獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器設(shè)計和研究

索博鵬 郭楊 江蘇林洋新能源科技有限公司

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器設(shè)計和研究

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本研究研究了獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制器的調(diào)節(jié)作用。分析了控制器實現(xiàn)對光伏陣列最大功率的跟蹤的方式。控制器在蓄電池充電過程中起著指示及報警作用。詳細分析了4種充電技術(shù)。在獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的工程應(yīng)用中，應(yīng)靈活設(shè)計控制器，以提高電池組件效率，保護蓄電池進行快速充電。

光伏發(fā)電 控制器 研究 設(shè)計

1 引言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，全球資源、能源短缺的問題越來越嚴重，并且煤炭、石油的大量使用，也帶來沉重的環(huán)境問題。因此，必須加速對新能源的開發(fā)利用。對于取之不盡用之不竭的太陽能的利用，對于改善我國能源結(jié)構(gòu)緊缺的矛盾也具有很重要的現(xiàn)實意義。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)可將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。其中，直流電的穩(wěn)定性較差的，交流電的穩(wěn)定性較強，這個轉(zhuǎn)換過程主要通過控制器來實現(xiàn)。可根據(jù)應(yīng)用場合的不同分成以下三類（見表1）：

3 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)充電控制器設(shè)計

3.1 充電控制器的設(shè)計原理

由表1可知，獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)還包括交換器和充電控制器。太陽光經(jīng)光伏陣列的光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成直流電能后連接到充電控制器。其對光伏陣列的最大功率進行跟蹤，并且還可通過控制器調(diào)節(jié)蓄電池組的充電狀態(tài)。

3.2 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中充電控制器的作用

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

①監(jiān)測光伏陣列的最大功率。由于受外界溫度和輻照強度的影響，光伏陣列輸出的直流電能也隨時發(fā)生變化。要最大限度的利用好光伏陣列輸出的電能，即完成對充電系統(tǒng)的最大功率輸出。充分發(fā)揮充電控制器要對光伏陣列最大功率點的跟蹤作用。

②對蓄電池實現(xiàn)快速充電。光伏發(fā)電系統(tǒng)中所輸出的電能存在不穩(wěn)定性，因此當(dāng)光伏陣列輸出的電能不足負載的需求時，則對蓄電池進行放電，以補充荷載的需求，而發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能足夠，則由充電控制器控制蓄電池進行充電。充電控制器根據(jù)蓄電池的電容量和所處的充放電狀態(tài)，使其處在不同的充電狀態(tài)，調(diào)整對蓄電池的快速充電。

③充電控制器的通信調(diào)配作用。光伏充電控制器可以與發(fā)電系統(tǒng)中的主控制器進行信號調(diào)節(jié)，可通過檢測蓄電池的容量和充放電狀態(tài)，調(diào)整系統(tǒng)電流和電壓對其進行充電，還可調(diào)配充電控制器的輸出，保證充電控制器總是處于工作狀態(tài)。

④具有報警和指示的功能。根據(jù)充電控制器的工作狀態(tài)的不同，通過其LED燈的不同亮燈形式來指示。單燈亮、雙燈亮、三燈亮分別代表不同的充電狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)報警的蜂鳴聲則代表充電控制器出現(xiàn)故障，那么充電控制器就停止運行。同時，根據(jù)故障的不同，LED燈還有不同的顯示狀態(tài)。比如，過流或過壓的狀態(tài)，則分別用單燈或雙燈閃爍的方式進行報警。

⑤保護蓄電池。盡可能減少蓄電池過度放電，用浮充的辦法來對蓄電池進行修復(fù)。保護蓄電池的使用，提高蓄電池的使用年限。

4 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)充電控制器的充電技術(shù)

由于輻照強度和環(huán)境溫度的變化，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列輸出的電能很不穩(wěn)定且有限，要充分跟蹤光伏陣列的最大功率點，從而保證太陽能的轉(zhuǎn)化效率達到最大，將轉(zhuǎn)換的電能輸入系統(tǒng)中。

4.1 恒流充電技術(shù)

該技術(shù)是指以恒定的電流對蓄電池進行充電。通過控制器控制輸出電壓來調(diào)配電流的大小。但是，當(dāng)輸出電流過小，則充電效率低下。電流過大，則容易析出氣體。析出的氣體使蓄電池出現(xiàn)損害，影響蓄電池的質(zhì)量和使用年限。在充電后期，需限制電壓，從而減少充電電流。

4.2 恒壓充電技術(shù)

采用該技術(shù)充電時，電壓恒定不變，因此，開始時充電電流很大。之后蓄電池端電壓增大，電流逐漸變小，而到后期電流變得很小。在恒定電壓充電過程中，無需調(diào)整電流。同時，端電壓在慢慢增大，電流逐漸減小，因此具有較高效率。但充電剛開始時電流很大，易析出氣體。析出的氣體會導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部出現(xiàn)損壞。充電末期，電流變得很小。蓄電池充電所需時間過長，易使蓄電池容量變小。

4.3 慢脈沖充電技術(shù)

使用大電流對蓄電池進行快速充電。由于獨立光伏電池組件輸出電量有限，很難達到預(yù)定效果，因此該充電技術(shù)不適用于小功率的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。

4.4 3階段充電技術(shù)

蓄電池充電過程中，可對其進行放電脈沖。脈沖放電后，蓄電池可承受的充電電流會增加，保證了蓄電池可足夠吸收電池組件的輸出電能。

5 結(jié)論

獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)通過對控制器的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對光伏陣列最大功率的跟蹤。根據(jù)蓄電池充放電的狀態(tài)，對蓄電池充電過程進行保護。控制器同時還起著指示及報警作用。分析了獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的4種充電技術(shù)，在實際應(yīng)用中，可根據(jù)實際需要選擇充電方式。在獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的工程應(yīng)用中，靈活設(shè)計控制器，以提高電池組件效率，保護蓄電池進行快速充電。

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[2]曹衛(wèi)華,李明楊,陳鑫,吳敏.獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)高效充電控制器設(shè)計[J].浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2010(7):1260-1265