獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器

文/李磊 許芷毓 柴松 袁寶林 郭來(lái)瑞

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)，其主要工作內(nèi)容是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。在這些電能當(dāng)中，直流電的穩(wěn)定性較差，交流電的穩(wěn)定性較好，因此，在進(jìn)行直流電向交流電的轉(zhuǎn)換時(shí)，需要借助控制器來(lái)進(jìn)行控制。現(xiàn)階段，常見的控制器類型包括以下三種類型：

首先是獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)，該種光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、鉛酸蓄電池、直流電交流電轉(zhuǎn)換器、離網(wǎng)型逆變器以及負(fù)荷承載等元件組成。該種光伏發(fā)電系統(tǒng)沒(méi)有和電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行并列連接，通過(guò)系統(tǒng)自身存在的蓄電池來(lái)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)。在進(jìn)行工作時(shí)，倘若光照程度不足，無(wú)法支持其進(jìn)行工作時(shí)，通過(guò)蓄電池放電來(lái)為整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)提供足夠的能量。這種光伏發(fā)電系統(tǒng)常見于游牧民族以及山區(qū)，因?yàn)檫@些地區(qū)的光照無(wú)法得到充分的保證，因此這種自備蓄電池的獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)適用性較高。

其次是并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)，該種系統(tǒng)主要由光伏陣列、直流電交流電轉(zhuǎn)換器、并網(wǎng)型逆變器以及能量負(fù)載等四個(gè)元件構(gòu)成。該種光伏發(fā)電系統(tǒng)是借助并網(wǎng)逆變器將電能和公用的社會(huì)電網(wǎng)進(jìn)行連接，因此并網(wǎng)逆變器在其中發(fā)揮著十分重要的作用。通過(guò)將并網(wǎng)逆變器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，能夠確保整個(gè)并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電流類型為交流電，且其輸出的交流電相位、類型以及頻率都和公用的電網(wǎng)是一致的。

另外一種混合式光伏發(fā)電系統(tǒng)，顧名思義，混合式光伏發(fā)電系統(tǒng)就是指摻雜了獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種系統(tǒng)而組成的發(fā)電機(jī)，因此它具備了兩種光伏發(fā)電系統(tǒng)的所有元件。與其他類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，該種光伏發(fā)電系統(tǒng)的適用程度更高、適用范圍更廣。當(dāng)太陽(yáng)光的照射程度不足或者整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載過(guò)大以至于系統(tǒng)無(wú)法承擔(dān)這個(gè)負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)組便會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，從而為整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)蓄電池存儲(chǔ)的電能來(lái)進(jìn)行供電，保障系統(tǒng)功能的順利進(jìn)行。

2 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)充電控制器的設(shè)計(jì)

2.1 充電控制器的設(shè)計(jì)原理

上文介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的常見類型，主要包括上述三種，而與其他類型存在區(qū)別的便是獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)，該種發(fā)電系統(tǒng)除了常見的元件之外，還包括直流電交流電變換器以及蓄電池充電控制器。當(dāng)太陽(yáng)光照射到獨(dú)立式光伏充電系統(tǒng)的表面時(shí)，能夠借助光伏陣列進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姾筮B接到充電控制器上，并且對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏陣列的最大功率進(jìn)行跟蹤，并且通過(guò)控制設(shè)備來(lái)對(duì)蓄電池組件的充電情況和充電狀態(tài)進(jìn)行有效的調(diào)整。

2.2 獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)中充電控制器的作用

2.2.1 對(duì)光伏陣列的最大功率進(jìn)行監(jiān)控

對(duì)于獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其在工作時(shí)容易受到外界溫度以及輻射強(qiáng)度的變化。當(dāng)外界的溫度以及輻射強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光伏陣列的直流電也會(huì)發(fā)生變化。基于這種情況，在使用獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電工作時(shí)，需要充分地利用好光伏陣列輸出的電能，也就是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的充電功能進(jìn)行掌握。同時(shí)，相關(guān)工作人員還需要對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤和監(jiān)測(cè)。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)蓄電池的快速充電

對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其在發(fā)電時(shí)輸出的電能存在較為明顯的不穩(wěn)定性，因此當(dāng)光伏陣列輸出的電能無(wú)法滿足整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷的需求時(shí)，需要通過(guò)對(duì)蓄電池進(jìn)行放電的處理來(lái)補(bǔ)充欠缺的負(fù)荷，同時(shí)，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能足夠多時(shí)，則通過(guò)充電控制器來(lái)對(duì)蓄電池進(jìn)行操控，從而進(jìn)行整個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)的充電。充電控制器會(huì)在工作時(shí) 綜合蓄電池的電池容量以及其所處的充電、放電狀態(tài)來(lái)對(duì)其所處的充電狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保蓄電池能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速充電以及放電。

2.2.3 充電控制器能夠?qū)崿F(xiàn)通信調(diào)配

光伏充電控制器能夠與整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)之間產(chǎn)生密切的關(guān)系，調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)的主控制器來(lái)對(duì)充電信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在日常工作的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)蓄電池的容量以及充電放電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電流以及電壓狀態(tài)的充分掌握，并對(duì)系統(tǒng)的電流電壓進(jìn)行調(diào)整來(lái)進(jìn)行充電。另外，還可以對(duì)充電控制器的輸出功率進(jìn)行調(diào)配，從而保障充電控制器長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)。

2.2.4 充電控制器能夠進(jìn)行及時(shí)的警報(bào)

由于充電控制器的工作狀態(tài)各有不同，因此充電控制器上裝設(shè)有多個(gè)不同亮度、不同顏色的LED燈，當(dāng)LED燈的顯示狀態(tài)以及亮燈形式不相同時(shí)，意味著整個(gè)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制器狀態(tài)也存在著明顯的不同。舉例來(lái)說(shuō)，現(xiàn)階段公認(rèn)的幾種充電狀態(tài)，分別通過(guò)單燈亮、雙燈亮、三燈亮的形式來(lái)進(jìn)行描述。單燈亮，意味著系統(tǒng)蓄電池的充電工作剛剛起步，雙燈亮，意味著正處于系統(tǒng)以及蓄電池正處于充電過(guò)程當(dāng)中，三燈亮，意味著系統(tǒng)蓄電池的蓄電量已經(jīng)接近峰值。而當(dāng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)處于報(bào)警狀態(tài)時(shí)，則意味著為蓄電池的充電控制器存在著一定的故障，為了確保整個(gè)系統(tǒng)的安全，充電控制器便會(huì)停止運(yùn)行。同時(shí)，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)故障類型的不同，LED燈的顯示狀態(tài)也存在著明顯的不同。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)蓄電池處于過(guò)流或者過(guò)壓的狀態(tài)時(shí)，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池顯示燈則會(huì)以雙燈或者單燈閃爍的方式進(jìn)行報(bào)警。

2.2.5 實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的保護(hù)

對(duì)于獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)充電控制器來(lái)說(shuō)，其在工作中的另一個(gè)重要功能便是實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的保護(hù)。在進(jìn)行工作的過(guò)程中，通過(guò)采用該浮充的形式進(jìn)行充電，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蓄電池的有效保護(hù)，切實(shí)提升蓄電池的使用年限。

3 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)充電控制器的充電技術(shù)

對(duì)于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在其工作的過(guò)程中往往面臨著輻照強(qiáng)度以及環(huán)境溫度的變化，因此獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列輸出電能極度的不穩(wěn)定，同時(shí)輸出的功率也較為有限，針對(duì)這種情況，在進(jìn)行工作時(shí)需要對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)進(jìn)行完善和跟蹤，確保太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率最大化，爭(zhēng)取在有效的時(shí)間內(nèi)將更多的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在蓄電池當(dāng)中。

3.1 恒流充電技術(shù)

恒流充電技術(shù)，是指在對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)保持電流的恒定狀態(tài)。借助控制器來(lái)對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)配電流大小的調(diào)節(jié)。當(dāng)輸出電流過(guò)小時(shí)，充電效率較為低下；而當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，則容易在充電過(guò)程中有氣體析出。析出后的氣體會(huì)損傷蓄電池，影響蓄電池的質(zhì)量和使用年限。因此，在充電中后期，需要對(duì)電壓進(jìn)行限制，盡可能地減少充電的電流。

3.2 恒壓充電技術(shù)

恒壓充電技術(shù)，是指在隊(duì)蓄電池進(jìn)行充電的過(guò)程中電壓保持一致的狀態(tài)，為了保持電壓的一致性，在剛開始充電時(shí)，整個(gè)蓄電池的電流很大，在此之后，蓄電池端的電壓逐漸增大，電流逐漸減小，到了充電的后期，蓄電池的電流開始減弱的十分明顯。在采用該恒壓充電技術(shù)進(jìn)行充電時(shí)，充電的電流是不需要進(jìn)行調(diào)整的。同時(shí)，電壓逐漸增大，電流逐漸減小，因此充電的效率較高。但是由于在充電的初期電流較大，容易析出氣體，損傷蓄電池。同時(shí)在充電的后期由于電流減小，充電效率受到影響，因此可能會(huì)造成蓄電池的容量變小。

3.3 慢脈沖充電技術(shù)

慢脈沖充電技術(shù)，就是指在對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)使用大電流進(jìn)行快速充電，獨(dú)立光伏電池組的電量輸出是較為一致的，因此很難達(dá)到預(yù)期的充電效果，在這種情況下，倘若對(duì)小功率的獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行充電，容易造成蓄電池的損害，因此該種充電方式只適用于給大功率的獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行充電。

4 結(jié)論

綜合來(lái)說(shuō)，通過(guò)獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠借助對(duì)控制器的調(diào)節(jié)來(lái)對(duì)光伏陣列的最大功率進(jìn)行有效的跟蹤。同時(shí)，根據(jù)蓄電池的充放電狀態(tài)不同，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蓄電池充電過(guò)程的有效保護(hù)。同時(shí)，獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制器還能夠起到保護(hù)、報(bào)警的作用。本文基于次，對(duì)于獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的充電技術(shù)做了介紹，分析了其利弊，為相關(guān)人員的實(shí)際工作開展提供了意見及建議，在實(shí)際采用獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行充電時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況的不同采用對(duì)應(yīng)的充電方式。