光伏发电控系统

由于光伏电池阵列具有强烈的非线性特征，为保证光伏电池阵列在任何日照和环境温度下，始终都可以输出相应的最大功率，需要加入光伏系统控制器。一般在光伏控制系统中引入最大功率点跟踪MPPT控制。

我们光伏发电系统一般包括光伏电池组件。太阳能光伏发电系统一般包括光伏电池组件、DC-DC变换装置、处轮装置、逆变器、控制器5大部分。

光伏控制系统虽然仅是整个光伏系统的一个构成部分，但是却起着至关重要的作用。控制系统是整个光伏发电系统的“大脑”控制着光伏发电系统从吸收太阳能到转换为电能，最终将电能分配供给负载使用的整个过程。光伏控制系统可以通过闭环控制实现光伏发电系统工作在安全稳定的状态下，还可以通过一定的软件控制实现光伏系统的最大功率输出。高效的光伏控制系统不仅能。一个合理高效的光伏控制系统，不仅能够提高太阳能的利用效率，还能降低发电成本。因此光伏系统控制器应具有如下的功能：对太阳能的最大功率点进行跟踪；对于太阳方位和高度进行跟踪；对蓄电池充放电的控制；对蓄电池进行保护以及对太阳能电池进行保护等。

随着光伏并网发电系统的不断发展和广泛应用，如何提高其发电效率及并网电流质量也成为了近年来研究的热点问题。

太阳能光伏发电系统分为独立型光伏发电系统和并网型光伏发电系统。在太阳能光伏发电系统中，接收太阳光并将太阳光转换成电能的装置是太阳电池，但将太阳光转换成电能时由于天气原因或其他因素的影响，太阳电池的输出电流并不是很稳定。直接供负载使用时将使负载非常不稳定，甚至会导致负载不能使用以及烧毁的情况。因此在太阳电池组件将光能转换成电能后，让电能经过蓄电池和充放电控制器以及其他电力部件后供负载使用。

独立运行的太阳能光伏发电系统使用时，白天日照充足，太阳电池组件产生电能过剩，蓄电池储存多余的电能。夜间或阴雨天没有太阳光时，要靠蓄电池储存和调节电能来供负载合理使用，以达到充放电的平衡，从而使系统效率最大。

控制器是光伏电站中的控制部分。是一个采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器的微机数据采集和监测控制系统。其主要功能是根据日照强弱及负荷的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节，使其在充电、放电或浮充电等多种工况下交替运行，从而保证光伏电站工作的连续性和稳定性；通过检测蓄电池组的荷电状态，发出蓄电池组继续充电、停止充电、继续放电、减少放电或停止放电的指令，保护蓄电池组不受过度充电和放电。

充放电控制器是太阳能独立光伏系统中至关重要的部件，它的运行状况直接影响整个电站的可靠性，是系统设计、生产和安装过程中需要特别注意的关键部分。

2.控制器控制充放电的基本原理

不同的蓄电池具有不同的充放电特性，因此也要有不同的控制策略。这里以光伏系统中常用的铅酸蓄电池为例来说明控制器的工作原理。

铅酸蓄电池的充电方式有很多种，例如浮充充电、限流恒压充电、递增电压充电等。其中使用最多的是限流恒压充电，充电时蓄电池的端电压变化如图1-1所示。

图1-1蓄电池充电过程

充电过程分为三个阶段。

第一阶段，在活性物质微孔内形成的硫酸骤增，来不及向极板外扩散，因此电池电势增大，蓄电池端电压上升较快（OA段）；

第二阶段，随着活性物质微孔中硫酸比重的增加和向外扩散的速度逐渐趋向平衡，蓄电池端电压上升缓慢（AB段）；

第三阶段，电流使蓄电池中的水大量分解，在两个极板上开始产生大量的气体，这些气体是不良导体并且能够使蓄电池的内阻增大，蓄电池端电压继续上升，但上升的速度明显变慢（CD段）。

在第三阶段之后，如果继续给蓄电池充电的话，将会由于过充电而损坏，影响蓄电池的使用寿命。根据这一原理，在控制器中设置电压测量和电压比较电路，通过对D点电压值的监测，即可判断蓄电池是否应该结束充电；这种控制方式就是电压型充电控制，比较器设置的D点电压称为"门限电压"或电压阀值。在此应要注意的是蓄电池在充电期间，其电解液温度会升高，由于蓄电池电压的温度效应，所以此时的阈值电压应根据检测到的温度而设定相关的补偿电压。

与充电过程类似，放电过程中蓄电池的端电压也是由三个阶段组成。

第一阶段，放电开始时，短时间内蓄电池端电压快速下降（OA段）；

第二阶段，蓄电池端电压缓慢下降（AC段）；

第三阶段，蓄电池的端电压在极短的时间内快速降低（CD段），如图2-9所示。由此可知，放电过程中，第二阶段的时间越长，平均电压就越高，其电压特性也就越好。根据这一原理，在控制器中设置电压测量和电压比较电路，通过检测出D点电压值，就可以判断蓄电池是否应该结束放电，这种控制方式就是电压型放电控制，D点电压称为"门限电压"或"电压阀值"。

图1-2蓄电池的放电过程

充放电控制器主要由控制电路、开关元件和其他基本电子元件组成。开关元件包括充电开关、放电开关，充电开关用来切断或接通太阳电池组件和蓄电池，使太阳电池组件对蓄电池进行充电或避免蓄电池过充；放电开关用来切断或接通蓄电池和用电负载，使系统电压供负载使用或避免蓄电池过放。此处讲的充放电开关实际上是一个广义上的开关元件，它可以是一个继电器、三极管等元件，也可以是MOS管、晶闸管或是机械等类型的元件，用来切断或接通输电线路的元件。

控制器控制电路部分是整个光伏控制器的核心，控制电路部分一方面需提供控制电路所需的稳压电路，以稳定供给控制电路部分集成电路所需的电压，以保证集成电路正常工作；同时还需要检测蓄电池的端电压，根据蓄电池端电压与阈值电压的比较来决定是否切断或接通充电开关和放电开关，保证系统的正常运行。

3.控制器主要参数特征如下：

（1）系统电压。系统电压也叫额定工作电压，是指光伏发电系统的直流工作电压，电压一般为12V和24V，中、大功率控制器也有48V、V、V等。

（2）最大充电电流。最大充电电流是指太阳能电池元件或方阵输出的最大电流，根据功率大小分为5A、6A、8A、10A、12A、15A、20A、30A、40A、50A、70A、A、A、A、A等多种规格。有些厂家用太阳能电池元件最大功率来表示这一内容，间接地体现了最大充电电流这一技术参数。

（3）太阳能电池方阵输入路数。小功率光伏控制器一般都是单路输入，而大功率光伏控制器都是由太阳能电池方阵多路输入：一般大功率光伏控制器可输入6路，最多的可接入12路、18路。

（4）电路自身损耗。控制器的电路自身损耗也是其主要技术参数之一，也叫空载损耗（静态电流）或最大自消耗电流。为了降低控制器的损耗，提高光伏电源的转换效率，控制器的电路自身损耗要尽可能低。控制器的最大自身损耗不得超过其额定充电电流的1%或0.4W。根据电路不同，自身损耗一般为5～20mA。

（5）蓄电池过充电保护电压（hvd）。蓄电池过充电保护电压也叫充满断开或过压关断电压，一般可根据需要及蓄电池类型的不同，设定在14.1～14.5V（12V系统）、28.2～29V（24V系统）和56.4～58V（48V系统）之间，典型值分别为14.4V、28.8V和57.6V。蓄电池充电保护的关断恢复电压（hzr）一般设定为；13.1～13.4V（12V系统）、26.2～26.8V（24V系统）和52.4～53.6V（48V系统）之间，典型值分别为13.2V、26.4V和52.8V。

（6）蓄电池的过放电保护电压（lvd）。蓄电池得过放电保护电压也叫欠压断开或欠压关断电压，一般可根据需要及蓄电池类型的不同，设定在10.8～11.4V（12V系统）、21.6～22.8V（24V系统）和43.2～45.6V（48V系统）之间，典型值分别为11.1V、22.2V和44.4V。蓄电池过放电保护的关断恢复电压（lvr）一般设定为∶12.1～12.6V（12V系统）、24.2～25.2V（24V系统）和48.4～50.4V（48V系统）之间，典型值分别为12.4V、24.8V和49.6V。

（7）蓄电池充电浮充电压。蓄电池的充电浮充电压一般为13.7V（12V系统）、27.4V（24V系统）和54.8V（48V系统）。

（8）温度补偿。控制器一般都具有温度补偿功能，以适应不同的环境工作温度，为蓄电池设置更为合理的充电电压，控制器的温度补偿系数应满足蓄电池的技术发展要求，其温度补偿值一般为-20～-40mV/℃。

（9）工作环境温度。控制器的使用或工作环境温度范围随厂家不同一般在-20～+50℃之间。

（10）其他保护功能

①控制器输入、输出短路保护功能。控制器的输入、输出电路都要具有短路保护电路，提供波保护功能。

②防反充保护功能。控制器要具有防止蓄电池向太阳能电池反向充电的保护功能。③极性反接保护功能。太阳能电池元件或蓄电池接入控制器，当极性接反时，控制器要具有保护电路的功能。

④防雷击保护功能。控制器输入端具有防雷击的保护功能，避雷器的类型和额定值应能确保吸收预期的冲击能量。

⑤耐冲击电压和冲击电流保护。在控制器的太阳能电池输入端施加1.25倍的标称电压持续一小时，控制器不应该损坏；将控制器充电回路电流达到标称电流的1.25倍并持续一小时，控制器也不应该损坏。