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。放電率有兩種表示方法A.小時(shí)率（時(shí)間率）：以一定的電

2、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tB.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)

3、，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

4、、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）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

5、（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/C

6、t*100%Cr和Ct分別表示某個(gè)時(shí)刻的蓄電池剩余電量和總?cè)萘?。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?？傊?，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。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?？刂破鞯慕M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

7、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

8、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)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

9、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)，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)

10、。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

11、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)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?？刂破鳈z

12、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

13、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)正常充電狀態(tài)。過(guò)充電保護(hù)和恢復(fù)的門(mén)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)、

14、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

15、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

16、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

17、）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)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)

18、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 1

19、4.8-15.0V 13.7V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、逆變器和其他設(shè)備

20、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、電流、功率、安時(shí)數(shù)等。4.光伏系統(tǒng)數(shù)據(jù)

21、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

22、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自身沒(méi)有損壞?？刂破饕话阌腥龑?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

23、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,250A8.太陽(yáng)電池方陣輸入路數(shù)小功率光伏控制器一般都是單路輸入，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

24、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

25、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)π铍姵卦O(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)

26、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

27、便用戶調(diào)整?？蛇m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?？赏ㄟ^(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。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

28、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，

29、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

30、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100-1000W/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?，太?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

31、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?？梢钥闯?，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，

32、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

33、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?。?，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%，

34、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

35、過(guò)二極管VD將能量釋放到負(fù)載，0idiUULdt0()(0)iLonLonUUi TiTL21()2LonLi T0=-LdiULdt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 0off(+)()LonLonoffUi TTi TTLoff(+)= (0)LonLi TTi00（-）onoffiTU TUULL0i ononoffU TUTT0iUU(0)0Li ()o offLonU Ti TL0()LonoffLi TTU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等于太陽(yáng)電池方陣的最大功率

36、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。001()2ToffLLLonU Tii dti TTLBOOST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(xiě)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LidiULdt()(0)i onLonLU Ti TiL21()2LonLi Ti0-=LdiUULdt假設(shè)Toff時(shí)間足夠短，

37、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i0off-(+)()LonLonoffUUi TTi TTLoff(+)= (0)LonLi TTii0-（-）offoniTU TUULL0ff（）ionoffoUTTUT0iUU 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)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)。分為兩種：基于并網(wǎng)逆變