獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器設計與應用

孟德明

摘 要：因為科技水平不高的限制，光伏發(fā)電的成本過高等原因的阻礙，長期以往，在對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行應用的效果上都不令人滿意，這就使其在很大程度上的提升與發(fā)展受到影響。所以，為了促進光伏發(fā)電能夠更好的提升和發(fā)展，促進光伏發(fā)電技術的提升，很多人對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制器進行了改善，這對于光伏技術的發(fā)展來說具有非常重要的價值。本文首先介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的種類，之后闡述了獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)充電控制器的工作原理和應用。

關鍵詞：獨立光伏；發(fā)電系統(tǒng)；控制器；類型；設計與應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.176

0 引言

到了二十一世紀，全球的資源越來越呈現出短缺的狀況，且越來越嚴重，已經成了全球性的問題，于是世界上每個國家都開始提出對環(huán)境進行保護，對資源進行節(jié)約的發(fā)展戰(zhàn)略，并由此對于可再生能源的利用和開發(fā)進行大力的倡導。在如此之多的可再生資源當中，最為具有代表且最具有開發(fā)和利用價值的就是太陽能。世界上很多國家對于太陽能的利用和開發(fā)也都進行了研究，更是獲得了較好的成效，其中效果最好，最為成功，且廣泛應用到了多個行業(yè)中的研究當屬光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計。然而，因為科技水平不高的限制，光伏發(fā)電的成本過高等原因的阻礙，長期以往，在對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行應用的效果上都不令人滿意，這就使其在很大程度上的提升與發(fā)展受到影響。所以，為了促進光伏發(fā)電能夠更好的提升和發(fā)展，促進光伏發(fā)電技術的提升，很多人對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制器進行了改善，這對于光伏技術的發(fā)展來說具有非常重要的價值。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹

光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過控制器，將太陽能光伏電池所產生的那些穩(wěn)定性較差電能直變成穩(wěn)定性較好的交流電能的系統(tǒng)。根據應用的場合不同，可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)分成三個類別，分別為獨立式、并網式，以及混合式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.1 獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常包括光伏陣列、鉛酸蓄電池組、直流/交流變換器、離網型逆變器以及負載等。由于未和電網進行并聯(lián)，故而叫做獨立或是離網系統(tǒng)，需要蓄電池組對光伏陣列出現的多余電能進行存儲，當如光照不夠或是根本沒有光照時，蓄電池就可以放電，對負載進行補足進而供應電能。獨立式光伏系統(tǒng)通常都是在游牧民族或是山區(qū)應用，因為在這些區(qū)域很難講電網進行相連。另外，獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)還在衛(wèi)星廣播電視、移動通信基站等區(qū)域應用的較為廣泛。其構成見圖1。

1.2 并網式光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網光伏發(fā)電系統(tǒng)指的是把電網和發(fā)電系統(tǒng)進行并聯(lián)，通常包括直流、交流變換器、光伏陣列以及負載和并網型逆變器等部分。因為和電網進行并聯(lián)，發(fā)電系統(tǒng)就沒有必要利用蓄電池對多余的電能進行存儲，而是利用并網逆變器把電能和電網進行連接，發(fā)電系統(tǒng)則是成了電網的輔助。在這個系統(tǒng)當中，核心是并網逆變器，為確保在進行并網時，不會給電網造成干擾，并網逆變器一定要和電網保持在同一個頻率，相同相位的交流電。

1.3 混合式光伏發(fā)電系統(tǒng)

和獨立式和并網式光伏發(fā)電系統(tǒng)比較，混合式光伏發(fā)電系統(tǒng)多了一組發(fā)電機，如果太陽照射不夠，或者是嚴重超過負載時，系統(tǒng)就不能供給需要的電能，這時對發(fā)電機組進行啟動，就可以給系統(tǒng)構建一個供電的保障。

2 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)充電控制器的設計和應用

2.1 整體設計原理

通常來看， 光伏充電系統(tǒng)不僅包括太陽能電池板、逆變器、蓄電池組，同時還包括控制器和充電控制器等構成部分。光伏陣列把太陽能轉變成直流電能，再將其連接到充電控制器，通過最大功率進行跟蹤以后，再利用控制器給蓄電池組充電，或者將其連接到逆變器的直流輸入端，還能夠對其提供外部直流負載。在逆變器的里面，當直流實現了到交流的轉換以后，輸出供交流負載，具體見圖 2。

2.2 獨立光伏充電控制器的重要作用

在光伏發(fā)電系統(tǒng)里，因為具有特殊的應用場合，光伏充電控制器一定要與光伏發(fā)電系統(tǒng)的特征相吻合，所以光伏充電控制器應該具有以下作用：

（1）對光伏陣列進行最大功率的跟蹤。因為受到不斷變化的外界環(huán)境影響，為了能夠在最大程度上對光伏陣列所輸出的電能進行利用，進而完成對充電系統(tǒng)進行最大的功率輸出，就要使充電控制器跟蹤光伏陣列的最大功率點。

（2）完成快速智能充電的目的。因為在光伏發(fā)電系統(tǒng)里，所輸入的電能缺少穩(wěn)定性，所以在其系統(tǒng)當中，為了可以使負載的需求得到滿足，如果光伏陣列所輸入的電能不夠時，就需要蓄電池對其進行放電補充，如果光伏陣列所輸入的電能足夠時，就要給電池充電。所以，當蓄電池處在不斷的進行充放電的狀態(tài)時，系統(tǒng)就能夠結合其容量以及所處的放電狀態(tài)，處在不同的充電狀態(tài)中，進而實現對蓄電池進行快速智能充電的作用。

（3）對蓄電池起到保護作用。為了避免對蓄電池進行過度的充放電，利用浮充電實現修復蓄電池的目的，進而實現對蓄電池進行保護的作用，從而使蓄電池的使用壽命得以延長。

（4）通信作用。光伏充電控制器可以實現和光伏發(fā)電系統(tǒng)主控制器通信的作用，不但能夠實現對電流、電壓進行充電，還可以實現蓄電池容量、充電狀態(tài)等，對充電控制器的輸出進行調配，進而確保其工作的狀態(tài)。

（5）起到指示和報警的作用。結合充電控制器的所處的工作狀態(tài)不同，光伏充電控制器利用LED燈起到指示和報警的作用，當其是在最大功率進行充電時，顯示的單燈亮；當處在充電充電時就會顯示雙燈亮；如果是進行浮充電時，就會顯示三燈亮。如果充電控制器處于故障狀態(tài)時，就會發(fā)出蜂鳴聲進行報警，這時充電控制器就會運行停止，結合所出現的故障不同，LED燈就會出現不同的顯示，例如處于過流狀態(tài)，就會出現單燈閃爍；如果處于過壓狀態(tài)時，就會出現雙燈閃爍。

2.3 獨立光伏充電控制器的充電技術

受到環(huán)境因素的影響，在光伏發(fā)電系統(tǒng)當中，光伏陣列供給的電能十分的限，為可以對這些有限的電能進行充分的利用，利用過去的方式對蓄電池進行充電很難使系統(tǒng)的需求得到滿足，因此，與獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)相符的智能充電技術，是對跟蹤技術進行的最大功率利用，這樣可以讓太陽能在最大程度上的得到轉化，并將轉變過的電能輸進至系統(tǒng)當中。本文具體介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)中常見的智能充電方法。

（1） 恒流充電。當蓄電池組充電時所接受的電流是保持恒定的，并利用控制輸出電壓對輸出的電流進行維持，主要由分段與單一兩種恒流充電方式。從分段方式來看，所處的階段不同，就應該選取的電流不同，與恒壓充電差不多，重要的是要選擇合理的結合點進行轉換，主要由蓄電池的溫升與端電壓等方面的狀況。對于所有串聯(lián)的電池來說，恒流充電對其所充的電量都是一樣多的，同時也不會如恒壓充電那樣出現充電不夠的問題，在很多節(jié)電池串聯(lián)在一起的狀況下也比較適合，同時越多的電池串連在一起越好。從單一方式來看，在充電的整個過程里，所進行充電的電流是不發(fā)生改變的。兩種恒流充電都具有成不不高、控制比較簡單的好處，但不足也很明顯。根據馬斯曲線能夠顯示，充電的進行過程中，蓄電池能夠承受的電流是會隨其變小的。因此，為了能夠避免充電之后蓄電池出現氣體，單一的恒流充電通常選用的是比較小的電流。

（2）恒壓充電。所謂恒壓充電，指的是當蓄電池組在充電的過程中，會讓蓄電池的充電電壓保持恒定不變的狀態(tài)，當開始進行充電時，電流會較大，但是由于充電進程的急需，蓄電池的端電壓就會升高，與此同時，電流就會漸漸降低。通常來看，為避免在一定范圍內，蓄電池充電過多，會對充電電壓進行設置，進而對充電電流進行限制。和恒流充電進行比較，恒壓充電所出現的電解水相對較少，在快要充電完成時，由于充電的電流不高，就會使得蓄電池過充得以避免。恒壓充電的好處就是很容易完成，同時控制起來比較容易，然而在開始充電時，因為蓄電池的端電壓不高，電流較大，析氣比較嚴重，會導致蓄電池的內部活性物質出現脫落，導致蓄電池的溫度升高，很容易讓蓄電池電極板出現彎曲的問題，而直接造成蓄電池報廢。在充電末期時，因為電流過小，充電的時間較長，又會造成蓄電池因為長時間充電不夠，而使鉛酸蓄電池容量降低。所以，在榮祥相對較小，電壓相對較低的電池中常用恒壓充電。

（3）兩階段式充電。該充電方式是通過對恒流或恒壓的充電優(yōu)點進行利用，而整合所形成的充電方式。在開始充電時，可以利用限定的恒定電流快速的給蓄電池充電，當蓄電池組的端電壓已經達到了一定的數值之后，便選用恒定電壓進行充電。當充電的電流隨著充電的進行而慢慢開始減少時，就一直等到蓄電池充電滿。該種充電方式在初期不會發(fā)生電流過大的問題，在充電的后期也不會發(fā)生電壓太高的狀況，使得蓄電池出現的大量析氣得到避免，使得蓄電池的溫升降低，起到了對蓄電池安全進行保護的作用。

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