光伏發(fā)電技術(shù)73控制器

1、7.3.2 蓄電池 7.3.2.6 蓄電池的性能參數(shù) 主要討論應(yīng)用最多的鉛酸蓄電池 （1）蓄電池的電壓 鉛酸蓄電池每格的標(biāo)稱電壓是2V，實(shí)際電 壓隨充放電情況而有變化。 充電結(jié)束時(shí)電壓有2.5-2.7V，以后緩慢降 低到2.05V左右的穩(wěn)定狀態(tài)。 放電時(shí)，電壓緩慢下降，降到1.7V時(shí)，便 不能再繼續(xù)放電。 （2）蓄電池的容量 定義：出廠時(shí)規(guī)定的該蓄電池在一定的放電電 流和一定的電解液溫度下，單格電池的電壓降 到規(guī)定值時(shí)，所能提供的電量。 單位：安時(shí)（A h）或（ W h） 標(biāo)稱容量取決于蓄電池本身和使用條件。 蓄電池容量和放電率的關(guān)系 同一個(gè)電池放電率不同，給出的容量也不同。 放電率有兩種表示

2、方法 A.小時(shí)率（時(shí)間率）：以一定的電流放完額定 容量所需要的時(shí)間。 Ct=放電電流I*放電時(shí)間t B.電流率(倍率)：放電電流相當(dāng)于電池額定容量的倍 數(shù) 例：容量為100 A h的蓄電池，以100 A h/10h=10A電流放電，10h將全部電量放完，則電流率 為0.1C10. C10表示10h放電率下的電池容量。 若以100A放電,則1h將全部電量放光,電流率為1C10 放電電流越大，蓄電池容量越小，根據(jù)使用條件的不 同，汽車蓄電池多用C20，固定型或摩托車蓄電池用C10 ，牽引型和電動(dòng)車蓄電池用C5，一般光伏可用C20 蓄電池容量與溫度的關(guān)系 溫度高時(shí)，電解液的粘度下降，電阻減小，擴(kuò)散速

3、 度增大，電池的化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，這些都會(huì)使得容量 增大；但是溫度升高時(shí)，蓄電池的自放電會(huì)增加， 電解液的消耗量也會(huì)增大。 蓄電池在低溫下容量迅速下降，通用型蓄電池在溫 度降到5時(shí)，容量會(huì)降到70%左右。低于-15時(shí)容 量將下降到60%，且在-10以下充電反應(yīng)非常緩慢 ，可能造成放電以后難以恢復(fù)。放電后如果不能及 時(shí)充電，在溫度低于-30時(shí)有凍壞的危險(xiǎn)。 （3）蓄電池的使用壽命 在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通常蓄電池是使用壽命最短 的部件。 根據(jù)蓄電池用途和使用方法不相同，對(duì)于壽命的評(píng)價(jià) 方法也不相同。 對(duì)于鉛酸蓄電池，可分為充放電循環(huán)壽命、使用壽命 和恒流過(guò)充電壽命三種評(píng)價(jià)方法。 蓄電池的充放電循環(huán)壽

4、命以充、放電循環(huán)次數(shù)來(lái)衡量 使用壽命以蓄電池的工作年限來(lái)衡量。 使用壽命與蓄電池本身質(zhì)量、工作條件、使用和維 護(hù)情況等因素有很大的關(guān)系。 （4）蓄電池的效率 離網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，蓄電池是儲(chǔ)能裝置。實(shí)際使用的蓄 電池在工作過(guò)程中必定有一定的能量損耗，通常用能 量效率和安時(shí)效率來(lái)表示。 能量效率 蓄電池放電時(shí)輸出的能量與充電時(shí)輸入的能量之比。 影響能量效率的主要因素是蓄電池的內(nèi)阻。 充電效率（庫(kù)倫效率） 蓄電池放電時(shí)輸出的電量和充電時(shí)輸入的電量之比。 影響充電效率的主要因素是蓄電池內(nèi)部的各種負(fù)反應(yīng) ，如自放電。 對(duì)于一般的離網(wǎng)光伏系統(tǒng)，平均充電效率為80%-85% 在冬天可增加到90%-95%。 （5

5、）蓄電池的自放電 蓄電池不使用時(shí)，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，儲(chǔ)電量會(huì) 自動(dòng)減少，這種現(xiàn)象叫做自放電。 （6）蓄電池的放電深度與荷電態(tài) 放電深度（Depth of Discharge，DOD） 用戶在蓄電池的使用過(guò)程中，蓄電池放出的安時(shí)數(shù) 占其標(biāo)稱容量安時(shí)數(shù)的百分比。 深度放電會(huì)造成蓄電池內(nèi)部極板表面硫酸鹽化，導(dǎo) 致蓄電池的內(nèi)阻增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使個(gè)別電池出現(xiàn)“ 反極”現(xiàn)象和永久性損壞。因此，過(guò)大的放電深度 會(huì)嚴(yán)重影響電池的使用壽命。 一般情況下，光伏系統(tǒng)中，蓄電池的放電深度為 30%-80%。 荷電態(tài)（State of Charge，SOC） 衡量蓄電池充電程度的一個(gè)重要參量。 一般把一定溫度下，蓄電池

6、充電到不能再吸收能 量的狀態(tài)定義為荷電態(tài)，即SOC=100% 而將蓄電池再不能放出能量的狀態(tài)定義為荷電態(tài) SOC=0%。 一般鉛酸蓄電池SOC的定義為SOC=Cr/Ct*100% Cr和Ct分別表示某個(gè)時(shí)刻的蓄電池剩余電量和總 容量。 荷電態(tài)與放電深度的關(guān)系 SOC=1-DOD 隨著蓄電池的放電，其荷電態(tài)要逐漸減少，相應(yīng) 的電解液的相對(duì)密度和開(kāi)路電壓也會(huì)變小，電解 液的冰點(diǎn)要提高。 總之，蓄電池在離網(wǎng)光伏系統(tǒng)中是十分重要的組 成部分，也是整個(gè)系統(tǒng)中使用壽命最短的部件， 因此必須合理配備蓄電池的類型和規(guī)格，選擇合 適的型號(hào)，具有足夠的容量，精心安裝和管理維 護(hù)，才能保證離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行

7、。 光伏系統(tǒng)中的控制器是對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行管理 和控制的設(shè)備，在不同類型的光伏系統(tǒng)中， 控制器不盡相同，其功能多少及復(fù)雜程度差 別很大。 控制器的組成：電子元器件、儀表、繼電器 （是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自 動(dòng)開(kāi)關(guān)”。在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保 護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用）、開(kāi)關(guān)等 控制器的基本作用：為蓄電池提供最佳的充 電電流和電壓，并在充電過(guò)程中減少損耗， 同時(shí)保護(hù)蓄電池，需要時(shí)還有穩(wěn)壓功能。 7.4.1 控制器的類型 1.光伏控制器的基本電路 電路組成：太陽(yáng)電池組件、控制電路及控制開(kāi)關(guān)、 蓄電池和負(fù)載。開(kāi)關(guān)1充電控制開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)2放電控 制開(kāi)關(guān)。 開(kāi)關(guān)1閉合，太陽(yáng)電池組件通過(guò)控制器給蓄電池

8、充電 ；當(dāng)蓄電池出現(xiàn)過(guò)充電時(shí)，開(kāi)關(guān)1能及時(shí)切斷充電回 路，使光伏組件停止向蓄電池供電；開(kāi)關(guān)1還能按預(yù) 先設(shè)定的保護(hù)模式自動(dòng)恢復(fù)對(duì)蓄電池的充電。 開(kāi)關(guān)2閉合時(shí)，由蓄電池給負(fù)載供電；當(dāng)蓄電 池出現(xiàn)過(guò)放電時(shí)，開(kāi)關(guān)2能及時(shí)切斷放電回路 ，蓄電池停止向負(fù)載供電，當(dāng)蓄電池再次充電 并達(dá)到預(yù)先設(shè)定的恢復(fù)充電點(diǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)2又能 自動(dòng)恢復(fù)供電。 開(kāi)關(guān)1和開(kāi)關(guān)2可以由各種開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成，如各 種晶體管、可控硅、固態(tài)繼電器、功率開(kāi)關(guān)器 件等。 光伏充電控制器主要分為五種類型 并聯(lián)型控制器，串聯(lián)型控制器、脈寬調(diào)制性控 制器、多路控制器、智能型控制器、最大功率 跟蹤型控制等 2.并聯(lián)型控制器 也叫旁路型控制器，它是利用并聯(lián)

9、在太陽(yáng)電池兩端 的機(jī)械或電子開(kāi)關(guān)器件控制充電過(guò)程。當(dāng)蓄電池充 滿電時(shí)，把太陽(yáng)電池的輸出電流分流到旁路電阻器 或功率模塊上去，然后以熱的形式消耗掉（泄荷） ；當(dāng)蓄電池電壓回落到一定值時(shí)，再斷開(kāi)旁路恢復(fù) 充電，由于這種方式消耗熱能，所以一般用于小型 、小功率系統(tǒng)。 并聯(lián)型控制器的電路原理如圖所示，VD1是防反充電二 極管，VD2是防反接二極管，T1和T2都是開(kāi)關(guān)；T1是控 制器充電回路中的開(kāi)關(guān)，T2為蓄電池放電開(kāi)關(guān)；Bx是 保險(xiǎn)絲；R為泄荷電阻；檢測(cè)控制電路監(jiān)控蓄電池的端 電壓。 工作過(guò)程：充電回路的開(kāi)關(guān)器件T1并聯(lián)在太陽(yáng)電池或 太陽(yáng)電池組件的輸出端，當(dāng)充電電壓超過(guò)蓄電池設(shè)定 的充滿斷開(kāi)電壓值時(shí)，

10、開(kāi)關(guān)器件T1導(dǎo)通，同時(shí)防反充 二極管VD1截止，使太陽(yáng)電池的輸出電流直接通過(guò)T1旁 路泄放，不再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，從而保證蓄電池不 被過(guò)充電，起到防止蓄電池過(guò)充電的保護(hù)作用。 開(kāi)關(guān)器件T2為蓄電池放電控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)蓄電池的供電 電壓低于蓄電池的過(guò)放電保護(hù)電壓值時(shí)，T2關(guān)斷，對(duì) 徐放電池進(jìn)行過(guò)放電保護(hù)。當(dāng)負(fù)載因過(guò)載或短路使電 流大于額定工作電流時(shí)，控制開(kāi)關(guān)T2也會(huì)關(guān)斷，起到 輸出過(guò)載或電路保護(hù)作用。 檢測(cè)控制電路 隨時(shí)對(duì)蓄電池的電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電壓大于充滿保護(hù) 電壓時(shí)，T1導(dǎo)通，電路實(shí)行過(guò)充電保護(hù)；當(dāng)電壓小于 過(guò)放電電壓時(shí)，T2關(guān)斷，電路實(shí)行過(guò)放電保護(hù)。 VD2為蓄電池接反保護(hù)二極管，當(dāng)蓄電池極性

11、接反時(shí) ，VD2導(dǎo)通，蓄電池將通過(guò)VD2短路放電，短路電流將 保險(xiǎn)絲熔斷，電路起到防蓄電池接反保護(hù)作用。 開(kāi)關(guān)器件T1、T2，VD1，VD2及保險(xiǎn)絲Bx等和檢測(cè)控制 電路共同組成控制器。該電路具有線路簡(jiǎn)單、價(jià)格便 宜、充電回路損耗小、控制器效率高的特點(diǎn)，當(dāng)防過(guò) 充電保護(hù)電路工作時(shí)，開(kāi)關(guān)器件要承受太陽(yáng)電池組件 或方陣輸出的最大電流，所以要選用功率較大的開(kāi)關(guān) 器件。 3.串聯(lián)型控制器 串聯(lián)控制器是利用串聯(lián)在充電回路中的機(jī)械 或電子開(kāi)關(guān)器件控制充電過(guò)程。當(dāng)蓄電池充 滿電時(shí)，開(kāi)關(guān)器件斷開(kāi)充電回路，停止為蓄 電池供電；當(dāng)蓄電池電壓回落到一定值時(shí)， 充電電路再次接通，繼續(xù)為蓄電池充電。串 聯(lián)在回路中的開(kāi)關(guān)

12、器件還可以在夜間切斷光 伏電池供電，取代防反充二極管。串聯(lián)型控 制器同樣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等特點(diǎn)， 但由于控制開(kāi)關(guān)是串聯(lián)在充電回路中，電路 的電壓損失較大，使充電效率有所降低。一 般用于較高功率系統(tǒng)。 串聯(lián)型控制器的電路原理如圖所示，它的電路結(jié)構(gòu)與 并聯(lián)型控制器結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別僅是將開(kāi)關(guān)器件T1由并 聯(lián)在太陽(yáng)電池輸出端改為串聯(lián)在蓄電池充電回路中。 控制器檢測(cè)電路監(jiān)控蓄電池的端電壓，當(dāng)充電電壓超 過(guò)蓄電池設(shè)定的充滿斷開(kāi)電壓值時(shí)，T1關(guān)斷，使太陽(yáng) 電池不再對(duì)蓄電池充電，起到防止蓄電池過(guò)充電的保 護(hù)作用。其他元件的作用和并聯(lián)控制器相同。 串、并聯(lián)控制器的檢測(cè)控制電路實(shí)際上就是蓄電 池過(guò)、欠電壓的檢

13、測(cè)控制電路，主要是對(duì)蓄電池 的電壓隨時(shí)進(jìn)行取樣檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果向過(guò) 充電、過(guò)放電開(kāi)關(guān)器件發(fā)出接通或關(guān)斷的控制信 號(hào)。檢測(cè)電路原理如圖所示。 該電路包括過(guò)電壓檢測(cè)控制和欠電壓檢測(cè)控制兩部 分電路，由帶回差控制的運(yùn)算放大器組成。其中IC1 為過(guò)電壓檢測(cè)控制電路，IC1的同相輸入端輸入基準(zhǔn) 電壓，反相接入端接被測(cè)蓄電池，當(dāng)蓄電池電壓大 于過(guò)充電電壓值時(shí)，IC1輸出端G1輸出為低電平，使 開(kāi)關(guān)器件T1接通（并聯(lián)型控制器）或關(guān)斷（串聯(lián)型 控制器），起到過(guò)電壓保護(hù)功的作用。 當(dāng)蓄電池電壓下降到小于過(guò)充電電壓值時(shí)，IC1的反 相輸入電位低于同相輸入電位，則其輸出端G1又從 低電平變?yōu)楦唠娖剑铍姵鼗謴?fù)正

14、常充電狀態(tài)。過(guò) 充電保護(hù)和恢復(fù)的門限基準(zhǔn)電壓由Rp1和R1配合調(diào)整 確定。IC2等構(gòu)成欠電壓檢測(cè)控制電路，其工作原理 與過(guò)電壓檢測(cè)控制電路相同。 4.脈寬調(diào)制型控制器 脈寬調(diào)制（Pulsewidth Modulation,PWM） 型控制器原理如圖所示，該控制器以脈沖方式 開(kāi)關(guān)光伏組件的輸入。 當(dāng)蓄電池逐漸趨向充滿時(shí)，隨著其端電壓的逐 漸升高，PWM電路輸出脈沖的頻率和時(shí)間都發(fā)生 變化，使開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)、間隔縮短 ，充電電流逐漸趨近于零。 當(dāng)蓄電池電壓由充滿點(diǎn)向下降時(shí)，充電電流又 會(huì)逐漸增大。與前兩種控制器電路比，脈寬調(diào) 制充電控制方式雖然沒(méi)有固定的過(guò)充電電壓斷 開(kāi)點(diǎn)和恢復(fù)點(diǎn)，但是電路

15、會(huì)控制當(dāng)蓄電池端電 壓達(dá)到過(guò)充電控制點(diǎn)附近，其充電電流要趨近 于零。這種充電過(guò)程能形成較完整的充電狀態(tài) ，其平均充電電流的瞬時(shí)變化更符合蓄電池當(dāng) 前的充電狀態(tài)，能夠增加光伏系統(tǒng)的充電效率 并延長(zhǎng)蓄電池的總循環(huán)壽命。 另外，脈沖調(diào)制型控制器還可以實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的 最大功率跟蹤功能，因此可作為大功率控制器用 于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)中。 脈寬調(diào)制型控制器的缺點(diǎn)：控制器的自身工作有 4%-8%的功率損耗。 5.多路控制器 多路控制器一般用于千瓦級(jí)以上的大功率光伏 發(fā)電系統(tǒng)，將太陽(yáng)電池方陣分成多個(gè)支路接入 控制器。 當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，控制器將太陽(yáng)電池方陣各支 路逐路斷開(kāi)；當(dāng)蓄電池電壓回落到一定值時(shí)， 控制器再將

16、太陽(yáng)電池方陣逐路接通，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄 電池組充電電壓和充電電流的調(diào)節(jié)。這種控制 方式屬于增量控制法，可以近似達(dá)到脈沖調(diào)制 控制器的效果，路數(shù)越多，增幅越小，越接近 線性調(diào)節(jié)。但路數(shù)越多，成本也越高，因此確 定太陽(yáng)電池方陣路數(shù)時(shí)，要綜合考慮控制效果 和控制器的成本。 工作原理 當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)，控制電路將控制機(jī)械或電子 開(kāi)關(guān)從T1-Tn順序斷開(kāi)太陽(yáng)電池方陣各支路Z1-Zn 。當(dāng)?shù)谝宦穁1斷開(kāi)后，如果蓄電池電壓已經(jīng)低于 設(shè)定值，則控制電路等待；直到蓄電池電壓再次 上升到設(shè)定值后，再斷開(kāi)第二路Z2，再等待；如 果蓄電池電壓不再上升到設(shè)定值，則其他支路保 持接通充電狀態(tài)。 當(dāng)蓄電池電壓低于恢復(fù)點(diǎn)電壓時(shí)，被斷

17、開(kāi)的太陽(yáng) 電池方陣支路依次順序接通，直到天黑之前全部 接通。VD1-VDn是各個(gè)支路的防反充二極管，A1和 A2分別是充電電流表和放電電流表。 6.智能型控制器 采用CPU和MCU等微處理器對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn) 行參數(shù)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)采集，并按照一定的控制規(guī)律由 單片機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)的程序?qū)温坊蚨嗦饭夥M件進(jìn)行切斷 與接通的智能控制。中、大功率的智能控制器還可以 通過(guò)單片機(jī)的RS232/485接口通過(guò)計(jì)算機(jī)控制和傳輸 數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信和控制。 TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR）或稱瞬變 電壓抑制二極管 智能控制器除了具有過(guò)充電、過(guò)放電、短路、過(guò)載 、防反接等保護(hù)

18、功能外，還利用蓄電池放電率高， 準(zhǔn)確地進(jìn)行放電控制，智能控制器還具有高精度的 溫度補(bǔ)償功能。 7.最大功率跟蹤型控制器 太陽(yáng)電池方陣的最大功率點(diǎn)會(huì)隨著太陽(yáng)輻照度和溫 度的變化而變化，而太陽(yáng)電池方陣的工作點(diǎn)也會(huì)隨 著負(fù)載電壓的變化而變化，如果不采取任何措施， 而是直接將方陣與負(fù)載連接，則很難保證太陽(yáng)電池 方陣工作在最大功率點(diǎn)附近，太陽(yáng)電池方陣也不可 能發(fā)揮其應(yīng)有的功率輸出。 將太陽(yáng)電池的電壓和電流檢測(cè)后相乘得到功率 ，然后判斷太陽(yáng)電池此時(shí)的輸出功率是否達(dá)到 最大，若不在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，則調(diào)整脈寬， 調(diào)制輸出占空比，改變充電電流，再次進(jìn)行實(shí) 時(shí)采樣，并做出是否改變占空比的判斷。通過(guò) 直流變換電路和

19、尋優(yōu)跟蹤控制程序，無(wú)論太陽(yáng) 輻照度、溫度和負(fù)載特性如何變化，可以保證 太陽(yáng)電池方陣始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，以充分 利用其輸出的能量，這種方法被稱為“最大功 率點(diǎn)跟蹤”，即MPPT（Maximum Power Point Tracking）。同時(shí)，采用PWM調(diào)制方式，使充電 電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的極化，提 高充電效率。 7.4.2 控制器的主要功能 1.蓄電池充、放電管理 控制器應(yīng)具有輸入充滿斷開(kāi)和恢復(fù)連接功能，標(biāo)準(zhǔn) 設(shè)計(jì)的蓄電池電壓為12V，充滿斷開(kāi)和恢復(fù)連接的參 考值： 充滿斷開(kāi) 恢 復(fù)連接 啟動(dòng)型鉛酸電池 15.0-15.2V 13.7V 固定型鉛酸電池 14.8-15.0V 13

20、.7V 密封型鉛酸電池 14.1-14.5V 13.2V 應(yīng)具有欠電斷開(kāi)和恢復(fù)功能 當(dāng)單體蓄電池電壓降到過(guò)放點(diǎn)（1.800.05）V時(shí)， 控制器應(yīng)能自動(dòng)切斷負(fù)載；當(dāng)電壓回升到充電恢復(fù) 點(diǎn)2.2-2.25V時(shí)，控制器應(yīng)能自動(dòng)或手動(dòng)恢復(fù)對(duì)負(fù)載 的供電。 考慮到環(huán)境及電池的工作溫度特性，控制器應(yīng)具有溫 度補(bǔ)償功能。溫度補(bǔ)償功能主要是在不同的工作環(huán)境 溫度下，能夠?qū)π铍姵卦O(shè)置更為合理的充電電壓，防 止過(guò)充電或欠充電狀態(tài)而造成電池充放電的容量過(guò)早 下降甚至報(bào)廢。溫度補(bǔ)償值一般為-（2-4）Mv/。 2.設(shè)備保護(hù) 負(fù)載短路保護(hù)。能夠承受任何負(fù)載短路的電路保護(hù) 內(nèi)部短路保護(hù)。能夠承受充電控制器、逆變器和其

21、他設(shè)備內(nèi)部短路的電路保護(hù) 反向放電保護(hù)。 能夠防止蓄電池通過(guò)太陽(yáng)電池組件 反向放電的保護(hù) 極性反接保護(hù)。能夠承受負(fù)載、太陽(yáng)電池組件或蓄 電池極性反接的電路保護(hù) 雷電保護(hù)。能夠承受在多雷區(qū)由于雷擊而引起擊穿 的電路保護(hù)。 3.光伏系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示 控制器應(yīng)能顯示光伏系統(tǒng)的工作情況。 對(duì)于小型光伏系統(tǒng)的控制器，蓄電池的荷電狀態(tài) ，可由發(fā)光二極管的顏色判斷，綠色表示蓄電池 電能充足，可以正常工作；黃色表示蓄電池電能 不足；紅色表示蓄電池電能嚴(yán)重不足，必須充電 后才能工作，否則會(huì)損壞蓄電池，這時(shí)，控制器 到負(fù)載的輸出端已自動(dòng)斷開(kāi)。 對(duì)于大、中型光伏系統(tǒng)，應(yīng)由儀表或數(shù)字顯示系 統(tǒng)的基本技術(shù)參數(shù)，如電壓、

22、電流、功率、安時(shí) 數(shù)等。 4.光伏系統(tǒng)數(shù)據(jù)及信息存儲(chǔ) 特別是對(duì)于大型光伏系統(tǒng)，應(yīng)該配備數(shù)據(jù)及信息存 儲(chǔ)設(shè)備，必要時(shí)進(jìn)行分析和除理，用以判斷或評(píng)價(jià) 系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以便改進(jìn)。 5.光伏系統(tǒng)故障處理及報(bào)警 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能夠自動(dòng)采取保護(hù)措施，或 使用聲、光等報(bào)警手段，以便操作人員及時(shí)處理， 避免系統(tǒng)遭到損壞。 6.光伏系統(tǒng)遙測(cè)、遙控、遙信等 對(duì)于大型光伏系統(tǒng)，必要時(shí)可配備遙測(cè)、遙控、遙 信等裝置。 控制器的功能并不是越多越好，否則不但提高了投 資費(fèi)用，還增加了系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能性，所以要 根據(jù)實(shí)際情況合理配備必要的功能。 7.4.3 控制器的主要技術(shù)指標(biāo) 為了控制器能夠更加有效的工作，對(duì)其本

23、 身的性能也有一定要求。 1.靜態(tài)電流 應(yīng)盡可能降低控制器的空載損耗，以提高光 伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率?？刂破鞯溺R頭電流應(yīng)盡量低， 規(guī)定最大自身耗電不應(yīng)超過(guò)其額定充電電流的1% 2.回路壓降 控制器充電和放電回路的電壓降不應(yīng)超過(guò)系統(tǒng)額定電 壓的5%。 3.耐振動(dòng)性 在10-55Hz環(huán)境下，以振幅0.35mm在三個(gè)軸向各振動(dòng) 30min后，設(shè)備應(yīng)仍能正常工作。 4.耐沖擊電壓 當(dāng)蓄電池從電路中移去后，控制器在7h內(nèi)必須能 承受高于太陽(yáng)電池組件標(biāo)稱開(kāi)路電壓1.25倍的沖 擊。 5.耐沖擊電流 控制器必須能承受1h高于太陽(yáng)電池組件標(biāo)稱短路 電流1.25的沖擊。開(kāi)關(guān)型控制器的開(kāi)關(guān)元器件必 須能夠切換此電流而

24、自身沒(méi)有損壞。 控制器一般有三對(duì)接線柱，分別與太陽(yáng)電池方陣 、蓄電池和直接負(fù)載或逆變器相連。連接時(shí)要注 意控制器的三個(gè)正極分別與太陽(yáng)電池方陣、蓄電 池和直流負(fù)載的正極相連，負(fù)極與相應(yīng)部件的負(fù) 極相連，極性不能接反。 6.系統(tǒng)電壓 即額定工作電壓，指光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流工作電壓 ，電壓一般為12V和24V，中、大功率控制器也有48V 、110V、220V等。 7.最大充電電流 太陽(yáng)電池組件或方陣輸出的最大電流，根據(jù)功率大 小分為 5A,6A,8A,10A,12A,15A,20A,30A,40A,50A,70A,100A ,150A,200A,250A 8.太陽(yáng)電池方陣輸入路數(shù) 小功率光伏控制器一般

25、都是單路輸入，而大功率光 伏控制器都是太陽(yáng)電池方陣多路輸入，一般大功率 光伏控制器可輸入6路，最多的可接入12路，18路。 9.蓄電池充電浮充電壓 一般為13.7V(12V系統(tǒng))， 27.4V(24V系統(tǒng))和 54.8V(48V系統(tǒng)) 7.4.3 光伏控制器的主要性能特點(diǎn) 1.小功率光伏控制器 目前大部分小功率控制器都采用低功耗、長(zhǎng)壽命 的MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管等電子開(kāi)關(guān)元件作為控制器的主 要開(kāi)關(guān)器件。 運(yùn)用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制技術(shù)對(duì)蓄電池進(jìn)行 快速充電和浮充充電，使太陽(yáng)能發(fā)電能量得以充分 利用。 具有單路、雙路負(fù)載輸出和多種工作模式。其主 要工作模式有：普通開(kāi)/關(guān)工作模式、光控開(kāi)/關(guān)工

26、作模式、光控開(kāi)/時(shí)控關(guān)工作模式。 具有多種保護(hù)功能，包括蓄電池和太陽(yáng)電 池接反、蓄電池開(kāi)路、蓄電池過(guò)充電和過(guò)放 電、負(fù)載過(guò)壓、夜間防反充電、控制器溫度 過(guò)高等多種保護(hù)。 用LED指示燈對(duì)工作狀態(tài)、充電狀況、蓄電 池電量等進(jìn)行顯示。 具有溫度補(bǔ)償功能 。其作用是在不同的工作環(huán)境溫度下，能夠?qū)?蓄電池設(shè)置更為合理地充電電壓，防止過(guò)充 電和欠充電狀態(tài)而造成的電池充放電容量過(guò) 早下降甚至過(guò)早報(bào)廢。 （2）中功率光伏控制器 一般把額定負(fù)載電流大于15A的控制器稱為中功 率控制器。 采用LCD液晶屏顯示工作狀態(tài)和充放電等各種 重要信息：如電池電壓、充電電流和放電電流、 工作模式、系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)等。 具

27、有自動(dòng)/手動(dòng)/夜間功能：可編制程序設(shè)定負(fù) 載的控制方式為自動(dòng)或手動(dòng)方式。手動(dòng)方式時(shí)， 負(fù)載可手動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉。當(dāng)選擇夜間功能時(shí)，控 制器在白天關(guān)閉負(fù)載，檢測(cè)到夜晚時(shí)，延遲一段 時(shí)間后自動(dòng)開(kāi)啟負(fù)載，定時(shí)時(shí)間到，又自動(dòng)關(guān)閉 負(fù)載，延時(shí)時(shí)間和定時(shí)時(shí)間可編程設(shè)定。 具有蓄電池過(guò)充電、過(guò)放電、輸出過(guò)載、過(guò)壓 、溫度過(guò)高等多種保護(hù)功能。 具有浮充電壓的溫度補(bǔ)償功能。 具有快速充電功能：當(dāng)電池電壓低于一定值時(shí) ，快速充電功能自動(dòng)開(kāi)始，控制器將提高電池的 充電電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到理想值時(shí)，開(kāi)始快速 充電倒計(jì)時(shí)程序，定時(shí)時(shí)間到后，退出快速充電 狀態(tài)，已達(dá)到充分利用太陽(yáng)能的目的。 中功率光伏控制器同樣具有普通充/放

28、電工作 模式、光控開(kāi)/關(guān)工作模式、光控開(kāi)/時(shí)控關(guān)工作 模式等。 （3）大功率光伏控制器 采用微電腦芯片控制系統(tǒng)，具有以下性能特點(diǎn)： 采用LCD液晶點(diǎn)陣模塊顯示，可根據(jù)不同的場(chǎng) 合通過(guò)編程任意設(shè)定、調(diào)整充放電參數(shù)及溫度補(bǔ) 償系數(shù)，具有中文操作菜單，方便用戶調(diào)整。 可適應(yīng)不同場(chǎng)合的特殊要求，可避免各路充電 開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)引起的振蕩。 可通過(guò)LED指示燈顯示各路光伏充電狀態(tài)和負(fù) 載通斷狀況。 有1-18路太陽(yáng)電池輸入控制電路，控制電路與 主電路完全隔離，具有較高的抗干擾能力。 具有電量累計(jì)功能，可實(shí)時(shí)顯示蓄電池電壓、 負(fù)載電流、充電電流、光伏電流、蓄電池溫度、 累計(jì)光伏發(fā)電量、累積負(fù)載用電量。

29、 具有歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示功能，如過(guò)充電次數(shù)、 過(guò)放電次數(shù)、過(guò)載次數(shù)、短路次數(shù)等。 用戶可分別設(shè)置蓄電池過(guò)充電保護(hù)和過(guò)放電保 護(hù)時(shí)負(fù)載的通斷狀態(tài) 各路充電電壓檢測(cè)具有”回差”控制功能,可 防止開(kāi)關(guān)器件進(jìn)入振蕩狀態(tài). 具有蓄電池過(guò)充電過(guò)放電輸出過(guò)載短路浪 涌太陽(yáng)電池接反或短路蓄電池接反夜間防反 充等一系列報(bào)警和保護(hù)功能. 可根據(jù)系統(tǒng)要求提高發(fā)電機(jī)或備用電源啟動(dòng)電 路所需要的無(wú)源干節(jié)點(diǎn). 配有RS232/485接口，便于遠(yuǎn)程遙信、遙控； 參數(shù)設(shè)置具有密碼保護(hù)具有雷電保護(hù)，工作模式 可分為普通和一點(diǎn)式充放電模式選擇設(shè)定。 7.4.4 光伏控制的配置選型 要根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)并參考生產(chǎn)廠家提 供的

30、產(chǎn)品樣本手冊(cè)來(lái)確定。一般考慮下列幾項(xiàng)技術(shù) 指標(biāo)。 1.系統(tǒng)工作電壓 指太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池或蓄電池組的工作電壓 ，這個(gè)電壓要根據(jù)直流負(fù)載的工作電壓或交流逆變 器的配置選型確定，一般有 12V,24V,48V,110V,220V等 2.額定輸入電流和輸入路數(shù) 控制器的額定輸入電流取決于太陽(yáng)電池組件或方陣 的輸出電流，選型時(shí)控制器的額定輸入電流應(yīng)等于 或大于太陽(yáng)電池的輸出電流。 控制器的輸入路數(shù)要等于或大于太陽(yáng)電池方陣的 設(shè)計(jì)輸入路數(shù)。 大功率控制器通常采用多路輸入 每路輸入的最大電流=額定輸入電流/輸入路數(shù)， 因此，各路電池方陣的輸出電流應(yīng)小于或等于控 制器的每路允許輸入的最大電流值。 3.控

31、制器的額定負(fù)載電流 也就是控制器輸出到直流負(fù)載或逆變器的直流輸 出電流，該數(shù)據(jù)要滿足負(fù)載或逆變器的輸入要求 。 除了上述主要技術(shù)數(shù)據(jù)要滿足設(shè)計(jì)要求以外，使 用環(huán)境溫度、海拔高度、防護(hù)等級(jí)和外形尺寸等 參數(shù)以及生產(chǎn)廠家和品牌也是控制器配置選型時(shí) 需要考慮的因素。 1.太陽(yáng)電池陣列的輸出功率特性P-U曲線 曲線以最大功率點(diǎn)為界，分為左右兩側(cè)。當(dāng)太陽(yáng)電 池工作在最大功率點(diǎn)電壓右邊的D點(diǎn)時(shí)，因離最大 功率點(diǎn)較遠(yuǎn)，可以將電壓值減小，即功率增加；當(dāng) 工作在最大功率點(diǎn)電壓左邊時(shí)，若電壓值小，為了 獲得最大功率，可以將電壓值調(diào)大。 2.太陽(yáng)電池組件光電流與輻照度 太陽(yáng)電池組件的光電流與輻照度成正比，在100-

32、 1000W/m2范圍內(nèi)，光電流始終隨輻照度的增加而線性 增長(zhǎng)；而輻照度對(duì)光電壓的影響很小，在溫度固定的 條件下，當(dāng)輻照度在400-1000W/m2范圍內(nèi)變化，太陽(yáng) 電池組件的開(kāi)路電壓基本保持恒定。正因?yàn)槿绱?，?陽(yáng)電池組件的功率與輻照度也基本成正比。 3.CVT方法 由上圖可知，太陽(yáng)電池組件的最大功率點(diǎn)隨太陽(yáng)輻 照度的變化呈現(xiàn)一條垂直線，即保持在同一電壓水 平上，因此，提出可以采用恒壓控制（Constant Voltage Tracking，CVT），這種方法只需要保證太 陽(yáng)電池方陣的恒壓輸出即可，大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng) 。由于太陽(yáng)電池方陣工作在陽(yáng)光下，太陽(yáng)輻照度的 變化遠(yuǎn)大于其結(jié)溫（是處于電子

33、設(shè)備中實(shí)際半導(dǎo)體 芯片的最高溫度）的變化，采用CVT代替MPPT在大多 數(shù)情況下是適用的。 對(duì)于環(huán)境溫度變化較大的場(chǎng)合，CVT控制就很難保證 太陽(yáng)電池方陣工作在最大功率點(diǎn)附近。 圖中給出了不同溫度下太陽(yáng)電池組件最大功率點(diǎn) 的變化。可以看出，隨著太陽(yáng)電池組件結(jié)溫的變 化，最大功率點(diǎn)電壓變化較大，如果仍然采用 CVT代替MPPT，則會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。 為了簡(jiǎn)化控制方案，又能兼顧溫度對(duì)太陽(yáng)電池組 件電壓的影響，可以采用改進(jìn)CVT方法，即仍采 用恒壓控制，但增加溫度補(bǔ)償。在恒壓控制的同 時(shí)監(jiān)視太陽(yáng)電池組件的結(jié)溫，對(duì)于不同的結(jié)溫， 調(diào)整到相應(yīng)的恒壓控制點(diǎn)即可。 MPPT控制器始終要求跟蹤太陽(yáng)電池方陣的最

34、大功 率點(diǎn)，需要控制電路同時(shí)采樣太陽(yáng)電池方陣的電 壓和電流，并通過(guò)乘法器計(jì)算太陽(yáng)電池方陣的功 率，然后通過(guò)尋優(yōu)和調(diào)整，使太陽(yáng)電池方陣工作 在最大功率點(diǎn)附近。MPPT的尋優(yōu)方法很多，如擾 動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、間歇掃描法、模糊控制 法等。 太陽(yáng)電池作為一種直流電源，在正常工作情況下 ，光伏電池運(yùn)行受外界環(huán)境溫度、光強(qiáng)等因素影 響，呈現(xiàn)出典型的非線性特征，完全不同于常規(guī) 的直流電源。因此對(duì)于不同類型的負(fù)載，它的匹 配特性也完全不同，負(fù)載的類型有電壓接受型負(fù) 載（如蓄電池）、電流接受型負(fù)載（如直流電機(jī) ）和純阻性負(fù)載。一般來(lái)說(shuō)，理論上很難得出非 常精確的光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型，因此通過(guò)數(shù)學(xué)模型 的實(shí)時(shí)計(jì)算

35、來(lái)對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行精確的MPPT控制是 困難的。 理論上，根據(jù)電路原理：當(dāng)光伏電池的輸出阻抗 和負(fù)載阻抗相等時(shí)，光伏電池的輸出功率最大， 可見(jiàn)，光伏電池的MPPT過(guò)程實(shí)際上就是基于光伏 電池輸出阻抗和負(fù)載阻抗等值相匹配的過(guò)程。 最典型的電壓接受型負(fù)載是蓄電池，它是與太陽(yáng)電 池方陣直接匹配最好的負(fù)載類型。太陽(yáng)電池電壓隨 溫度的變化大約只有0.4%/（電壓隨輻照度的變 化更小），基本可以滿足蓄電池的充電需要。 蓄電池充滿電壓到放電終止電壓的變化大約從 +25%-10%，如果直接連接，失配損失大約平均為 20%。采用MPPT控制，可以使這樣的匹配損失減少 到5%。 實(shí)現(xiàn)CVT和MPPT的電路通常采用斬

36、波器來(lái)完成直流/ 直流變換。斬波器電路分為降壓型變換器（BUCK電 路）和升壓型變換器（BOOST電路） 直流斬波器又稱為截波器，它是將電壓值固定的直 流電，轉(zhuǎn)換為電壓值可變的直流電源裝置，是一種 直流對(duì)直流的轉(zhuǎn)換器，已被廣泛使用。 BUCK電路 降壓斬波電路實(shí)際上是一種電流提升電路，主要用 于驅(qū)動(dòng)電流接受型負(fù)載。直流變換是通過(guò)電感來(lái)實(shí) 現(xiàn)的。 使開(kāi)關(guān)K保持振蕩，振蕩周期T=Ton+Toff，當(dāng)K接通 時(shí) 假設(shè)Ton足夠小，Ui和U0保持恒定，于是 在開(kāi)關(guān)K接通期間，電感儲(chǔ)存能量 K斷開(kāi)時(shí)，電感通過(guò)二極管VD將能量釋放到負(fù)載， 0i di UUL dt 0 ()(0) i LonLon UU

37、i TiT L 2 1 () 2 Lon Li T 0=- L di UL dt 假設(shè)Toff時(shí)間足夠短，Uo保持恒定，于是 穩(wěn)態(tài)條件 ，于是 得到 因?yàn)榱鬟^(guò)電感的電流不可能是負(fù)的，連續(xù)傳導(dǎo)條 件為 ，于是 得到 0 off (+)() LonLonoff U i TTi TT L off (+)= (0) LonL i TTi 0 0 （-） onoff i TU T UU LL 0 i on onoff U T U TT 0i UU (0)0 L i () o off Lon U T i T L 0 () Lon off Li T T U 對(duì)于給定的振蕩周期，適當(dāng)調(diào)整Ton就可以調(diào)整 變換

38、器的輸入電壓Ui等于太陽(yáng)電池方陣的最大功 率點(diǎn)電壓。BUCK電流的平均負(fù)載電流IL為 BUCK電路中，兩只電容器的作用是減少電壓波動(dòng) ，從而使得輸出電流得到提升并盡可能平滑。 0 0 1 () 2 T off LLLon U T ii dti T TL BOOST電路 BOOST升壓斬波電路主要用于太陽(yáng)電池方陣對(duì)蓄 電池充電的電路中。直流變換也是通過(guò)電感來(lái)實(shí) 現(xiàn)的。 使開(kāi)關(guān)K保持振蕩，振蕩周期T=Ton+Toff，當(dāng)K接 通時(shí) 假設(shè)Ui在Ton時(shí)間內(nèi)保持恒定，電流變化可以寫 成 在開(kāi)關(guān)K接通期間，電感儲(chǔ)存能量 K斷開(kāi)時(shí)，電感通過(guò)二極管VD將能量釋放到負(fù)載 L i di UL dt ()(0)

39、i on LonL U T i Ti L 2 1 () 2 Lon Li T i0 -= L di UUL dt 假設(shè)Toff時(shí)間足夠短，Ui和Uo保持恒定，于是 穩(wěn)態(tài)條件 ，于是 得到 于是對(duì)于給定的振蕩周期，適當(dāng)調(diào)整Ton就可以 調(diào)整變換器的輸入電壓Ui，使其處于太陽(yáng)電池方 陣的最大功率點(diǎn)電壓 i0 off - (+)() LonLonoff UU i TTi TT L off (+)= (0) LonL i TTi i 0 -（-） offon i TU T UU LL 0 ff （） ionoff o UTT U T 0i UU MPPT控制的實(shí)現(xiàn) 無(wú)論采用哪一種斬波器，都必須要有閉環(huán)

40、電路控 制，用于控制開(kāi)關(guān)K的導(dǎo)通和斷開(kāi)，從而使太陽(yáng) 電池方陣工作在最大功率點(diǎn)附近。 對(duì)于為蓄電池充電的BOOST電路，只需要保證充 電電流最大，即可達(dá)到最大輸出的目的，因此只 需將BOOST電路的輸出電流信號(hào)反饋到控制電路 ，控制開(kāi)關(guān)K的導(dǎo)通時(shí)間Ton，使BOOST電路具有 最大的電流即可。 對(duì)于真正的MPPT控制，則需要對(duì)工作電壓和電流 實(shí)時(shí)采集，計(jì)算功率值，通過(guò)尋優(yōu)過(guò)程使得太陽(yáng) 電池方陣工作在最大功率點(diǎn)附近。 實(shí)現(xiàn)MPPT最常用的自尋優(yōu)類方法之一 基本思想：首先擾動(dòng)光伏電池的輸出電壓（或電 流），然后觀測(cè)光伏電池功率的變化，根據(jù)功率 變化的趨勢(shì)連續(xù)改變擾動(dòng)電壓（或電流）方向， 使光伏電池最終工作于最大功率點(diǎn)。 分為