具有正脉冲电流邱健蓄电池充电功能的独立光伏储能应用

本文提出了一种立异式独立光伏（PV）储能体系，该体系可为电池驱动的道路车辆充电，并有助于减轻未来电网负担。该使用经过耦合光伏组件锂离子（Li-ion）电池经过电力电子变换器（即Ĉuk变换器）进行连接。首先，经过所提计划的数学建模对体系性能进行全面剖析光伏组件Čuk变换器与锂离子电池。此外，本研讨将先进的正脉冲电流(PPC)电池充电操控算法与广泛使用的爬山法光伏最大功率点盯梢(MPPT)相结合，以在获取最大光伏能量的一起延伸电池寿数。为达到电池寿数延伸的方针，PPC充电周期在半个周期时间内（即静息期）不进行能量传输。能量转化功率从研讨视角来看，比照结果表明选用单一转化器与单一电池运转的PPC收益95.73%，选用“同相”PPC运转的双转化器与双电池组体系功率为94.4%。在这两种运转形式下，光伏组件因为PPC充电周期中存在静息期，仅供给约19 J的一半能量。但是，选用“异相”PPC运转的双转化器与双电池组体系完成了最高功率96.5%，一起获取了39.56 J的全额光伏能量。因而，独立光伏储能体系推荐优先选用“异相”PPC运转形式。最后，本研讨搭建了试验硬件平台，用于测试PPC充电算法电阻性读档并验证所提出的锂离子电池在不同PPC操作中的使用。

引言

在现有可再生能源（RESs）中，光伏发电已逐步成为最具发展前景的挑选之一[1]。但是，因为太阳能具有间歇性特性，基于光伏的独立体系需求装备储能组件，一般经过蓄电池组完成[2]。独立于配电网运转的独立体系可完成自主发电。光伏电力体系建模与模仿的重要性正日益凸显。电力电子变换器的综合开关模型与表征光伏发电机的逾越非线性方程相结合，往往导致模仿进程缓慢且功率低下[3]。此外，文献[4][5]提出了一种参数化的简化光伏电池模型，该模型能保证I-V特性曲线穿过制造商数据手册中标示的典型作业点。不管环境条件怎么变化，最大功率点盯梢（MPPT）功能均可用于优化光伏体系发电功率[6][7][8][9][10]。此外，该电源接口可经过DC-DC转化器进行调整以适应特定负载标准，例如恒压供电[11]。本研讨选用Ĉuk转化器作为DC-DC转化器。Ĉuk转化器可以在宽输入电压范围内高效作业，保证从光伏面板有用提取电能。这一特性在光伏体系中尤为重要，因为太阳光照条件变化会导致太阳能板输入电压大幅动摇。因为Ćuk变换器具有高电压增益特性，其多功能性使其特别适用于需求为不同负载或电池充电供给多变电压等级的光伏体系。该拓扑经过高效操控输出纹波电流，可以发生更为滑润的输出电压，这关于易受强纹波电流负面影响的灵敏负载（如电子设备或特定类型电池）至关重要。因而，这一特性使Ćuk变换器成为应对间歇性或动摇性光照条件光伏体系的抱负挑选[12][13][14]。 （注：依据术语表要求，文中未出现需强制替换的术语；专业术语如"Ćuk converters"保留技能称号"Ćuk变换器"，"PV systems"译为"光伏体系"；参考文献格局与原文方括号标示保持一致；学术风格经过"特性""拓扑""至关重要"等遣词表现）
若充电操控不足可能导致电池长时间处于低荷电状况（SoC），将缩短电池预期寿数。施行正确的充电操控机制可维持较高电池SoC水平，然后延伸电池使用寿数并降低体系总成本[15][16][17][18]。传统充电技能如被动式充电、恒流（CC）充电、恒压（CV）充电以及恒流-恒压（CC-CV）组合充电均曾得到广泛使用[19]。不受调控的充电电流必定包括电流尖峰，这会严峻危害电池寿数。在电池充电使用中，DC-DC转化器的挑选同样至关重要[20]。尽管恒流-恒压（CC-CV）充电可完成快速充电，但继续充电电流引发的过热现象可能危害极板并缩短电池寿数。为此，脉冲充电（PPC）技能应运而生[21]。PPC的零电流充电间歇期使电池内部电子离子得以均匀分布[22][23]。
因为该研讨具有立异性，现有剖析仅针对单变流器体系的PPC充电。本文提出利用PPC充电完成单个光伏阵列一起为两块电池充电的办法。当选用单一光伏阵列对双电池充电时，光伏功率消耗将显著增加。此外，本研讨立异性地提出将Ĉuk变流器作为光伏侧变流器的完好施行计划。该计划凭借其优势特性、宽输入电压范围及更高的转化功率，成为提升光伏体系性能与可靠性的有用挑选。因为现有文献大多集中于单光伏电池体系的研讨，探究双电池脉冲充电优势填补了该范畴的知识空白。
本研讨聚集于经过光伏发电为电动汽车电池充电而不依赖电网这一主题。当时，大多数电动汽车的驱动能量来历于锂离子电池组。锂离子电池的充电进程与电动汽车的里程焦虑高度依赖于充电办法。如前所述，恒流（CC）、恒压（CV）以及恒流-恒压（CC-CV）充电方法会对电池寿数发生危害，而脉冲功率充电（PPC）则更适用于锂离子电池。因而，本研讨的另一项方针是在光伏向电动汽车电池运送最大功率时，选用PPC充电战略。为完成双重方针（脱离电网的光伏充电与PPC充电），本研讨选用单一光伏组件经过两个并联的Ĉuk变换器分别为两组电动汽车电池包进行充电。
本作业的首要奉献如下：(i) 供给了Cuk变换器设计、光伏-Cuk变换器-锂离子电池体系的完好数学模型与模仿剖析。(ii) 提出光伏最大功率点盯梢与恒功率充电操控的混合爬山算法。(iii) 比照了单变换器与双变换器运转形式，特别针对双变换器运转中的两种形式——两变换器一起为两组电池包充电、两变换器替换为两组电池包充电——进行了详细剖析。(iii) 最后，开发了试验室规划的原型硬件设备，并对(ii)中所述的所有运转形式进行了试验剖析。
所提体系是针对未接入电网的孤立读档的优质解决计划。在该体系中，太阳能光伏是唯一的发电来历。因而，必须高效利用光伏电力。为完成准确操控，整个体系均建立了数学模型。为延伸电池寿数，体系选用先进的充电战略。本文其余部分组织如下：第二节阐述独立光伏电池体系的电路设计与操控计划。选用单转化器和单电池PPC充电操控的独立光伏-蓄电池体系的模仿结果如第3节所示。本节还讨论了选用双转化器和双电池PPC充电操控的独立光伏-蓄电池体系。关于双转化器体系，PPC充电操控经过两种办法完成：两转化器同相运转（向两个转化器开关供给的栅极脉冲相同）和异相运转（向两个转化器开关供给的栅极脉冲替换）。第4节经过阻性负载和电池负载对所提模型进行了试验验证。