獨立光伏發電系統控制器設計與應用

孟德明

摘 要：因為科技水平不高的限制，光伏發電的成本過高等原因的阻礙，長期以往，在對光伏發電系統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展受到影響。所以，為了促進光伏發電能夠更好的提升和發展，促進光伏發電技術的提升，很多人對獨立光伏發電系統的控制器進行了改善，這對于光伏技術的發展來說具有非常重要的價值。本文首先介紹了光伏發電系統的種類，之后闡述了獨立光伏發電系統充電控制器的工作原理和應用。

關鍵詞：獨立光伏；發電系統；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境進行保護，對資源進行節約的發展戰略，并由此對于可再生能源的利用和開發進行大力的倡導。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中的研究當屬光伏發電系統的設計。然而，因為科技水平不高的限制，光伏發電的成本過高等原因的阻礙，長期以往，在對光伏發電系統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展受到影響。所以，為了促進光伏發電能夠更好的提升和發展，促進光伏發電技術的提升，很多人對獨立光伏發電系統的控制器進行了改善，這對于光伏技術的發展來說具有非常重要的價值。

1 光伏發電系統介紹

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

1.1 獨立式光伏發電系統

獨立式光伏發電系統通常包括光伏陣列、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，故而叫做獨立或是離網系統，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。獨立式光伏系統通常都是在游牧民族或是山區應用，因為在這些區域很難講電網進行相連。另外，獨立式光伏發電系統還在衛星廣播電視、移動通信基站等區域應用的較為廣泛。其構成見圖1。

1.2 并網式光伏發電系統

并網光伏發電系統指的是把電網和發電系統進行并聯，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，發電系統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，發電系統則是成了電網的輔助。在這個系統當中，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 混合式光伏發電系統

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

2 獨立光伏發電系統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

在光伏發電系統里，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電系統的特征相吻合，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。因為在光伏發電系統里，所輸入的電能缺少穩定性，所以在其系統當中，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時，系統就能夠結合其容量以及所處的放電狀態，處在不同的充電狀態中，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電系統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、充電狀態等，對充電控制器的輸出進行調配，進而確保其工作的狀態。

（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時，就會發出蜂鳴聲進行報警，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，就會出現單燈閃爍；如果處于過壓狀態時，就會出現雙燈閃爍。

2.3 獨立光伏充電控制器的充電技術

受到環境因素的影響，在光伏發電系統當中，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的需求得到滿足，因此，與獨立光伏發電系統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當中。本文具體介紹了光伏發電系統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，在很多節電池串聯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，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生電流過大的問題，在充電的后期也不會發生電壓太高的狀況，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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