设定的放电深度时，本蓄电池组将停止向负载放电。这主要是为延长蓄电池的使用寿命而设置的。每组蓄电池放电深度的大小，可根据实际要求通过设定值得到。根据测算和实际运行经验，较为适中的放电深度是50% 国外有关资料称50%的蓄电池循环放电深度为最佳储能-成本系数”1
17、6c对蓄电池进行放电深度控制，首先要解决的一个关键问题，就是在于对蓄电池荷电状态 SOC （ State of Charge）的检测。只有在准确检测到蓄电池剩余电量的基础上才谈得上对蓄电池进行放电深度控制。目前较多用于判断电池状态的方法有：电解液密度法17、静开路电压法18 19、放电电压法11、电池内电阻法、电压恢复时间法、累积 放电电量法 （安培小时法）9等。根据文献20对上述几种常用的蓄电池SOC检测方法进行的比较分析，本文决定采用精度较高而且容易实现的安培小时法对蓄电池的剩余容 量进行检测。安培小时法是在电池放电的过程中累积电池实际输出的容量，用电池的额定容量减去己经输出的容量来计算剩
18、余容量。只要知道被测蓄电池的最大容量，就可以用这种方法来获得蓄电池的 SOC。安培小时法所适用的场合可见文献 18, 21。以上一小节所搭建的模型为基础，添加一个蓄电池放电控制模块，整个小型风力发电系统全电路图如图8所示：Givtn min1OlCZ actual CLiTErnCum nt wnlrol1ap hij ig in g f hl QUI2 Cwm1 Doonl* Cww i9 UmapofwerC0*4Omn currentI 一 ISlop Disc：hjrg MATLABF皿MnBarterys96图8小型风力发电系统整体模型其中Stop Discharge”即为所添加的模
19、块子系统,其内部结构如图9所示：小型风电系统蓄电池组充放电控制器的设计及仿真研究图9StopD ischarge”子系统内部结构其中SOC”模块用于调用一个 MATLAB函数对蓄电池 SOC是否小于设定值进行判断；利用一个转换开关“Witch”模块对信号进行选择,以蓄电池SOC值对时间的导数是否小于0作为判断依据，当该值大于 需要将蓄电池与负载断开的，因此将常数 号，即让开关保持接通状态 ，不对蓄电池 用模块，根据蓄电池SOC大小不同输出 否对负载供电。仿真波形如图10所示：0时,说明正在对蓄电池进行充电，此时是不1”作为蓄电池与负载之间开关K的控制信SOC值进行判断；反之，则通过一个函数调0
20、或 1”来控制开关 K的开断，以决定是图10充电电流、理想开关控制信号和蓄电池容量Cb变化曲线98图中对理想开关“deal Switch”的控制信号用以控制蓄电池连接或断开与负载的联系，1表示接通，“0”表示断开。由示波器显示仿真结果波形可见，模型很好地验证了放电深度控制算法的正确性，说明如下：(1)当蓄电池处于充电状态时，也即蓄电池 SOC值的导数大于0”时，无论SOC值为多少，开关都闭合。(2)在蓄电池处于放电状 态 SOC值导数小于0时，开关将响应 SOC的变中山大学研究生学刊（自然科学、医学版）二九年第三期化；当SOC值衰减到设定值1.3”时，开关控制信号变为0”，开关将负载断开,充电
21、电流（放电电流）变为0，SOC值不再变化，符合蓄电池放电深度控制要求。7总结与展望本文为小型风力发电系统蓄电池充放电控制器的自主研制进行了相关理论的探索，在研究蓄电池组数学模型的基础上，对蓄电池组的充放电控制策他进行了有益的探索，设计了蓄电池组的分 段恒流充电控制和基于安培小时法的放电深度控制算法，并在 MATLAB/Si mulink平台下对算法进行了仿真研究 。由于风力发电研究涉及到很多学科，再加上条件和时间的限制，本文仅对小型风力发电系统模型的建立及相关控制算法的仿真做了一定的研究，尚有很多值得改进的地方，比如：1）本文对风机和发电机部分模型进行了简化，使得其发出的功率大小无法实现时变；
22、但在自然状况下，风机发出的功率日刻都在变化，有时变化甚至十分剧烈，这对于分段恒流充电算法正确性的验证产生了一定的影响，无法验证控制器在风能发生剧烈变化情况下是否还能实现恒流控制。故风机和发电机模型有待进一步完善。2）所采用的蓄电池模型较为简单，无法真正模拟蓄电池在真实环境下的工作情况，其建模研究还需进一步改进。3）本文为便于观察，将蓄电池的充电和放电过程隔开，但在实际应用中，蓄电池的充电和放电时间没有一定的规律，有时甚至是两者同时进行，因而该算法离真正应用于实际尚有一段距离，这一问题的解决也依赖于蓄电池模型的不断完善。4）小型风力发电机控制器还包括MPPT（最大功率跟踪）控制，本文受篇幅和精力
23、所限，没有对其进行深入研究，这一方面有待完善。参考文献：1侯聪玲，吴捷.太阳能最大功率跟踪技术的研究J.电源世界，（2） : 52- 54, 58, 2008.2任柱，陈渊睿，张淼.独立光伏系统中蓄电池充电控制策略J.控制理论与应用，25 （ 2） :, 361-363 20083凌云.蓄电池在风力发电中的应用 J.内蒙古电力技术，：58- 64, 19854赵强，王生铁.独立运行小型风力发电系统负载跟踪和充放电集成控制J.内蒙古工业大学学报（自然科学版）,26 （ 4） : 281- 285 2007.5严卫洲，潘俊民.基于MPPT的太阳能光伏充电控制器研究J.电工技术，（3） : 85-
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28、ntroller inS mall-Scale Wi ndP ower Generation SystemLi Jun(School of Information Science and Technology, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006)Abstract Int his paper, amodel of the batteries in windp ower systemi s studied, whose simulation model is builtu p andi mproved based ont heM ATLAB/Simu
29、link platform.A ftert het heoretical analysisa nd the comparisono f current battery chargea ndd ischarge contrd algorithms, thet hree-phasec onstant-current battery charge and discharged epthc ontrol strategyi s presenteda nda lgorithmicd esigned.B asedo nc onstructingt he whole model f the wind pow
30、er generat ion system, simul ationi s finaly executedt o verify not only the validity of the simulati on model but also the correctness and effecti ven ess of the control algorithms.Keywords Windp owerg eneration;B atteries;M ATLAB/Simulink;T hree-PhaseC onstant-Current Battery Charge; Discharge DepthC ontrol责任编辑：蔡炳煌】99