小型风光互补电源的蓄电池智能充电装置的设计

　　摘要：对蓄电池的智能充电进行控制对小型风光互补电源系统来说至关重要。文章主要对小型风光互补电源的蓄电池智能充电装置进行了分析，并提出了蓄电池的优化充电方式。 

　　关键词：风光互补电源;蓄电池;智能充电;优化充电;恒流充电;恒压充电 

　　在风光互补发电系统中，为了提高发电系统供电的稳定性与连续性，将蓄电池作为储能装备，由于铅酸蓄电池的耐过充电与过放电能力较差，而太阳能与风能的发电随机性较强，稳定性差，在发电系统中难以保证有规律的充电。因此，如果在风光互补电源系统中，对蓄电池的充电控制与保护不当，很可能造成蓄电池损坏，因此对蓄电池的智能充电控制对小型风光互补电源系统来说至关重要。 

　　一、小型风光互补电源的工作原理 

　　小型风光发电互补系统的构成如图1所示，主要由风力发电机组、逆变器、控制器、太阳能光伏方阵、蓄电池等组成。 

　　当风力达到一定数值时，风力发电机组可将风能转化为交流形式电能，但是由于其产生的交流电压不稳定，因此需要通过整流器发生效应，实现蓄电池充电。光伏方阵由若干个太阳电池板串联或并联而成。通过这种作用，将太阳能直接转化为直流形式电能，并实现蓄电池的充电。在系统的蓄电池中，主要发挥存储及调节电能的作用，当日照充足或者风力较大的情况下，会产生电能过程，蓄电池即可将多余电能存储起来;当系统的发电量不足或者用电量过大时，蓄电池则可向负荷补充电能，以此确保电压稳定。因此，应设计专门控制装置，根据日照强弱、风力大小以及负荷量变化等，不断切换并调节蓄电池的工作状态，以确保在充电、放电或者浮充电多种工况下替换运行，可确保光伏、风力和互补发电系统工作的稳定性、连续性等，具有以上功能的装置即为控制器，一般控制器也要具备避免蓄电池过充电或者过放电等功能。 

　　按照要求的不同，有些系统还具备高低压报警与电流电压指示、断开、安时数计量、太阳电池方针功率调节、风力发电机组、自动均衡充电等功能。如果是直流负荷，且蓄电池与工作电压保持一致，就可以直接由控制器输出端使用;如果两者电压不符，就需要增加DC/DC转换功能;如果是交流负荷，则需要使用逆变器将直流电转化为50Hz的交流电，以供负荷使用。有些逆变器自身具有稳压作用，可改善光伏与风力发电系统的供电质量，提高风光互补的发电效率。 

　　二、蓄电池智能充电装置的设计 

　　为了优化蓄电池的使用功能，可采取分只分时均充的蓄电池管理方法，主要思想为：每次检测一只蓄电池的电压，如果需要充电则进行充电，否则断开蓄电池，切换下一只电池，直到整组的蓄电池全部检测完毕，形成一个循环，实现对蓄电池组中每个蓄电池的均匀管理。这种均充方法可确保单个蓄电池以及整个蓄电池组都不会产生过充电或者过放电现象，减少单只电池的损坏率，提高蓄电池组使用效率与使用寿命。蓄电池组的均匀管理控制系统可见，蓄电池组均匀管理控制系统主要由蓄电池组、蓄电池电压检测装置、电池自动切换装置、恒流定压充电装置、可编程逻辑控制器(PLC)构成。 

　　三、蓄电池的智能充电方式 

　　蓄电池的价格低廉、容量大、成本低，因此使用广泛。但是出于其固有特性，如果使用不当则会极大缩短寿命。影响蓄电池充电效率及使用寿命的原因有很多，选择合理的充电方式是重要手段之一。可见，设计智能型蓄电池充电器十分必要。 

　　(一)恒流充电 

　　恒流充电是以电流形式充电。在充电过程中，随着蓄电池的电压变化，不断调整电流以确保恒定不变。这种方法比较适合多个蓄电池的串联形式，对蓄电池组进行充电，可应用于小电流的长时间充电模式。但是这种充电方式，在蓄电池开始充电时的电流比较小，而后期电流又过大，造成整个充电时间延长，尤其在充电后期会析出较多气体，对机板产生冲击，能耗高、充电效率不足65%。 

　　(二)恒压充电 

　　恒压充电主要以恒定电压对蓄电池进行持续充电，因此在充电初期，由于蓄电池的电压比较低、充电电流较大，但是随着电流电压的不断升高，电流也会随之减少。在充电末期，只剩下很小电流通过，就不需要在充电过程中调整电流。与恒流充电方式相比，这种充电方法的时间短、析气量小、能耗低，充电效率可达到80%，如果选择恰当的充电电压，8小时 

　　内即可完成充电。但是这种方式也存在一定不足： 

　　1.在充电前期，如果蓄电池的放电深度过深，电电流会较大，此时难以确保充电控制器的安全，并对蓄电池不利。 

　　2.如果蓄电池的电压过低，在充电后期电流较小，充电时间就会延长，不适用于多个串联的电池组。 

　　3.蓄电池端电压的变化难以补偿，在充电过程中无法保障落后电池的完全充电。这种充电方式，多应用于小型光伏发电系统中，由于充电电源来自太阳能的阵列，其功率不会对蓄电池产生较大电流，并且此系统中的蓄电池组串联不多。 

　　这种方法可有效克服恒流及恒压充电的缺点，以两者结合方式实现充电控制。它要求首先对蓄电池实行恒流充电，当蓄电池的充电达到一定容量时，再采用恒压方式充电，这样就可避免蓄电池在初期产生过大的电流或者在后期产生高电压，减少蓄电池析气。当两阶段的充电完毕，也就是蓄电池容量已达到额定容量状态下，很多充电控制器允许对蓄电池进行小电流的充电，可弥补蓄电池自放电容量，这种通过小电流充电的方式即浮充。这也是在前两阶段基础上的第三阶段，且充电电压低于恒压阶段。考虑到系统中蓄电池的充电电流限制，设计充电控制器可采用PWM技术，实现恒流和恒压两种方式以上的充电。风光互补电源智能系统作为我国边远地区的独立供电系统，需要不间断地提供电力能源，蓄电池在这种系统中，基本以浮充方式完成充电。 

　　在这种工作方式下，蓄电池并非在典型的充放电循环中工作，而是在主充电、限流充电及浮充三个阶段中持续工作。在主充电阶段，对蓄电池实现恒流大电流充电，此时电池电压迅速上升，如果电压升到均匀充电的设计值时，再进入第二阶段进行限流充电。 

　　当电流已经减少到一定数值时，电池已经基本充满，此时即进入第三阶段，通过渭流形式实现浮充电，保持蓄电池的荷电。当蓄电池的电能充足，如果脱离了系统的存储，再加上电池中的化学物质不够纯净，一些杂质与活性物质构成短路式微原电池，循环式地在电池中放电，不断损耗蓄电池的容量，这种现象即自放电。由于蓄电池的自放电现象很难完全控制，因此需要以小电流间断充电，即浮充电，确保电池的容量充足。