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1、第5章 光伏控制器,光伏发电技术基础,光电工程学院,学习内容,第一节 光伏控制器概述第二节 最大功率点跟踪第三节 蓄电池的充放电控制管理第四节 光伏并网控制,第一节 光伏控制器概述,1. 光伏控制器的概念： 光伏控制器是用于光伏发电系统中，控制光伏阵列对蓄电池充电以及蓄电池给负载供电的自动控制设备。它采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。其基本作用是对蓄电池充电和放电进行控制，从而实现对蓄电池过充、过放以及系统过载进行保护，最大限度地延长蓄电池的使用寿命；光伏组件会受到自然工作条件的影响，通过对光伏阵列输出功率的控制，从而完成对光伏组件的高效利用。它
2、是整个电站供电的中枢，其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。它将有效地协调光伏阵列与蓄电池之间、蓄电池与负载之间的工作状态，确保光伏发电系统能够高效，安全的运作。,第一节 光伏控制器概述,光伏控制器,第一节 光伏控制器概述,2.光伏控制器的功能（1） 高压（HVD）断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。（2） 欠压（LVG）告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制器应能自动发出声光告警信号。（3） 低压（LVD）断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连结负载，可在某给定低压点自动切断负
3、载。当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。有时，采用低压报警代替自动切断。（4） 保护功能： a. 防止任何负载短路的电路保护。 b. 防止充电控制器内部短路的电路保护。 c. 防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。 d. 防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。 e. 在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。（5）温度补偿功能：当蓄电池温度低于25时，蓄电池应要求较高的充电电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。,第一节 光伏控制器概述,3. 控制器类型 光伏控制器的基本功能类似于电压调整器，主要用于防止蓄电池被光伏阵列过充电和被
4、负载过放电。光伏控制器根据其主电路的控制方式不同，可以分为五种类型：并联型、串联型、脉宽调制型、多路控制型、智能型和最大功率跟踪型。,第一节 光伏控制器概述,并联型控制器是采取在充电回路中，将电子开关并联到光伏阵列两端来实现对蓄电池充电过程的控制作用，其电路原理如下图。当蓄电池端电压大于“充满切离电压”时，开关器件T1导通，同时二极管D1截止，处于断开状态，则光伏阵列的输出电流直接通过旁路上的T1短路泄放，不再对蓄电池进行充电，从而保证蓄电池不会出现过充电现象，起到过充电保护的作用。,（1） 并联控制型,这类控制器很可靠，没有如继电器之类的机械部件。这种控制方式虽然简单易行，但由于采用旁路方式
5、，如果光伏组件中的个别电池受遮挡或有污渍，容易引起热斑效应。分流控制的缺点是有限的带负载能力和有一定通风散热要求。,第一节 光伏控制器概述,串联型控制器和并联型控制器电路结构相似，唯一区别在于开关器件T1的接法不同。串联型控制器是采取在充电回路中，将开关器件T1串接在光伏阵列和蓄电池之间，来实现对蓄电池充电过程的控制作用，其电路原理如下图。当蓄电池的端电压大于“充满切离电压”时，T1切断电流，使光伏阵列不再对蓄电池进行充电，起到过充电保护的作用。,（2） 串联控制型,第一节 光伏控制器概述,串联型充电控制器可以使用继电器作为开关，目前多使用功率场效应管（MOSFET）、IGBT、固体继电器等。
6、设计完美的串联型充电控制器中的开关元件还可替代防反二极管，起到防止夜间反向充电保护的作用。由于串联型充电控制器不需要散热，所以不用安装散热器。与并联型控制器相比，体积小，价格便宜，具有更大的带负载能力，通常没有通风散热的要求。但是，串联型控制器由于开关器件T1是串联在充电回路中，电路的电压损失较大，降低了充电效率，另外，当开关器件T1断开时，输入电压将升高到发电单元开路电压的水平。因此，串联型控制器在设计时要选用低通态内阻的MOSFET和低饱和压降的IGBT，一般适用于1KW以下的光伏发电系统。,（2） 串联控制型,第一节 光伏控制器概述,脉宽调制（PWM）型控制器的主电路与上述的简单接通-断
7、开式（串联型和并联型）控制器基本一致，只是开关器件一般选用功率场效应管（MOSFET），不能用继电器，控制方式与简单接通-断开式控制器大不相同。它是以脉冲方式开关光伏组件的输入，对蓄电池进行脉冲充电，随着蓄电池的充电状态，电流会相应地发生变化，符合蓄电池对充电过程的要求，能够有效地消除极化，有利于完全恢复蓄电池的电量，如下图。比简单接通-断开式控制器的充电效率提高15%左右，并延长蓄电池的总循环寿命。,（3） 脉宽调制型控制器,第一节 光伏控制器概述,在PWM型控制器中，比较器IC从正端输入调制波，从负端输入蓄电池的直流采样电压，在比较器的输出端形成一组脉冲调制波，用这组脉冲控制开关器件的导通
8、时间，达到控制充电电流的目的。当蓄电池趋向充满时，其端电压的逐渐升高，就调制脉冲的宽度变窄，使导通时间缩短，减少充电电流；而当蓄电池的电压下降时，充电电流又会逐渐增大。这种充电过程使得充电脉冲的平均充电电流的瞬时变化更加符合蓄电池当前的荷电状态。 PWM型控制器的充电方式为三阶段充电式，包括均衡充电、快速充电和浮充电。蓄电池没有发生过放电，正常工作时采用浮充电，可以有效防止过充电，减少水分的散失；当蓄电池的放电深度超过70%，则实施一次快速充电，有利于完全恢复蓄电池的容量；当蓄电池的放电深度超过40%，则实施一次均衡充电，不但有利于完全恢复蓄电池的容量，轻微的放气还能够起到搅拌作用，防止蓄电池
9、内电解液的分层。PWM型控制器充电方式合理、效率高。 脉宽调制充电保护电路以并联型保护电路方式为主，采用这种电路的优点是既能保护蓄电池，又能充分利用能量。PWM型控制器常用于大型光伏发电系统。其缺点是脉宽调制控制器自身带来一定的开关损耗(大约4一8)。,（3） 脉宽调制型控制器,第一节 光伏控制器概述,（4） 多路控制型控制器 多路控制型控制器的工作原理，如下图。它是将光伏阵列分成多个支路接入控制器，一般适用于10kW以上的大功率光伏发电系统。当蓄电池电压达到过充电保护点时，控制器将光伏阵列逐路断开；当蓄电池电压回落到过放电恢复点时，控制器将光伏阵列逐路接通，实现对蓄电池组充电电压和电流的调节
10、。,这种控制方式属于增量控制法，可以近似达到脉宽调制控制器的效果，路数越多增幅越小，越接近线性调节。但是路数越多，成本也越高，因此综合考虑控制效果和控制成本将光伏阵列分成多路对蓄电池组进行充电。,第一节 光伏控制器概述,（5） 智能型充放电控制器 智能型控制器的主电路同其他控制器一样，可以是并联型、串联型、脉冲调制型和多路型。它采用高速CPU或MCU等微处理器（如Intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）和高精度A/D模数转换器构成一个微机数据采集和监测控制系统，既可以对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离/
11、接通控制。,第二节 光伏控制器概述,（5） 智能型充放电控制器 对中、大型光伏发电系统，还可通过单片机的RS232接口配合MODEM调制解调器进行远距离控制。又可详细积累光伏发电系统的历史数据，为评估光伏发电系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供准确而充分的依据。 此外，智能型控制器还具有串行通信数据传输功能可将多个光伏发电系统子站进行集中管理和远距离控制。智能型控制器的充电控制采用强充、递减、浮充自动轮换的方法，依据蓄电池组端电压的变化趋势自动调整充电电流，或控制多路光伏阵列依次接通或切离，既充分利用了宝贵的光伏组件资源，又保证了蓄电池组安全而可靠的工作。,第一节 光伏控制器概述,（
12、6） 最大功率跟踪型控制器 如果不采取任何措施，而直接利用光伏阵列短路实现对蓄电池的充电，则很难保证光伏阵列始终工作在最大功率点附近。但是，MPPT型控制器一般是将充电控制的主电路改造为直流直流(DC/DC)变换电路结构，通过DC/DC变换电路的PWM控制实现充电回路的电压隔离，使得DC/DC变换电路光伏组件侧的电压维持在最大功率点电压，而DC/DC变换电路蓄电池侧的电压符合蓄电池充电特性曲线的电压值，如下图。这样，无论太阳辐射强度、温度和负载特性如何变化，能够有效控制光伏阵列的输出，始终使光伏阵列工作在最大功率点，提高光伏阵列的输出功率，为蓄电池储存更多电能创造了条件。,第二节 最大功率点跟踪,在一定的光照强度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，即光伏阵列输出功率随着光照强度、环境温度以及输出电压不同而变化，但是在某一光照强度和环境温度下只有一个最大功率点(MPP)，如图所示。因此不断的根据外界不同的光照强度、环境温度等特性调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点处，叫做最大功率点跟踪技术。,第二节 最大功率点跟踪,为了实现对光伏电池板的最大功率点的跟踪，首先需要明白电路何时处于最大功率输出的工作状态。简单的线性电路模型见下图。,第一节 最大功率点跟踪,第一节 最大功率点跟踪,Thank you!,
