任務(wù)2.3 光伏控制器的功能、分類及原理分析

【任務(wù)目標(biāo)】

（1）了解控制器的分類。

（2）掌握控制器的功能。

（3）掌握控制器的工作原理。

【相關(guān)知識】

太陽能電池組件在太陽光照射下，可以直接對直流負(fù)載供電，也可以將產(chǎn)生的電能儲存在儲能裝置中，當(dāng)發(fā)電不足或負(fù)載用電量大時(shí)，由儲能裝置向負(fù)載補(bǔ)充電能。儲能裝置尤其是蓄電池，在充電和放電過程中需加以控制，頻繁地過充電和過放電，都會影響蓄電池的使用壽命，為保護(hù)蓄電池不受過充電和過放電的損害，必須有一套控制系統(tǒng)來防止蓄電池的過充電和過放電，這套系統(tǒng)稱為充放電控制器，充放電控制器是離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)中最基本的控制電路。控制器可以單獨(dú)使用，也可以和逆變器等合為一體。光伏控制器外形如圖2.32所示。

圖2.32 光伏控制器外形圖

（a）小功率控制器；（b）中功率控制器；（c）大功率控制器

2.3.1 控制器功能

控制器應(yīng)具有以下功能：

（1）防止蓄電池過充電和過放電，延長蓄電池壽命。

（2）防止太陽能電池板或電池方陣、蓄電池極性接反。

（3）防止負(fù)載、控制器、逆變器和其他設(shè)備內(nèi)部短路。

（4）具有防雷擊引起的擊穿保護(hù)。

（5）具有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

（6）顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)，包括蓄電池（組）電壓、負(fù)載狀態(tài)、電池方陣工作狀態(tài)、輔助電源狀態(tài)、環(huán)境溫度狀態(tài)、故障報(bào)警等。

2.3.2 控制器的基本工作原理

控制電路根據(jù)光伏系統(tǒng)的不同，其復(fù)雜程度也是不一樣的，但其基本原理都相同，圖2.33是一個(gè)最基本的充放電控制器的工作原理圖，在該電路原理圖中，由太陽能光伏組件、蓄電池控制器電路和負(fù)載組成一個(gè)基本的光伏應(yīng)用系統(tǒng)，這里K1和K2分別為充電開關(guān)和放電開關(guān)。K1閉合時(shí)，由太陽能光伏組件給蓄電池充電；K2閉合時(shí)，由蓄電池給負(fù)載供電。當(dāng)蓄電池充滿電或出現(xiàn)過充電時(shí)，K1將斷開，光伏組件不再對蓄電池充電；當(dāng)電壓回落到預(yù)定值時(shí)，K1再自動閉合，恢復(fù)對蓄電池充電。當(dāng)蓄電池出現(xiàn)過放電時(shí)，K2將斷開，停止向負(fù)載供電；當(dāng)蓄電池再次充電，電壓回升到預(yù)設(shè)值后，K2再次閉合，自動恢復(fù)對負(fù)載供電。開關(guān)K1與K2的閉合和斷開是由控制電路根據(jù)系統(tǒng)充放電狀態(tài)決定，開關(guān)K1和K2是廣義的開關(guān)，它包括各種開關(guān)元件，如機(jī)械開關(guān)、電子開關(guān)。機(jī)械開關(guān)如繼電器、交直流接觸器等，電子開關(guān)如小功率三極管、功率場效應(yīng)管、固態(tài)繼電器、晶閘管等。根據(jù)不同的系統(tǒng)要求選用不同的開關(guān)元件或電器。

圖2.33 充放電控制器的工作原理

在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，充放電控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，同時(shí)保護(hù)蓄電池，具有充電完成和容量不足時(shí)斷開和恢復(fù)充放電功能，以避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3.3 控制器的分類

光伏控制器按電路方式的不同分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、脈寬調(diào)制型、智能型控制型和最大功率點(diǎn)跟蹤型；按電池組件輸入功率和負(fù)載功率的不同可分為小功率型、中功率型、大功率型及專用控制器（如草坪燈控制器）等。對于應(yīng)用了微處理器的電路，實(shí)現(xiàn)了軟件編程和智能控制，并附帶有自動數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和遠(yuǎn)程通信功能的控制器，稱之為智能控制器。

1.并聯(lián)型控制器

并聯(lián)型控制器是利用并聯(lián)在太陽能電池兩端的機(jī)械或電子開關(guān)器件控制充電過程。當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)，把太陽能電池的輸出分流到旁路電阻器或功率模塊上去，然后以熱的形式消耗掉；當(dāng)蓄電池電壓回落到一定值時(shí)，再斷開旁路恢復(fù)充電。由于這種方式消耗熱能，所以一般用于小型、小功率系統(tǒng)。

并聯(lián)控制器的電路原理如圖2.34所示。并聯(lián)型控制器電路中充電回路的開關(guān)器件K1并聯(lián)在太陽能電池或電池組的輸出端，控制器檢測電路監(jiān)控蓄電池的端電壓，當(dāng)充電電壓超過蓄電池設(shè)定的充滿斷開電壓值時(shí)，開關(guān)器件K1導(dǎo)通，同時(shí)防反充二極管VD1截止，使太陽能電池的輸出電流直接通過K1旁路泄放，不再對蓄電池進(jìn)行充電，從而保證蓄電池不被過充電，起到防止蓄電池過充電的保護(hù)作用。

圖2.34 并聯(lián)控制器的電路原理圖

開關(guān)器件K2為蓄電池放電控制開關(guān)，當(dāng)蓄電池的供電電壓低于蓄電池的過放保護(hù)電壓值時(shí)，K2關(guān)斷，對蓄電池進(jìn)行過放電保護(hù)。當(dāng)負(fù)載因過載或短路使電流大于額定工作電流時(shí)，控制開關(guān)K2也會關(guān)斷，起到輸出過載或短路保護(hù)的作用。

檢測控制電路隨時(shí)對蓄電池的電壓進(jìn)行檢測，當(dāng)電壓大于充滿保護(hù)電壓時(shí)，K1導(dǎo)通，電路實(shí)行過充電保護(hù)；當(dāng)電壓小于過放電電壓時(shí)，K2關(guān)斷，電路實(shí)行過放電保護(hù)。

電路中的VD2為蓄電池接反保護(hù)二極管，當(dāng)蓄電池極性接反時(shí)，VD2導(dǎo)通，蓄電池將通過VD2短路放電，短路電流將熔斷器熔斷，電路起到防蓄電池接反保護(hù)作用。

開關(guān)器件、VD1、VD2及熔斷器FU等一般和檢測控制電路共同組成控制器電路。該電路具有線路簡單、價(jià)格便宜、充電回路損耗小、控制器效率高的特點(diǎn)。當(dāng)防過充電保護(hù)電路動作時(shí)，開關(guān)器件要承受太陽能電池組件或方陣輸出的最大電流，所以要選用功率較大的開關(guān)器件。

2.串聯(lián)型控制器

串聯(lián)型控制器是利用串聯(lián)在充電回路中的機(jī)械或電子開關(guān)器件控制充電過程。當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)，開關(guān)器件斷開充電回路，停止為蓄電池充電；當(dāng)蓄電池電壓回落到一定值時(shí)，充電電路再次接通，繼續(xù)為蓄電池充電。串聯(lián)型控制器同樣具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，但由于控制開關(guān)是串聯(lián)在充電回路中，電路的電壓損失較大，使充電效率有所降低。

串聯(lián)型控制器的電路原理如圖2.35所示。它的電路結(jié)構(gòu)與并聯(lián)型控制器的電路結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別僅僅是將開關(guān)器件K1由并聯(lián)在太陽能電池輸出端改為串聯(lián)在蓄電池充電回路中。控制器檢測電路監(jiān)控蓄電池的端電壓，當(dāng)充電電壓超過蓄電池設(shè)定的充滿斷開電壓值時(shí)，K1關(guān)斷，使太陽能電池不在對蓄電池進(jìn)行充電，從而保證蓄電池不被過充電，起到防止蓄電池過充電的保護(hù)作用。

圖2.35 串聯(lián)型控制器的電路原理圖

3.脈寬調(diào)制型控制器

脈寬調(diào)制（PWM）型控制器是以脈沖方式開關(guān)太陽能電池組件的輸入，隨著蓄電池的充滿，脈沖的頻率或占空比發(fā)生變化，使導(dǎo)通時(shí)間縮短，充電電流逐漸減小，當(dāng)蓄電池電壓由充滿點(diǎn)向下降時(shí)，充電電流又會逐漸增大，符合蓄電池對于充放電過程的要求，能有效地消除極化，有利于完全恢復(fù)蓄電池的電量，延長蓄電池的循環(huán)使用壽命。另外，脈寬調(diào)制型控制器還可以實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤功能，因此可作為大功率控制器用于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)中。脈寬調(diào)制型控制器的缺點(diǎn)是控制器的自身工作有4%～8%的功率損耗。

與串聯(lián)控制器、并聯(lián)控制器相比，脈寬調(diào)制型控制方式無固定的過充和過放電壓點(diǎn)，但電路會控制蓄電池端電壓達(dá)到過充/過放控制點(diǎn)附近時(shí)，其充放電電流趨近于0，脈寬調(diào)制型充放電控制器的開關(guān)元件一般選用功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET），其電路原理如圖2.36所示。

蓄電池的直流采樣電壓從比較器的負(fù)端輸入，調(diào)制三角波從正端輸入，用直流電壓切割三角波，在比較器的輸出端形成一組脈寬調(diào)制波，用這組脈沖控制開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，達(dá)到控制充電電流的目的。對于串聯(lián)型控制器，當(dāng)蓄電池的電壓上升，脈沖寬度變窄，充電電流變小，當(dāng)蓄電池的電壓下降，脈沖寬度變寬，充電電流增大；而對于并聯(lián)型控制器，蓄電池的直流采樣電壓和調(diào)制三角波在比較器的輸入端與前面的相反，以實(shí)現(xiàn)隨蓄電池電壓的升高并聯(lián)電流增大（充電電流減小），隨電壓下降并聯(lián)電流減小（充電電流增大）。

圖2.36 PWM控制器的電路原理圖

4.智能型控制器

智能型控制器采用CPU或MCU等微處理器對太陽能光伏系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高速采集，并按照一定的控制規(guī)律由單片機(jī)內(nèi)程序?qū)μ柲茈姵亟M件進(jìn)行接通與切斷的智能控制，中、大功率的智能控制器還可通過單片機(jī)的RS232/485接口通過計(jì)算機(jī)控制和傳輸數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程通信和控制，智能型控制器不但具有充放電控制功能，而且具有數(shù)據(jù)采集和存儲、通信及溫度補(bǔ)償功能，智能型控制器的電路原理如圖2.37所示。

圖2.37 智能型控制器的電路原理圖

5.最大功率點(diǎn)跟蹤型控制器

最大功率點(diǎn)跟蹤型控制器（MPPT）的原理是將太陽能電池方陣的電壓和電流檢測后相乘得到的功率，判斷太陽能電池方陣此時(shí)的輸出功率是否達(dá)到最大，若不在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，則調(diào)整脈沖寬度、調(diào)制輸出占空比、改變充電電流，再次進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并做出是否改變占空比的判斷。通過這樣的尋優(yōu)跟蹤過程，可以保證太陽能電池方陣始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)。最大功率點(diǎn)跟蹤型控制器可以使太陽能電池方陣始終保持在最大功率點(diǎn)狀態(tài)，以充分利用太陽能電池方陣的輸出能量。同時(shí)，采用PWM調(diào)制方式，使充電電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的極化，提高充電效率。

MPPT的尋優(yōu)方法有多種，如導(dǎo)納增量法、間歇掃描法、模糊控制法、擾動觀察法等。最大功率點(diǎn)跟蹤型控制器主要由直流變換電路、測量電路和單片機(jī)及其控制采集軟件等組成，其充放電控制器原理如圖2.38所示。其中直流變換（DC/DC）電路一般為升壓（BOOST）型或降壓（BUCK）型斬波電路，測量電路主要是測DC/DC變換電路的輸入側(cè)電壓和電流值、輸出側(cè)的電壓值及溫度等。

圖2.38 最大功率跟蹤型控制器充放電控制原理圖

將太陽能電池方陣的工作電壓信號反饋到控制電路，控制開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間T_on，使太陽能電池方陣的工作電壓始終工作在某一恒定電壓，同時(shí)將斬波電路的輸出電流（蓄電池的充電電流）信號反饋到控制電路，控制開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間T_on，則可使斬波電路具有最大的輸出電流。

【任務(wù)實(shí)施】

（1）記錄實(shí)驗(yàn)用的光伏控制器型號及銘牌上的參數(shù)，說明參數(shù)含義。

（2）結(jié)合光伏控制器使用說明書，說明控制器指示燈的亮滅的含義。