光伏发电技术7.3控制器

②荷电态（State of Charge，SOC） 衡量蓄电池充电程度的一个重要参量。 一般把一定温度下，蓄电池充电到不能再吸收能 量的状态定义为荷电态，即SOC=100% 而将蓄电池再不能放出能量的状态定义为荷电态 SOC=0%。 一般铅酸蓄电池SOC的定义为SOC=Cr/Ct*100% Cr和Ct分别表示某个时刻的蓄电池剩余电量和 总容量。 ③荷电态与放电深度的关系 SOC=1-DOD 随着蓄电池的放电，其荷电态要逐渐减少，相应 的电解液的相对密度和开路电压也会变小，电解 液的冰点要提高。

B.电流率(倍率)：放电电流相当于电池额定容量的倍数 例：容量为100 A· h的蓄电池，以100 A· h/10h=10A电 流放电，10h将全部电量放完，则电流率为0.1C10. C10表示10h放电率下的电池容量。 若以100A放电,则1h将全部电量放光,电流率为1C10 放电电流越大，蓄电池容量越小，根据使用条件的不 同，汽车蓄电池多用C20，固定型或摩托车蓄电池用 C10，牵引型和电动车蓄电池用C5，一般光伏可用C20



检测控制电路 随时对蓄电池的电压进行检测，当电压大于充满保护 电压时，T1导通，电路实行过充电保护；当电压小 于过放电电压时，T2关断，电路实行过放电保护。 VD2为蓄电池接反保护二极管，当蓄电池极性接反时 ，VD2导通，蓄电池将通过VD2短路放电，短路电流 将保险丝熔断，电路起到防蓄电池接反保护作用。 开关器件T1、T2，VD1，VD2及保险丝Bx等和检测控 制电路共同组成控制器。该电路具有线路简单、价格 便宜、充电回路损耗小、控制器效率高的特点，当防 过充电保护电路工作时，开关器件要承受太阳电池组 件或方阵输出的最大电流，所以要选用功率较大的开 关器件。



（3）蓄电池的使用寿命 在独立光伏发电系统中，通常蓄电池是使用寿命最短 的部件。 根据蓄电池用途和使用方法不相同，对于寿命的评价 方法也不相同。 对于铅酸蓄电池，可分为充放电循环寿命、使用寿命 和恒流过充电寿命三种评价方法。 蓄电池的充放电循环寿命以充、放电循环次数来衡量 使用寿命以蓄电池的工作年限来衡量。 使用寿命与蓄电池本身质量、工作条件、使用和维护 情况等因素有很大的关系。
3.串联型控制器 串联控制器是利用串联在充电回路中的机械 或电子开关器件控制充电过程。当蓄电池充 满电时，开关器件断开充电回路，停止为蓄 电池供电；当蓄电池电压回落到一定值时， 充电电路再次接通，继续为蓄电池充电。串 联在回路中的开关器件还可以在夜间切断光 伏电池供电，取代防反充二极管。串联型控 制器同样具有结构简单、价格便宜等特点， 但由于控制开关是串联在充电回路中，电路 的电压损失较大，使充电效率有所降低。一 般用于较高功率系统。

另外，脉冲调制型控制器还可以实现光伏系统的 最大功率跟踪功能，因此可作为大功率控制器用 于大型光伏发电系统中。 脉宽调制型控制器的缺点：控制器的自身工作有 4%-8%的功率损耗。 5.多路控制器

多路控制器一般用于千瓦级以上的大功率光伏 发电系统，将太阳电池方阵分成多个支路接入 控制器。 当蓄电池充满时，控制器将太阳电池方阵各支 路逐路断开；当蓄电池电压回落到一定值时， 控制器再将太阳电池方阵逐路接通，实现对蓄 电池组充电电压和充电电流的调节。这种控制 方式属于增量控制法，可以近似达到脉冲调制 控制器的效果，路数越多，增幅越小，越接近 线性调节。但路数越多，成本也越高，因此确 定太阳电池方阵路数时，要综合考虑控制效果 和控制器的成本。
开关2闭合时，由蓄电池给负载供电；当蓄电 池出现过放电时，开关2能及时切断放电回路 ，蓄电池停止向负载供电，当蓄电池再次充电 并达到预先设定的恢复充电点时，开关2又能 自动恢复供电。 开关1和开关2可以由各种开关元件构成，如各 种晶体管、可控硅、固态继电器、功率开关器 件等。 光伏充电控制器主要分为五种类型 并联型控制器，串联型控制器、脉宽调制性控 制器、多路控制器、智能型控制器、最大功率 跟踪型控制等

串、并联控制器的检测控制电路实际上就是蓄电 池过、欠电压的检测控制电路，主要是对蓄电池 的电压随时进行取样检测，并根据检测结果向过 充电、过放电开关器件发出接通或关断的控制信 号。检测电路原理如图所示。


该电路包括过电压检测控制和欠电压检测控制两部 分电路，由带回差控制的运算放大器组成。其中IC1 为过电压检测控制电路，IC1的同相输入端输入基准 电压，反相接入端接被测蓄电池，当蓄电池电压大 于过充电电压值时，IC1输出端G1输出为低电平，使 开关器件T1接通（并联型控制器）或关断（串联型 控制器），起到过电压保护功的作用。 当蓄电池电压下降到小于过充电电压值时，IC1的反 相输入电位低于同相输入电位，则其输出端G1又从 低电平变为高电平，蓄电池恢复正常充电状态。过 充电保护和恢复的门限基准电压由Rp1和R1配合调整 确定。IC2等构成欠电压检测控制电路，其工作原理 与过电压检测控制电路相同。

总之，蓄电池在离网光伏系统中是十分重要的组 成部分，也是整个系统中使用寿命最短的部件， 因此必须合理配备蓄电池的类型和规格，选择合 适的型号，具有足够的容量，精心安装和管理维 护，才能保证离网光伏系统的长期稳定运行。
7.4 控制器
光伏系统中的控制器是对光伏系统进行管理 和控制的设备，在不同类型的光伏系统中， 控制器不尽相同，其功能多少及复杂程度差 别很大。 控制器的组成：电子元器件、仪表、继电器 （是用小电流去控制大电流运作的一种“自 动开关”。在电路中起着自动调节、安全保 护、转换电路等作用）、开关等 控制器的基本作用：为蓄电池提供最佳的充 电电流和电压，并在充电过程中减少损耗， 同时保护蓄电池，需要时还有稳压功能。



7.4.1 控制器的类型
1.光伏控制器的基本电路


电路组成：太阳电池组件、控制电路及控制开关、 蓄电池和负载。开关1充电控制开关，开关2放电控 制开关。 开关1闭合，太阳电池组件通过控制器给蓄电池充电 ；当蓄电池出现过充电时，开关1能及时切断充电回 路，使光伏组件停止向蓄电池供电；开关1还能按预 先设定的保护模式自动恢复对蓄电池的充电。


串联型控制器的电路原理如图所示，它的电路结构与 并联型控制器结构相似，区别仅是将开关器件T1由并 联在太阳电池输出端改为串联在蓄电池充电回路中。 控制器检测电路监控蓄电池的端电压，当充电电压超 过蓄电池设定的充满断开电压值时，T1关断，使太阳 电池不再对蓄电池充电，起到防止蓄电池过充电的保 护作用。其他元件的作用和并联控制器相同。




工作原理 当蓄电池充满电时，控制电路将控制机械或电子 开关从T1-Tn顺序断开太阳电池方阵各支路Z1-Zn 。当第一路Z1断开后，如果蓄电池电压已经低于 设定值，则控制电路等待；直到蓄电池电压再次 上升到设定值后，再断开第二路Z2，再等待；如 果蓄电池电压不再上升到设定值，则其他支路保 持接通充电状态。 当蓄电池电压低于恢复点电压时，被断开的太阳 电池方阵支路依次顺序接通，直到天黑之前全部 接通。VD1-VDn是各个支路的防反充二极管，A1 和A2分别是充电电流表和放电电流表。





（2）蓄电池的容量 定义：出厂时规定的该蓄电池在一定的放电电 流和一定的电解液温度下，单格电池的电压降 到规定值时，所能提供的电量。 单位：安时（A· h）或（ W· h） 标称容量取决于蓄电池本身和使用条件。 ①蓄电池容量和放电率的关系 同一个电池放电率不同，给出的容量也不同。 放电率有两种表示方法 A.小时率（时间率）：以一定的电流放完额定 容量所需要的时间。 Ct=放电电流I*放电时间t



并联型控制器的电路原理如图所示，VD1是防反充电二 极管，VD2是防反接二极管，T1和T2都是开关；T1是 控制器充电回路中的开关，T2为蓄电池放电开关；Bx 是保险丝；R为泄荷电阻；检测控制电路监控蓄电池的 端电压。 工作过程：充电回路的开关器件T1并联在太阳电池或 太阳电池组件的输出端，当充电电压超过蓄电池设定 的充满断开电压值时，开关器件T1导通，同时防反充 二极管VD1截止，使太阳电池的输出电流直接通过T1 旁路泄放，不再对蓄电池进行充电，从而保证蓄电池 不被过充电，起到防止蓄电池过充电的保护作用。 开关器件T2为蓄电池放电控制开关，当蓄电池的供电 电压低于蓄电池的过放电保护电压值时，T2关断，对 徐放电池进行过放电保护。当负载因过载或短路使电 流大于额定工作电流时，控制开关T2也会关断，起到 输出过载或电路保护作用。
4.脉宽调制型控制器 脉宽调制（Pulse—width Modulation,PWM）型 控制器原理如图所示，该控制器以脉冲方式开 关光伏组件的输入。

当蓄电池逐渐趋向充满时，随着其端电压的逐 渐升高，PWM电路输出脉冲的频率和时间都发 生变化，使开关器件的导通时间延长、间隔缩 短，充电电流逐渐趋近于零。 当蓄电池电压由充满点向下降时，充电电流又 会逐渐增大。与前两种控制器电路比，脉宽调 制充电控制方式虽然没有固定的过充电电压断 开点和恢复点，但是电路会控制当蓄电池端电 压达到过充电控制点附近，其充电电流要趋近 于零。这种充电过程能形成较完整的充电状态 ，其平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池当 前的充电状态，能够增加光伏系统的充电效率 并延长蓄电池的总循环寿命。


2.并联型控制器 也叫旁路型控制器，它是利用并联在太阳电池两端 的机械或电子开关器件控制充电过程。当蓄电池充 满电时，把太阳电池的输出电流分流到旁路电阻器 或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉（泄荷） ；当蓄电池电压回落到一定值时，再断开旁路恢复 充电，由于这种方式消耗热能，所以一般用于小型 、小功率系统。
第7章 光伏系统部件
7.3.2 蓄电池 7.3.2.6 蓄电池的性能参数 主要讨论应用最多的铅酸蓄电池 （1）蓄电池的电压 铅酸蓄电池每格的标称电压是2V，实际电 压随充放电情况而有变化。 充电结束时电压有2.5-2.7V，以后缓慢降 低到2.05V左右的稳定状态。 放电时，电压缓慢下降，降到1.7V时，便 不能再继续放电。



（4）蓄电池的效率 离网光伏系统中，蓄电池是储能装臵。实际使用的蓄 电池在工作过程中必定有一定的能量损耗，通常用能 量效率和安时效率来表示。 ①能量效率 蓄电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比。 影响能量效率的主要因素是蓄电池的内阻。 ②充电效率（库伦效率） 蓄电池放电时输出的电量和充电时输入的电量之比。 影响充电效率的主要因素是蓄电池内部的各种负反应 ，如自放电。 对于一般的离网光伏系统，平均充电效率为80%-85% 在冬天可增加到90%-95%。

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（5）蓄电池的自放电 蓄电池不使用时，随着放臵时间的延长，储电量会 自动减少，这种现象叫做自放电。 （6）蓄电池的放电深度与荷电态 ①放电深度（Depth of Discharge，DOD） 用户在蓄电池的使用过程中，蓄电池放出的安时数 占其标称容量安时数的百分比。 深度放电会造成蓄电池内部极板表面硫酸盐化，导 致蓄电池的内阻增大，严重时会使个别电池出现“ 反极”现象和永久性损坏。因此，过大的放电深度 会严重影响电池的使用寿命。 一般情况下，光伏系统中，蓄电池的放电深度为 30%-80%。


②蓄电池容量与温度的关系 温度高时，电解液的粘度下降，电阻减小，扩散速 度增大，电池的化学反应增强，这些都会使得容量 增大；但是温度升高时，蓄电池的自放电会增加， 电解液的消耗量也会增大。 蓄电池在低温下容量迅速下降，通用型蓄电池在温 度降到5℃时，容量会降到70%左右。低于-15℃时容 量将下降到60%，且在-10℃以下充电反应非常缓慢 ，可能造成放电以后难以恢复。放电后如果不能及 时充电，在温度低于-30℃时有冻坏的危险。