阶梯逐级限流太阳能控制器的研制.doc

阶梯逐级限流太阳能控制器的研制王志鹏1，陈瑞霞2，王振华1，周俊华1（1. 许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2. 郑州大学西亚斯国际学院，河南 郑州 451150）摘 要：开发了一种太阳能控制器，充电模式采用阶梯逐级限流控制方式，各充电回路电压检测具有“回差”控制功能，可防止开关进入振荡状态。该模式能够根据蓄电池的电量自动调整充电电流的大小，既满足了蓄电池的充电电流-电压规律，又能控制蓄电池不过充和过放，具有可靠性高、无纹波、适合任何控制对象等优点。所开发的系统已通过中试和型式试验，目前运行稳定，系统额定电压48V，4路充电控制回路，每支充电回路的额定充电电流15A，回路压降小于0.13V。关键词：太阳能电池组件；阶梯逐级限流；回差控制中图分类号：TM615 文献标识码：ADevelopment of photovoltaic controller with the function of stage-by-stage current-limitingWANG Zhi-peng1，CHEN Rui-xia2，WANG Zhen-hua1，ZHOU Jun-hua1（1. XJ Electric Co.,Ltd，Xuchang Henan 461000，China；2. Sias International University, Zhengzhou Henan 451150，China）Abstract：A solar controller based on the control mode of stage-by-stage current-limiting，using hysteresis control for each charge circuit by detecting voltage to prevent the switch from oscillation，is developed. This control mode with advantages of high reliability，non-ripple and applicable to any object is able to adjust the charge current automatically according to battery capacity，complied with the current-voltage rule and prevent battery from overcharge and overdischarge. This developed system with 48V rated voltage has four charge circuits，each of which has 15A rated charge current and less than 0.13V voltage drop，passed through pilotscale experiment and type test.Keywords: photovoltaic module；stage-by-stage current-limiting；hysteresis control太阳能控制器是连接太阳能电池方阵、各种用电设施和蓄电池组的控制中心，通过对系统输入输出功率的调节与分配，实现太阳能光伏系统的各种控制功能。太阳能组件在光照一定的情况下可近似为一个恒流源，若对蓄电池直接充电，则相当于恒流充电。在充电后期若充电电流仍不变，这时由于大部分电流用于电解水，电解液析出气泡过多而显沸腾状，这不仅消耗电能，而且容易使极板上的活性物质大量脱落，温度过高，造成极板弯曲，蓄电池容量迅速下降而提前报废。许多具有最大功率点跟踪（MPPT）功能的太阳能控制器15虽然能实现最大功率跟踪，但大多局限于较小电流充电（10A以下），因为充电电流越大，选择合适电感的困难就越大，而电感不能选择过大，充电电流必然存在纹波，且电感值越小，纹波越大。控制器不但应当具备良好的充电控制器功能，而且还要具备各种保护功能，如反向放电保护和极性反接保护。因此，为了提高控制器的性能，必须依据蓄电池和太阳能电池的具体特性合理地设计充电电路和实施充电算法。1 电路原理非MPPT充电回路6通常采用防反二极管串联，用一个MOSFET管作为控制开关，虽然此方法设计简单，能够利用二极管串联实现反向放电保护和极性反接保护功能，但缺点是：在正常充电的情况下，防反二极管上将产生功耗，不但加大了充电回路压降（太阳能电池组件与蓄电池之间的电压），而且如果充电电流比较大，还需要增加散热片以防止二极管长期过热而烧坏。为了克服上述缺点，可以采用防反二极管与太阳能电池组件反向并联，两个共栅源极串联的N沟道MOSFET管作为充电控制开关。本设计的阶梯逐级限流太阳能控制器采用共正极控制方式，即n路太阳能电池组件的正极与蓄电池的正极相连，利用电流霍尔传感器对共正极母线电流进行采样，n路太阳能电池组件的负极分别通过两个共栅源极串联的MOSFET管与蓄电池的负极连接。因为n路充电控制回路工作原理相同，为了简化，以其中一路充电控制回路做扼要说明，电路原理图如图1所示。图1 充电控制回路原理图1.1 充放电控制太阳能电池组件与蓄电池通过MOSFET管Q1、Q2构成充电回路，使用电压霍尔传感器检测太阳能电池组件的电压，利用电流霍尔传感器检测共正极母线电流，采用串联电阻分压检测蓄电池电压。当太阳能电池组件的电压大于启动充电电压时，则认为天亮；当母线电流为零时，则认为天黑；根据蓄电池电压的大小，来决定充电回路的通断。当给Q1和Q2施加驱动信号时，Q1和Q2导通，太阳能电池组件对蓄电池充电；当Q1和Q2无驱动信号时，Q1和Q2截止，停止充电。电容C1的作用是滤波，压敏电阻TZR1用来吸收浪涌电流。为了保证Q1和Q2不被损坏，增加稳压二极管WZ1和由电阻R1、电容C2和二极管D2构成的RCD吸收电路。在负载额定电流较大情况下，若采用MOSFET管控制，将产生较大功耗，且需要散热片，本控制器采用磁保持继电器控制负载。为了保护蓄电池和负载，当蓄电池电压小于设定的过放保护点或大于负载过压保护点时，使继电器开关S1断开，等待蓄电池电压大于设定的过放恢复点或小于负载过压恢复点时，再使继电器开关S1闭合。由于磁保持继电器动作后不再耗电，可降低系统静态功耗。因为负载电流较大，继电器断开时会产生明显的拉弧现象，需要加入由电阻R2、电容C3、二极管D3构成的RCD吸收电路用来灭弧。1.2 反向放电保护由于MOSFET管Q1和Q2共栅源极串联，当Q1和Q2无驱动信号均截止时，在夜间蓄电池无法通过太阳能电池组件反向放电。当Q1和Q2施加驱动信号均导通时，在白天太阳能电池组件给蓄电池充电，充电回路压降（太阳能电池组件与蓄电池之间的电压）只有两个MOSFET管的导通电压，比传统的充电回路减少了一个二极管的压降和功耗，提高了充电效率。1.3 极性反接保护因为MOSFET管的反向击穿电压UDSS越高则体积越大、成本越高，所以Q1和Q2选型时其UDSS为蓄电池电压Ub的1.5倍即可（UDSS=1.5Ub）。控制器的正确接线顺序应先接蓄电池，再接太阳能电池组件。当蓄电池反接时，蜂鸣器报警，由于UbUDSS，所以MOSFET管不会被击穿。蓄电池正确连接后，如果没有D1，当太阳能电池组件反接时，施加到Q1上的电压U为蓄电池电压Ub与太阳能电池组件的开路电压UPV（UPV=1.8Ub）之和，即U=Ub+UPV=2.8Ub1.86UDSS，故Q1将被击穿。采用二极管D1与太阳能电池组件反向并联，当太阳能组件反接时，D1将太阳能电池组件短路，施加到Q1上的电压U为蓄电池电压与二极管D1的导通电压Ud（1V左右）之和，即U=Ub+UdUDSS，Q1不能被击穿，故起到极性反接保护功能。根据太阳能电池的特性可知，其短路电流比正常工作电流大10%左右，所以太阳能电池组件反接不会对二极管D1造成损坏。2 充电算法本设计采用阶梯逐级限流控制方式，依据蓄电池端电压的变化趋势自动控制n路太阳能电池组件的依次接通或切离，实现蓄电池的安全快速充电功能。蓄电池在充电初期采用较大电流，经过一段时间改用较小的电流，到充电后期改用更小的电流，即不同阶段以不同的电流进行恒流充电。充电控制流程图如图2所示，其中：flag1为启动充电标志，等于零表示天黑未充电，等于1表示天亮正在充电中；flag2为充电进行中标志，等于1表示有充电回路正在充电中，等于零表示所有充电回路断开；Ic为所有n路太阳能电池组件的总充电电流；Ub为蓄电池电压；Ui为第i路关断电压；Upv为第1路太阳能电池组件电压，用来检测是否天亮，作为开始充电的判断条件；Us为启动充电电压； PVi代表第i路充电回路；h为充电滞回百分比。图2 充电控制流程图控制器上电后首先进行初始化，将标志位清零，使所有n路充电回路禁止充电。在主循环控制中，首先不断检测第1路太阳能电池电压Upv，当Upv大于启动充电电压Us后，则认为是天亮，使能所有n路充电回路进行充电，此后，通过不断检测蓄电池电压Ub来判断第i（i=1，2，n）路充电回路是否关断。当蓄电池电压大于第i路关断电压时，第i路充电回路关断；当蓄电池电压小于第i路关断电压时，第i路充电回路接通。为了防止夜间蓄电池通过太阳能电池组件反向放电，在启动充电后，Upv不能再用来判断是否天黑，应选择充电电流作为判断条件，当总充电电流Ic等于零时，则认为已经天黑，断开所有充电回路，以防止夜间蓄电池对太阳能电池组件反向放电。在第i路充电回路禁止充电后，充电电流减小，蓄电池电压会下降，由于蓄电池电压小于第i路关断电压，则第i路充电回路重新接通，充电电流又变大，蓄电池电压则上升且会再次因大于第i路关断电压而关断第i路充电回路，如此往复，故第i路充电回路开关进入振荡状态。为了防止充电回路开关进入振荡状态，各充电回路电压检测应具有“回差”控制功能，当第i路充电回路关断后，只要蓄电池电压下降幅值小于hUi，则第i路充电回路不再重新接通；只有当蓄电池电压下降幅值大于hUi时，第i路充电回路才重新接通。根据蓄电池特性和充电回路的多少不同，h的取值范围为3%6%，Ui的取值范围为53.2V56.4V之间（取值间隔为0.5V左右，且UiUi+1）。3 结 论充电回路的多少，应根据控制器的功率大小确定，同等电压等级下，功率越大则充电电流越大，应适当增加充电回路，理论上是充电回路越多越好，但应根据实际工程配置情况和电路结构综合考虑。经测试，本设计的蓄电池额定电压为48V，采用的4路充电回路结构，每路充电回路的最大充电电流为15A，充电回路压降小于0.13V。采用的阶梯逐级限流充电法所需的充电时间短，充电效果也好。由于充电后去改用较小的电流充电，这样减少了气泡对极板活性物质的冲刷，减少了活性物质的脱落。这种充电方法能够延长蓄电池的使用寿命，并节省电能，充电彻底，且无纹波。参考文献：1 王超，张映红一种基于Atmega16智能太阳能充电器的设计方案J.电源技术，2012，36( 5 ):690-6922 吴理博，赵争鸣，刘建政用于太阳能照明系统的智能控制器J.清华大学学报(自