何道清《太阳能光伏发电系统原理与应用技术》第5章 太阳能充、放电控制器

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5.1 光伏控制器概述
（3）设备保护功能：防止太阳能电池板或电池方阵、蓄 电池极性反接的电路保护；防止负载、控制器、逆变器和 其它设备内部短路保护；防止夜间蓄电池通过太阳能电池 组件反向放电保护；防雷击引起的击穿保护。 （4）温度补偿功能（仅适用于蓄电池充满电压）：通常 蓄电池的温度补偿系数为(3～5)mV/(℃cell)。 （5）光伏发电系统的各种工作状态显示功能：主要显示 蓄电池(组)电压、负载状态、电池方阵工作状态、辅助电源 状态、环境温度状态、故障报警等。 发光二极管颜色判断：绿色，工作正常；黄色，蓄电池 电能不足；红色，蓄电池电能严重不足，自动断开负载。
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5.2 光伏控制器的基本原理
3.铅酸蓄电池充电温度补偿 温度补偿目的：保证蓄电池被充满同时又不会发生水的 大量分解。 • 控制器具有对蓄电池充满门限电压进行自动温度补偿的 功能。 • 温度系数一般为单只电池(3～5) mV/℃ (标准条件为 25℃)，即当电解液温度（或环境温度）偏离标准条件时， 每升高1℃，蓄电池充满门限电压按照每只单体电池向下调 整3～5mV；每下降1℃，蓄电池充满门限电压按照每只单 体电池向上调整3～5mV。
第5章 光伏控制器
光伏控制器
第5章 光伏控制器
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5.1 光伏控制器概述
5.1.1 光伏控制器的基本概念 光伏控制器是对光伏发电系统进行管理和控制的设备。 光伏控制器主要由电子元器件、仪表、继电器、开关等 组成。 基本原理：控制器通过检测蓄电池的电压或荷电状态，判 断蓄电池是否已经达到过充电点或过放电点，并根据检测结 果发出继续充、放电或终止充、放电的指令，实现；显示系统 工作状态 。
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图5-1铅酸蓄电池充电特性曲线
5.2 光伏控制器的基本原理
2.常规过充电保护原理 依据D点的电压为蓄电池已充满标志这一原理，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结束充电。 对于开口式固定型铅酸蓄电池，标准状态（25℃，0.1C 充电率）下的充电终止电压（D点电压）约为2.5V/单体； 对于阀控密封式铅酸蓄电池，标准状态（25℃，0.1C充 电率）下的充电终止电压约为2.35V/单体。 在控制器中比较器设置的D点电压，称为“门限电压”或 “电压阈值”。蓄电池的充满点一般设定在2.45～2.5V/单 体（固定式铅酸蓄电池）和2.3～2.35V/单体（阀控密封式 铅酸蓄电池）。
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5.1 光伏控制器概述
5.1.2 光伏控制器的主要功能 （1）具有输入充满断开和恢复连接功能，标准设计的蓄 电池电压值为12V时，充满断开和恢复连接的参考值为： ①启动型铅酸电池：充满断开为15.0～15.2V，恢复连接 为13.7V； ②固定型铅酸电池：充满断开为14.8～15.0V，恢复连接 为13.5V； ③密封型铅酸电池：充满断开为14.1～14.5V，恢复连接 为13.2V。 （2）具有对蓄电池充放电管理和最优充电控制功能。
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图5-2铅酸蓄电池放电特性曲线
5.2 光伏控制器的基本原理
2.常规过放电保护原理 依据G点的电压标志放电终了这一原理，在控制器中设置 电压测量和电压比较电路，通过监测出G点电压值，即可判 断蓄电池是否应结束放电。 对于开口式固定型铅酸蓄电池，标准状态(25℃，0.1C 放电率)下的放电终止电压(G点电压)为1.75～1.8V/单体； 对于阀控密封式铅酸蓄电池，标准状态(25℃，0.1C放 电率)下的放电终止电压为1.78～1.82V/单体。 在控制器中比较器设置的G点电压，称为“门限电压”或 “电压阈值”。
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5.3 蓄电池充、放电技术
3.停充控制 当VRLA蓄电池充足电后，必须适时切断充电电流停充。 控制器必须随时监测VRLA蓄电池的充电状况，保证蓄电池 充足电而又不过充电。主要的停充控制方法： （1）定时控制 定时控制采用恒流充电法，VRLA蓄电池所需充电时间可 根据VRLA蓄电池容量和充电电流的大小来确定，因此只要 预先设定好充电时间，时间一到，定时器即可发出信号停 充或转为浮充电。定时器可由时间继电器或由微处理器承 担其功能。这种方法简单，但充电时间不能根据VRLA蓄电 池充电前的状态而自动调整，因此实际充电时，可能会出 现有时欠充、有时过充的现象。
表5-1 太阳能路灯系统在蓄电池不同SOC情况下对路灯工作时间的调整
蓄电池的剩余 容量/％ SOC>90% 70%<SOC<90% 负载工作时间/h 12 8 蓄电池的剩余 容量/％ 50%<SOC<70% 10%<SOC<50% 负载工作时间/h 6 4
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还可以将负载分成不同的等级，控制器根据蓄 电池的剩余容量状态调整负载的功率或保证优 先用电的负载，也可以达到同样的目的。 将剩余电量在控制器上显示出来，供人工参考。
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5.2 光伏控制器的基本原理
3.蓄电池剩余容量控制法 蓄电池使用寿命受其荷电状态影响极大。 • 作为启动电源或备用电源的场合，大 部分处于浮充或滿电运行，荷电状态 （ SOC ）处于很高的状态（ 80% 上）， 并且有可充电电源，这时寿命较长。 • 而光伏和风电中，电池常处于深度放 电，寿命较短。 • 如果让电池处于浅放电中，其寿命会 增加很多。
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5.2 光伏控制器的基本原理
5.2.2 蓄电池过放电保护基本原理 1.铅酸蓄电池放电特性 铅酸蓄电池放电特性如图曲线所示。蓄电池放电过程有3个阶段： • 开始(OE)阶段，电压下降较快； • 中期(EG)，电压缓慢下降，延续较长时间； • 放电电压降到G点后，电压急剧下降。 标志蓄电池已接近放电 终了，应立即停止放电。
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• • •
5.3 蓄电池充、放电技术
（3）VRLA蓄电池端电压负增量控制 VRLA蓄电池充足电后，其端电压将呈现下降趋势， 据此可将VRLA蓄电池电压出现负增长的时刻作为停充时刻。 与温度控制法相比，这种方法响应速度快， 此外，电压的负增量与电压的绝对值无关，因此这种停充控 制方法可适应于具有不同单格VRLA蓄电池数的VRLA蓄电池组。 此方法的缺点是一般的检测器灵敏度和可靠性不高， 同时，当环境温度较高时，VRLA蓄电池充足电后电压的减小 并不明显，因而难以控制。
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5.3 蓄电池充、放电技术
• （2）VRLA蓄电池温度控制 VRLA蓄电池温度在正常充电时变化并不明显，但是，当 VRLA蓄电池过充时，其内部气体压力将迅速增大，负极板 上氧化反应使内部发热，温度迅速上升（每分钟可升高几摄 氏度）。 观察VRLA蓄电池温度的变化，即可判断VRLA蓄电池是否已经 充满。 通常采用两只热敏电阻分别检测VRLA蓄电池温度和环境温度， 当两者温差达到一定值时，即发出停充信号或转为浮充电。 由于热敏电阻动态响应速度较慢，故不能及时、准确地检测 到VRLA蓄电池的满充状态。
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5.2 光伏控制器的基本原理
建立蓄电池剩余容量的数学模型控制，通用性好，可在 线测量蓄电池的剩余容量，实现对蓄电池放电过程的有效 控制。 主要是剩余电量和充放电率，端电压，电解液密度，内 阻等各个参数间的数学模型。 可对电池的放电进行全过程控制，主要用于无人值守且允 许调整工作时间的光伏发电系统，最典型的是太阳能路灯。
图5-3蓄电池循环寿命与 放电深度（DOD）的关系
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5.2 光伏控制器的基本原理
3.蓄电池剩余容量控制法 剩余容量控制法，指的是蓄电池在使用过程中（处于放 电状态时），控制系统随时检测蓄电池的剩余容量(SOC=1DO D) ，并根据蓄电池的荷电状态 SOC 自动调整负载的大小或调 整负载的工作时间，使负载与蓄电池剩余容量相匹配，以确 保蓄电池剩余容量不低于设定值 ( 如 50%) ，从而保护蓄电池 不被过放电。 • 剩余容量控制法的关键：准确测量蓄电池的剩余容量。 • 蓄电池剩余容量的检测方法： 电液比重法，适用于开口式铅酸蓄电池 ； 开路电压法，开路电压与SOC关系复杂；（新电池可用） 内阻法，必须测出蓄电池的内阻－容量曲线。
55光伏控制器的选用太阳能光伏控制器北仑佳达电子太阳能光伏控制器生产厂家55光伏控制器的选用太阳能光伏控制器放电电路温度补偿电路供电电路指示电路单片机部分电路充电电路第5章光伏控制器232230228226225223221单体蓄电池电压v5101520253035环境温度表52不同环境温度的浮充电压值图56光伏控制器基本电路框图图57单路并联型充放电控制器电路原理图图58单路串联型控制器电路原理图图59单路串联型控制器电路原理图图510脉宽调制型pwm控制器电路原理图图511多路控制器的电路原理图图512智能型控制器电路原理图图513最大功率跟踪控制图514辐照度对光电流光电压和组件峰值功率的影响图524太阳能草坪灯控制电路原理一调节r1值可以控制光线强弱存在进放电问题t的加入就是为了在贮存和运输时关闭放电电路使用时是一直开着的
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5.1 光伏控制器概述
（6）直流负载，控制器还可以有稳压功能，为负载提供 稳定的直流电。 （7）光伏系统数据及信息储存功能。 （8）光伏系统遥测、遥控、遥信等。
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5.2 光伏控制器的基本原理
5.2.1蓄电池充电控制基本原理 1.铅酸蓄电池充电特性 铅酸蓄电池充电特性如图5-1曲线所示。蓄电池充电过程有3 个阶段： 初期(OA)，电压快速上升；中期(AC)，电压缓慢上升，延续 较长时间；C点为充电末期，电压开始快速上升，接近D点时， 标志着蓄电池已充满电，应停止充电。
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5.3 蓄电池充、放电技术
4.VRLA蓄电池运行温度 图5-4为GFM系列蓄电池的放电容量与温度的关系曲线。 图5-5为GFM系列蓄电池在不同工作环境温度下的使用寿 命曲线。
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5.3 蓄电池充、放电技术
5.3.2 VRLA蓄电池充电控制技术 蓄电池充电控制技术主要有： 1.主充、均充、浮充各阶段的自动转换 目前，VRLA蓄电池主要采用主充、均充、浮充三阶段充 电方法，充电各阶段的自动转换方法有： （1）时间控制，即预先设定各阶段充电时间，由时间继 电器或CPU控制转换时间。简单， 控制比较粗略。 （2）设定转换点的充电电流或VRLA蓄电池端电压值， 当实际电流或电压值达到设定值时，即自动转换。 （3）容量控制，采用积分电路在线监测蓄电池的容量， 当容量达到一定值时，则发出控制信号改变充电电流。控 制电路比较复杂，但控制精度较高。
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5.3 蓄电池充、放电技术
2.均浮充功能 蓄电池在正常使用过程中，会发生端电压、内阻的变化的不 均衡情况。 • 这种状况会导致电池输出电压过低或内阻过大，会减少电池寿 命。 • 均浮充是在一定时间内，提高充电电压，对VRLA蓄电池 单元进行充电，使各VRLA蓄电池单元都达到均衡一致的状态，起 到活化VRLA蓄电池的目的，从而极大地延长VRLA蓄电池寿命。 • 均、浮充转换技术是根据对蓄电池充电电流的检测及蓄 电池容量情况的判断，自动进行蓄电池均、浮充转换。为此要求 配置的充电器具有均、浮充自动转换功能，以提高光伏发电系 统的可用性。
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5.3 蓄电池充、放电技术
3.保证VRLA蓄电池组均匀性 光伏发电系统要尽可能选用均匀性好的VRLA蓄电池组。 此外，在VRLA蓄电池运行过程中，要根据单体VRLA蓄电 池电压来判断VRLA蓄电池组的均匀性，及时更换失效的 VRLA蓄电池。
• 如果均匀性不好，充电时，容量小的电池会出现热失控现象 • 容量大的电池会出现充电不足，影响寿命 • 容量小的电池会出现放电深度加深现象，影响寿命。
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5.1 光伏控制器概述
5.1.2 光伏控制器的主要功能 在太阳能光伏发电系统中，控制器是整个系统的核心部 件。为了延长蓄电池的寿命，必须对它过放电、过充电、 深度充电、负载过流和反充电等情况加以限制。在温差较 大的地区，性能良好的控制器应具备温度补偿功能，同时 能依照负载的电源需求来控制太阳能电池和蓄电池对负载 电能的输出。
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5.3 蓄电池充、放电技术
2.充电程度判断 对蓄电池进行充电时，必须随时判断蓄电池的充电程 度，以便控制充电电流的大小。判断充电程度的方法： （1）观察蓄电池去极化后的端电压变化。一般来说，在 充电初始阶段，蓄电池端电压的变化率很小；在充电的中 间阶段，蓄电池端电压的变化率很大；在充电末期，端电 压的变化率极小。尤此，判断蓄电池所处的充电阶段。 （2）检测蓄电池的实际容量值，并与其额定容量值进行 比较，即可判断其充电程度。 （3）检测蓄电池的端电压。当蓄电池端电压与其额定值 相差较大时，说明处于充电初期；当两者差值很小时，说 明已接近充满。
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5.3 蓄电池充、放电技术
5.3.1 VRLA蓄电池充电器 1.充电器的性能 恒压恒流分段式充电技术，对VRLA蓄电池进行最优充 电，充电电流的纹波尽可能小，才能延长VRLA蓄电池的寿 命。 增大充电器的功率：优点是可以满足不同VRLA蓄电池配 置调节充电电流的要求，缺点是浪费成本。 通用配置充电器：对后备时间过长或过短无能为力。 模块化设计充电器，采用不同数目的模块配置，可实现 并联、均流充电，既可节约成本，又可满足不同的光伏发 电系统控制要求。