何道清《太阳能光伏发电系统原理与应用技术》第5章控制器

1、第5章 光伏控制器,何 道 清 编制 2011.12,第5章 光伏控制器,光伏控制器,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，实现控制作 用。 基本作用：保护蓄电池 ；平衡光伏系统能量 ；显示系统 工作状态 。,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

2、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。,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： 启动型铅酸电池：充满断开为15.015.2V，恢复连接 为13.7V； 固定型铅酸电池：充满断开为14.815.0V，恢复连接 为13.5V； 密封型铅酸电池：充满断开为14.114.5V，恢复连接 为13.2V。 （2）

3、具有对蓄电池充放电管理和最优充电控制功能。,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(35)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

4、动断开负载。,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。,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。,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

5、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2.452.5V/单 体（固定式铅酸蓄电池）和2.32.35V/单体（阀控密封式 铅酸蓄电池）。,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

6、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(35) 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35mV；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35mV。,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5-2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。

7、标志蓄电池已接近放电终 了，应立即停止放电。,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1.751.8V/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1.781.82V/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”。,5.2 光伏控制器的基本原理,3.蓄电池剩余

8、容量控制法 蓄电池的使用寿命受其荷电状态影响极大。,图5-3蓄电池循环寿命与 放电深度（DOD）的关系,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=1DOD)，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

9、关系复杂； 内阻法，必须测出蓄电池的内阻容量曲线。,5.2 光伏控制器的基本原理,3.蓄电池剩余容量控制法 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。 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。,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,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

10、。 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。 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。,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 不均衡情况。 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

11、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。,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。,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。,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

12、： 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。,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

13、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。,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

14、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。,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

15、高几 摄氏度）。因此，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。,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

16、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。,5.3 蓄电池充、放电技术,（4）极化电压控制 通常情况下VRLA蓄电池的极化电压出现在蓄电池刚好充 满后，一般在50100mV数量级，测量每个单格VRLA蓄电 池的极化电压，对充电过程进行控制，可使每个VRLA蓄电 池都充电到它本身所要求的程度。优点表现在： 不需温度补偿； 蓄电池不需连续浮充电，蓄电池间连线腐蚀减少； 不同型号和使用情况不同的蓄电池可构成一组使用； 可以随意添加VRLA蓄电池以便扩容； 可使VRLA蓄电池的使用寿命接近或达

17、到设计寿命。,5.3 蓄电池充、放电技术,VRLA蓄电池充电技术的改进，有利于缩短充电时间、提 高利用效率、延长使用寿命、降低能耗、减少环境污染， 具有良好的经济效益和社会效益。 脉冲充电、脉冲放电去极化充电法是一种较好的快速充 电方法，实现这一方法的最佳装置是高频开关充电电源。 VRLA蓄电池充放电的时间、速度、程度等都会对VRLA 蓄电池的充电效率和使用寿命产生严重影响，因此在对 VRLA蓄电池进行充、放电时，必须遵循以下原则： 避免VRLA蓄电池充电过量或充电不足； 控制放电电流值； 避免深度放电； 注意环境温度的影响。,5.3 蓄电池充、放电技术,5.3.3 VRLA蓄电池温度补偿技术

18、 1.影响VRLA蓄电池容量的两个重要因素 （1）温度 环境温度的升高，虽使容量有所增加，但高温又使VRLA 蓄电池板栅腐蚀剧增，严重地阻碍着电极反应，降低了容 量的增加。 （2）浮充电压 VRLA蓄电池浮充电压过高或充电电流过大，会使正极的 析氧量增加，VRLA蓄电池内部压力升高。在形成气泡的过 程中，气压强烈冲击PbO2，使活性物质与板栅结合力变 坏，甚至脱落。 温度和浮充电压的变化都给VRLA蓄电池带来严重危害。,5.3 蓄电池充、放电技术,开发和完善蓄电池的温度补偿技术：VRLA蓄电池必须与 具有温度补偿功能的智能开关式充电电源配套使用，以提 高VRLA蓄电池的可靠运行水平。 当采用V

19、RLA蓄电池温度补偿功能后，浮充电压和均衡电 压都按照以下方程式进行修正： Utc= UnTcN(T20) (5-1) 式中， Utc为经温度补偿后的电压；Un为未经补偿的电压； Tc为设置的温度补偿系数（单位为用mV/）；N为每组 VRLA蓄电池的数值，对于48V系统N为24，24V系统N为 12；T为温度传感器指示的温度(单位为)。,5.3 蓄电池充、放电技术,2. VRLA蓄电池充电管理方法 由于不同公司生产的VRLA蓄电池充电特性、温度补偿 系数值不同，因此，在充电器的设计上要求也有所不同： 在充电器的EEPROM中，存储了常用厂家VRLA蓄电池品 牌的均充电压、浮充电压、最大充电电流

20、值和温度补偿系 数等数据，以便调整使用。如果环境温度变化较大，需用 温度补偿系数进行补偿(3mV/)，以调整充电电压值。不 同环境温度的浮充电压值见表5-2。,表5-2 不同环境温度的浮充电压值,5.4 光伏控制器的电路原理,5.4.1光伏控制器的分类 光伏控制器按电路方式的不同分为并联型、串联型、脉 宽调制型、多路控制型、两阶段双电压控制型和最大功率 跟踪型；按电池组件输入功率和负载功率的不同可分为小 功率型、中功率型、大功率型及专用控制器（如草坪灯控 制器）等；按放电过程控制方式的不同，可分为常规过放 电控制型和剩余电量（SOC）放电全过程控制型。对于应 附带有自动数据采集、数据显示和远程

21、通信功能的控制 器，称之为智能控制器。,5.4 光伏控制器的电路原理,5.4.2光伏控制器的电路原理 光伏控制器通过检测蓄电池在充放电过程中的电压或荷 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，实现控制作用。,5.4 光伏控制器的电路原理,1.光伏控制器的基本电路 原理框图如图5-6所示。主要由太阳能电池组件、控制电 路及控制开关、蓄电池和负载组成。,图5-6 光伏控制器基本电路框图,5.4 光伏控制器的电路原理,2.并联型控制器电路原理 图5-7是单路并联型充放电控制器电路原理图。VD1是防 反充电二极管，VD2是防反接二极管，

22、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是泄荷负载。,图5-7 单路并联型充放电控制器电路原理图,5.4 光伏控制器的电路原理,3.串联型控制器电路原理 单路串联型充放电原理如图5-8所示。 串联型控制器T1是串联在充电回路中。当蓄电池电压大 于充满切断电压时，断开，太阳电池不会对蓄电池充电， 起到过充电保护作用。,图5-8 单路串联型控制器电路原理图,5.4 光伏控制器的电路原理,检测控制电路图： 对蓄电池的电压随时进行取样检测，并根据检测结果利 用带回差控制的运算放大器与充电、过放基准电压比较， 向过充电、过放电开关器件发出接通或关断的

23、控制信号。,图5-9 单路串联型控制器电路原理图,5.4 光伏控制器的电路原理,4.PWM控制器电路原理 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。,图5-10 脉宽调制型(PWM)控制器电路原理图,5.4 光伏控制器的电路原理,5.多路控制器电路原理 多路控制器一般用于kW级以上的大功率光伏发电系统， 将太阳能电池方阵分成多个支路接入控制器按顺序控制。,图5-11 多路控制器的电路原理图,5.4 光伏控制器的电路原理,6.智能控制器电路原理 智能型控制

24、器采用CPU或MCU等微处理器对太阳能光伏 发电系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控 制规律由单片机内设计的程序对单路或多路光伏组件进行 切断与接通的智能控制。,图5-12 智能型控制器电路原理图,5.4 光伏控制器的电路原理,7.最大功率点跟踪型控制器 太阳能电池方阵的最大功率点会随着太阳辐照度和温度 的变化而变化，而太阳能电池方阵的工作点也会随着负载 电压的变化而变化，如图5-13所示,图5-13最大功率跟踪控制,5.4 光伏控制器的电路原理,最大功率点跟踪型控制器的原理是将太阳能电池方阵的 电压和电流检测后相乘得到的功率，判断太阳能电池方阵 此时的输出功率是否达到最大，若不在最

25、大功率点运行， 则调整脉冲宽度、调制输出占空比、改变充电电流，再次 进行实时采样，并做出是否改变占空比的判断。 最大功率跟踪型控制器的作用：通过直流变换电路和寻 优跟踪控制程序，无论太阳辐照度、温度和负载特性如何 变化，始终使太阳能电池方阵工作在最大功率点附近，充 分发挥太阳能电池方阵的效能，这种方法被称为“最大功 率点跟踪”，即MPPT (Maximum Power Point Tracking)。 同时，采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以 减少蓄电池的极化，提高充电效率。,5.4 光伏控制器的电路原理,从图5-13所示太阳能电池阵列的P-U曲线可以看出，曲线 以最大功率点处为界

26、，分为左右两侧。当太阳能电池工作 在最大功率点电压右边的D点时，因离最大功率点较远，可 以将电压值调小，即功率增加；当太阳能电池工作在最大 功率点电压左边时，若电压值较小，为了获得最大功率， 可以将电压值调大。,5.4 光伏控制器的电路原理,太阳能电池组件的光电流与辐照度（1001000W/m2） 成正比；在温度固定的条件下，当辐照度在4001000 W/m2范围内变化，太阳能电池组件的开路电压基本保持恒 定。因此，太阳能电池组件的功率与辐照度也基本成正 比，如图5-14所示。,图5-14 辐照度对光电流、光 电压和组件峰值功率的影响,5.4 光伏控制器的电路原理,恒压控制法（ CVT） 从图

27、5-14可知，太阳能电池组件的最大功率点随太阳辐 照度的变化呈现一条垂直线，即保持在同一电压水平上。 因此，可以采用恒压控制(Constant Voltage Tracking， CVT)来代替最大功率点跟踪(MPPT)，这种方办法只需要 保证太阳能电池方阵的恒压输出即可，大大简化了控制系 统，适合大多数光伏发电系统。 环境温度变化较大的场合误差较大。太阳能电池组件最 大功率点随温度变化较大。,5.4 光伏控制器的电路原理,改进恒压控制法 太阳能电池组件最大功率点随温度变化（图5-15 ）。 改进CVT法，即仍然采用恒压控制，但增加温度补偿。 在恒压控制的同时监视太阳能电池组件的结温，对于不同

28、 的结温，调整到相应的恒压控制点即可。,图5-15 温度对太阳能电池 组件最大功率点电压的影响,5.4 光伏控制器的电路原理,太阳能电池作为一种直流电源，与负载的匹配有三种类 型： 电压接受型负载是蓄电池，它是与太阳能电池方阵直 接匹配最好的负载类型。太阳能电池电压随温度的变化大 约只有0.4%/（电压随太阳辐照度的变化就更小），基本 可以满足蓄电池的充电要求。蓄电池充满电压到放电终止 电压的变化大约从25%到10%，如果直接连接，失配损 失大约平均为20%。采用MPPT跟踪控制，将使这样的匹 配损失减少到5%。,5.4 光伏控制器的电路原理,典型的电流接受型负载是带有恒定转矩的机械负载 （如

29、活塞泵）的直流永磁电机。太阳辐照度恒定时太阳能 电池方阵与直流电机有较好的匹配，但当太阳辐照度变化 时，将这类负载直接与太阳能电池方阵连接的失配损失会 很大，因为太阳辐照度与光电流成正比。采用MPPT跟踪 控制将会减小失配损失，有效提高系统的能量传输效率。 纯阻性负载与太阳能电池方阵的直接匹配特性是最差 的。,5.4 光伏控制器的电路原理,实现CVT或MPPT的电路通常采用斩波器来完成直流/直 流变换。斩波器电路分为降压型变换器(BUCK电路)和升压 型变换（BOOST电路）。 （1）BUCK电路 图5-16所示为BUCK电路原理。 BUCK降压斩波电路实际上是一种电流提升电路，主要 用于驱动

30、电流接受型负载。直流变换是通过电感来实现的。,图5-16 BUCK电路原理,5.4 光伏控制器的电路原理,使开关K保持振荡，振荡周期TTonToff，当K接通时 假设Ton时间足够短，Ui和Uo保持恒定，于是 在开关K接通期间，电感储存能量：,5.4 光伏控制器的电路原理,当K断开时，电感通过二极管VD将能量释放到负载， 假设Toff时间足够短，Uo保持恒定，于是 稳态条件可以写成：iL(0)= iL(Ton+Toff)，于是 得到：UoUi。,5.4 光伏控制器的电路原理,因为流过电感的电流iL不可能是负的，连续传导条件为： iL(0)0，于是 得到 图5-17展示了BUCK变换器的输出电流

31、变化。,图5-17 BUCK变换器 的输出电流变化,5.4 光伏控制器的电路原理,对于给定的振荡周期，适当调整Ton就可以调整变换器的 输入电压Ui等于大阳能电池方阵的最大功率点电压。BUCK电路的平均负载电流IL为 BUCK电路中的2只电容器的作用是减少电压波动，从而 使输出电流得到提升并尽可能平滑。,5.4 光伏控制器的电路原理,（2）BOOST电路 图5-18所示为BOOST电路原理。 BOOST升压斩波电路主要用于太阳能电池方阵对蓄电池 充电的电路中。直流变换也是通过电感来实现的。,图5-18 BOOST电路原理,5.4 光伏控制器的电路原理,使开关K保持振荡，振荡周期TTonToff

32、，当K接通时 假设Ui 在Ton时间内保持恒定，电流变化可以写成 在开关K接通期间，电感储存能量：,5.4 光伏控制器的电路原理,当K断开时，电感通过二极管VD将能量释放到负载， 假设Toff时间足够短，使Ui 和Uo保持恒定，于是 稳态条件可以写成：iL(0)= iL(Ton+Toff)，于是 得到：UoUi。 结论：对于给定的振荡周期，适当调整Ton就可以调整变 换器的输入电压Ui，使其处于太阳能电池方阵的最大功率 点电压。,5.4 光伏控制器的电路原理,（3）MPPT控制的实现 无论采用哪一种斩波器(BUCK或BOOST)，都必须要有 闭环电路控制，用于控制开关K的导通和断开，从而使太

33、阳能电池方阵工作在最大功率点附近。 对于CVT或带温度补偿的CVT，只需要将太阳能电池 方阵的工作电压信号反馈到控制电路，控制开关K的导通 时间Ton，使太阳能电池方阵的工作电压始终工作在某一恒 定电压即可。,5.4 光伏控制器的电路原理,（3）MPPT控制的实现 对于为蓄电池充电的BOOST电路，只需要保证充电电 流最大，即可达到使太阳能电池方阵有最大输出的目的， 因此也只需将BOOST电路的输出电流（即蓄电池的充电电 流）信号反馈到控制电路，控制开关K的导通时间Ton，使 BOOST电路具有最大的电流输出即可，如图5-19所示。,图5-19 蓄电池充电 的控制策略,5.4 光伏控制器的电路

34、原理,对于真正的MPPT控制，则需要对太阳能电池方阵的工 作电压和工作电流同时采样，经过乘法运算得到功率数 值，然后通过一系列寻优过程使太阳能电池方阵工作在最 大功率点附近。 无论是最大输出电流跟踪，还是MPPT控制，都要考虑 电路的稳定、抗云雾干扰和误判的问题。 现代电子技术和元器件已经可以使MPPT控制电路的效 率做到95%以上。 控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的 最大功率点附近，以获得最高效率。充电控制通常采用脉 冲宽度调制技术(PWM控制方式)，使整个系统始终运行于 最大功率点Pm附近区域。放电控制主要是指当蓄电池缺电、 系统故障(如蓄电池开路或接反)时切断开关。,5.

35、4 光伏控制器的电路原理,目前研制出了既能跟踪调控点Pm，又能跟踪太阳移动参 数的“向日葵”式控制器，将固定太阳能电池组件的效率 提高了50%左右。随着太阳能光伏产业的发展，控制器的 功能越来越强大，有将传统的控制部分、变换器及监测系 统集成的趋势，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就 集成了上述三种功能。,5.4 光伏控制器的电路原理,8.采用单片机组成的MPPT充放电控制器基本原理 图5-20是一个具有MPPT功能的充放电控制器原理框图，它由自带 A/D转换功能的单片机（MCU）、电压采集电路、电流采集电路、 DC/DC变换电路等组成。从技术上讲主要由单片机及其控制采集软件、 测量电

36、路、DC/DC变换电路三部分组成。,图5-20 采用单片机组成的MPPT充放电控制器原理框图,5.4 光伏控制器的电路原理,DC/DC变换电路 ，直流升（降）压功能(系统匹配) ； 测量电路，主要是DC/DC变换电路的输入侧电压和电 流值、输出侧的电压值，以及温度等测量电路； 单片机及监控软件，常用控制算法有：恒定电压跟踪 法、扰动观察法、增量电导法、标准蓄电池查表法等。,5.4 光伏控制器的电路原理,.基于UC3906的蓄电池充电器 UC3906作为VRLA蓄电池充电专用芯片，具有实现 VRLA蓄电池最佳充电所需的全部控制和检测功能。更重要 的是它能使充电器各种转换电压随VRLA蓄电池电压温

37、度系 数的变化而变化，从而使VRLA蓄电池在很宽的温度范围内 都能达到最佳充电状态。,5.4 光伏控制器的电路原理,（1） UC39006的结构和特性,5.4 光伏控制器的电路原理,（2）充电参数的确定 VRLA蓄电池的一个充电周期按时间可分为三种状态： 大电流快速充电状态，过充电状态和浮充电状态。 UOC=UREF(1RA/RBRA/RC) UF=UREF(1 RA/RB) Imax=0.25V/Rs IOCT=0.025V/Rs,5.4 光伏控制器的电路原理,（3）实际应用电路 VRLA电池的额定电压为12V，容量为7Ah，Ui18， UF13.8，Uoc15，Imax500A，Ioct5

38、0A。,5.4 光伏控制器的电路原理,10. 太阳能草坪灯控制电路 当白天太阳光照射在太阳能电池上时,太阳能电池将光能 转变为电能并通过控制电路将电能存储在蓄电池中。天黑 后，蓄电池中的电能通过控制电路为草坪灯的LED光源供 电。第二天早晨天亮时,蓄电池停止为光源供电,草坪灯熄灭, 太阳能电池继续为蓄电池充电,周而复始、循环工作。,图5-24 太阳能草坪灯控制电路原理（一）,5.4 光伏控制器的电路原理,具有防止蓄电池过度放电的控制电路:VT3、VT4、L、C1 和R5组成互补振荡升压电路，蓄电池电压降到0.70.8V时， 该电路将停止振荡。稍作改进，VD2的接入，使VT3进入放 大区的电压叠

39、加了0.2V左右，使得整个电路在蓄电池电压 降到0.91.0V时停止工作 。,(a) (b) 图5-24 太阳能草坪灯控制电路原理（二）,5.5 光伏控制器的选用,5.5.1光伏控制器的主要性能特点 1.小功率光伏控制器 （1）小功率控制器都采用低功耗、长寿命的MOSFET场 效应管等电子开关元件作为控制器的主要开关器件。 （2）运用脉冲宽度调制（PWM）控制技术对蓄电池进 行快速充电和浮充充电，使太阳能发电能量得以充分利用。 （3）具有单路、双路负载输出和多种工作模式。 （4）具有多种保护功能，包括蓄电池和太阳能电池接反、 蓄电池开路、蓄电池过充电和过放电、负载过压、夜间防 反充电、控制器温

40、度过高等多种保护。 （5）用LED指示灯对工作状态、充电状况、蓄电池电量 等进行显示。 （6）具有温度补偿功能。,5.5 光伏控制器的选用,2.中功率光伏控制器 （1）采用LCD液晶屏显示工作状态和充放电等各种重要 信息：如电池电压、充电电流和放电电流、工作模式、系 统参数、系统状态等。 （2）具有自动/手动/夜间工作方式切换功能。 （3）具有蓄电池过充电、过放电、输出过载、过压、温 度过高等多种保护功能。 （4）具有浮充电压的温度补偿功能。 （5）具有快速充电功能。 （6）中功率光伏控制器同样具有普通充/放电工作模式 (即不受光控和时控的工作模式)、光控开/光控关工作模式、 光控开/时控关工

41、作模式等。,5.5 光伏控制器的选用,3.大功率光伏控制器 （1）具有LCD液晶点阵模块显示，可根据不同的场合通 过编程任意设定、调整充放电参数及温度补偿系数，具有 中文操作菜单，方便用户调整。 （2）可适应不同场合的特殊要求，可避免各路充电开关 同时开启和关断时引起的振荡。 （3）可通过LED指示灯显示各路光伏充电状况和负载通 断状况。 （4）有118路太阳能电池输入控制电路，控制电路与主 电路完全隔离，具有极高的抗干扰能力。 （5）具有电量累计功能，可实时显示蓄电池电压、负载 电流、充电电流、光伏电流、蓄电池温度、累计光伏发电 量（单位：安时或瓦时）、累计负载用电量（单位：瓦时） 等参数。

42、,5.5 光伏控制器的选用,3.大功率光伏控制器 （6）具有历史数据统计显示功能，如过充电次数、过放 电次数、过载次数、短路次数等。 （7）用户可分别设置蓄电池过充电保护和过放电保护时 负载的通断状态。 （8）各路充电电压检测具有“回差”控制功能，可防止 开关器件进入振荡状态。 （9）具有蓄电池过充电、过放电、输出过载、短路、浪 涌、太阳能电池接反或短路、蓄电池接反、夜间防反充等 一系列报警和保护功能。 （10）可根据系统要求提供发电机或备用电源启动电路 所需的无源干节点。,5.5 光伏控制器的选用,3.大功率光伏控制器 （11）配接有RS232/485接口，便于远程遥信、遥控；PC 监控软件

43、可测实时数据、报警信息显示、修改控制参数， 读取30天的每天蓄电池最高电压、蓄电池最低电压、每天 光伏发电量累计和每天负载用电量累计等历史数据。 （12）参数设置具有密码保护功能且用户可修改密码。 （13）具有过压、欠压、过载、短路等保护报警功能。 具有多路无源输出的报警或控制接点，包括蓄电池过充电、 蓄电池过放电、其它发电设备启动控制、负载断开、控制 器故障、水淹报警等。,5.5 光伏控制器的选用,3.大功率光伏控制器 （14）工作模式可分为普通充/放电工作模式（阶梯型逐 级限流模式）和一点式充/放电模式（PWM工作模式）选择 设定。其中一点式充/放电模式分4个充电阶段，控制更精 确，更好地

44、保护蓄电池不被过充电，对太阳能予以充分利 用。 （15）具有不掉电实时时钟功能，可显示和设置时钟。 （16）具有雷电防护功能和温度补偿功能。,5.5 光伏控制器的选用,5.5.2 光伏控制器的主要技术参数 1.系统电压 系统电压也叫额定工作电压，是指光伏发电系统的直流 工作电压，电压一般为12V和24V，中、大功率控制器也有 48V、110V、220V等。 2.最大充电电流 最大充电电流是指太阳能电池组件或方阵输出的最大电 流，根据功率大小分为5A、6A、8A、10A、12A、15A、 20A、30A、40A、50A、70A、100A、150A、200A、 250A、300A等多种规格。有些厂

45、家用太阳能电池组件最大 功率来表示，间接地体现了最大充电电流这一技术参数。,5.5 光伏控制器的选用,3.太阳能电池方阵输入路数 小功率光伏控制器一般都是单路输入，而大功率光伏控 制器都是由太阳能电池方阵多路输入，一般大功率光伏控 制器可输入6路，最多的可接入12路、18路。 4.电路自身损耗 控制器的电路自身损耗也是其主要技术参数之一，也叫 空载损耗（静态电流）或最大自消耗电流。为了降低控制 器的损耗，提高光伏电源的使用效率，控制器的电路自身 损耗要尽可能低。控制器的最大自身损耗不得超过其额定 充电电流的1%或0.4W。根据电路不同自身损耗一般为 520mA。,5.5 光伏控制器的选用,5.蓄电池过充电保护电压（HVD） 蓄电池过充电保护电压也叫充满断开或过压关断电压， 一般可根据需要及蓄电池类型的不同，设定在14.114.5V （12V系统）、28.229V（24V系统）和56.458V（48V系 统）之间，典型值分别为14.4V、28.