第5章 光伏控制器及逆变器

第5章光伏控制器及逆变器

5.1 控制器

太阳能光伏发电系统分为离网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，要靠蓄电池贮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加以利用。

充放电控制器是太阳能独立光伏系统中至关重要的部件，其主要功能是对独立光伏系统中的储能元件——蓄电池进行充放电控制，以免蓄电池在使用过程中出现过充或过放的现象，影响蓄电池寿命，从而提髙系统的可靠性。本节主要介绍充、放电控制器工作原理以及控制器的设计及选型。

5.1.1控制器的工作原理

在独立光伏系统中，为了能让系统正常运行，蓄电池是不可缺少的部件。控制器主要是为了避免蓄电池在充放电过程中出现过充或过放的情况而设计的控制部件，它能使蓄电池工作在最佳状态。由于太阳电池组件随太阳光的变化而变化较大，导致控制器的输入能量不稳定，所以太阳能光伏发电系统中的充放电控制比其他应用领域的控制要复杂一些。

根据铅酸蓄电池的充放电特性如图5.1可知，在对蓄电池充电过程中，当蓄电池端电压升至D点电压时，就标志着蓄电池已充满，应切断充电开关线路。所以光伏控制器应有检测电压部件，能随时检测蓄电池的端电压；检测到蓄电池端电压后控制器中应设有比较电路，与电压比较器中设置的相当于D点电压（可称为“门限电压”或“电压阈”）比较，如果端电压达到阈值电压时，表示应结束蓄电池充电过程。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。同理，从蓄电池的放电特性如图5.2可知，在电压达到G点电压时，就意味着蓄电池放电过程终止。所以同样在光伏控制器中设置电压检测电路和电压比较电路，通过测试G点电压来决定是否断开蓄电池放电线路，从而结束蓄电池放电过程。

在太阳能光伏发电系统中，根据光伏发电系统实际需求的不同，控制器复杂程度也不相同。控制器可以由相对简单的比较电路组成，也可由单片机或DSP处理器来控制，但不管控制器由什么组成，其基本原理都相同。从蓄电池充放电原理和控制过程可以分析，光伏充放电控制器的基本原理图如图5.3所示：

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。根据光伏发电系统的要求不同，控制电路也不同，如最简单的太阳能草坪灯上的控制电路就是用几支三极管、电阻、电容以及电感等分立元件组成的充放电电路；较复杂的如PHOCOS公司生产的PL系列太阳能光伏控制器，其控制电路由多个微控制器和外围电路组成，可以检测温度、时间、充电容量大小以及可以支持串口数据传输的等功能。除此外，还具有友好的人机显示界面，用户可由控制器的显示界面直接观察到控制器检测到的相关信息。光伏控制器是太阳能光伏系统中的关键部件，其性能的好坏会影响系统的运行。正确理解光伏控制器的工作原理能为设计控制器和光伏系统提供重要的信息。

5.1.2控制器的分类及选购注意事项

太阳能光伏控制器的种类很多，根据所控制的太阳电池组件的路数可分为单路型控制电路和多路型控制电路。单路型控制电路顾名思义就是进行单路太阳能充电的控制，多路型控制电路是进行多路太阳能充电的控制电路。在设计光伏系统时需要对蓄电池的容量进行检测以判断是否应继续充电或放电。目前大部分光伏系统的充放电多采用单路阶梯式充放电控制，或者多路阶梯式充放电控制。其中单路阶梯式充放电控制模式适用于中小功率的负载，大功率负载多采用多路阶梯式充放电控制。单路阶梯式充放电如图5.4所示，此种充放电控制主要是通过控制器实现对蓄电池的充放电控制。控制器在充电过程中不断地对蓄电池的端电压进行监测，当蓄电池的端电压大于某个限定值时，就视为已充满，停止太阳电池向蓄电池充电。由于这种电路结构简单，价格低廉，目前应用最为广泛。

多路阶梯式充放电控制器原理如图5.5所示，其工作过程为，当蓄电池充满电时，控制电路将控制电子开关从电子开关1至电子开关N顺序断开相应太阳电池组件。当第—路组件断开后，控制电路检测蓄电池电压是否低于设定值，若低于设定值，则控制电路等待；等到

蓄电池电压再次充到设定值，再断开第二路太阳电池组件，类似第一路组件。相反的，蓄电池电压低于恢复点电压时，执行相反过程，顺序接通被断开的太阳电池组件，直至阳光非常

微弱时全部接通。图中电子开关2为放电断路开关，当蓄电池容量低于设定的过放参数时，可以断开电子开关2来断开负载，以保证蓄电池不至于过放。

蓄电池的电压受很多因素的影响，如，温度、湿度等，特别是在充电过程中，蓄电池的端电压并不能很好地反映其容量。阶梯式充放电控制中蓄电池都与太阳电池直接相连，其端电压受太阳电池端电压制约，V0并不能准确的反映蓄电池的容量。这突出表现为当系统所处温度较高时，由于太阳电池板和蓄电池的端电压均受温度影响严重，太阳电池板端电压随温度升高而降低，而蓄电池端电压则刚好相反，容易出现蓄电池容量未满却巳不能充入的现象（常称之为“虚满”）。这在很大程度上影响了蓄电池容量检测的准确性，进而阻碍了整个系统的正常工作，造成能源的极大浪费。阶梯式充放电模式不能实现涓流充电，造成了能源的极大浪费，使得本来效率就不高的光伏系统性价比更低。这些问题可以通过相对高端智能型的太阳能光伏充放电控制器来改进效率。

太阳能光伏控制器根据控制电路的复杂程度不同，又可分为简易型控制器和智能型控制