第四章控制器

第四章控制器

§4.1控制器的工作原理

§4.2控制器的分類

§4.3控制器的主要性能參數及選型

第四章控制器

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通過太陽能電池將太陽輻射轉化為電能時容易受到天氣和其他因素的影響，太陽能電池輸出電流并不穩(wěn)定。直接提供給負載使用將使負載變得非常不穩(wěn)定，甚至會導致負載不能使用以及燒毀的情況。因此在離網光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網光伏發(fā)電系統(tǒng)以及光伏-風力混合發(fā)電系統(tǒng)中，需要配置儲能裝置（蓄電池）、控制器等。

第四章控制器光伏控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中非常重要的組件，其性能直接到整個系統(tǒng)的壽命，特別是蓄電池組的使用壽命。光伏控制器應該具有以下功能：①防止蓄電池過充和過放電，延長蓄電池使用壽命；②防止太陽能電池方陣、蓄電池極性接反；③防止負載、控制器、逆變器和其他設備內部短路；④具有防雷擊引起的擊穿保護；⑤具有溫度補償的功能；⑥光伏系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示。任何一個離網光伏發(fā)電系統(tǒng)，不論系統(tǒng)大小，都要用到控制器。有時候你看到的光伏發(fā)電系統(tǒng)，可能沒有控制器就只有逆變器，實際上是將控制器和逆變器合二為一。

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§4.1控制器的工作原理圖4-1光伏控制器的工作原理圖

第四章控制器該電路由太陽能電池組件、蓄電池、控制器和負載組成。開關K1和K2分別為充電控制開關和放電控制開關，當開關K1閉合時，由太陽能電池組件通過控制器給蓄電池充電，當蓄電池出現(xiàn)過充電時，K1能及時切斷充電回路，使太陽能電池組件停止向蓄電池供電，K1還能按預先設定的保護模式自動恢復對蓄電池的充電。當開關K2閉合時，由蓄電池向負載供電，當蓄電池出現(xiàn)過放電時，K2能及時切斷放電回路，蓄電池停止向負載供電，當蓄電池再次充電并達到預先設定的恢復充電點時，K2又能自動恢復供電，K1和K2可以由各種開關元件組成，如小功率三極管、功率場效應管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等電子式開關和繼電器、交直流接觸器等機械式開關。

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§4.2控制器的分類1、并聯(lián)型控制器

并聯(lián)型控制器又叫旁路型控制器，它是利用并聯(lián)在光伏方陣兩端的機械或電子開關器件控制充電過程。當蓄電池充滿電時，把光伏方陣的輸出分流到旁路電阻器上或功率模塊上，然后以熱的形式消耗掉。當蓄電池的電壓回落到一定值時，再斷開旁路恢復充電。圖4-2并聯(lián)型控制器電路原理圖

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§4.2控制器的分類2、串聯(lián)型控制器

串聯(lián)型控制器是利用串聯(lián)在充電回路中的機械或電子開關器件控制充電過程。開關器件串接在太陽能電池方陣和蓄電池之間，當蓄電池充滿電時，開關器件斷開充電回路，停止為蓄電池充電；當蓄電池電壓回落到一定值時，充電電路再次接通，繼續(xù)為蓄電池充電。開關器件還可以在夜間切斷太陽能電池供電，取代防反充二極管。圖4-3串聯(lián)型控制器電路原理圖

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§4.2控制器的分類3、脈寬調制型控制器

脈寬調制型（PWM）控制器以脈沖方式控制光伏組件的輸入，

PWM控制電路輸出一組脈寬調制波，控制開關管的導通時間，達到控制充電電流的目的。與串聯(lián)和并聯(lián)型控制器相比，脈寬調制控制器雖然沒有固定的過充電電壓斷開點和恢復點，但是充電電流的瞬時變化更符合蓄電池的充電狀況，能夠增加光伏系統(tǒng)的充電效率，延長蓄電池的使用壽命。此外，脈寬調制型控制器還可以實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤功能。但缺點是控制器自身有4%～8%的功率損耗。圖4-4脈寬調制型控制器電路原理圖

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§4.2控制器的分類4、多路型控制器

多路型控制器一般用于幾千瓦以上的大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)中，將太陽能電池方陣分成多個支路接入控制器，電路原理如圖4-5所示。圖中各支路的二極管起防反充作用。A1和A2分別是充電電流表和放電電流表，V為蓄電池電壓表。圖4-5多路型控制器電路原理圖

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§4.2控制器的分類5、最大功率跟蹤型控制器在一定的外界條件下，太陽能電池可以工作在不同的輸出電壓，但只有在某一輸出電壓值時，太陽能電池的輸出功率才能達到最大功率值。這時太陽能電池的工作點就達到了輸出功率曲線的最高點，稱之為最大功率點（MaximumPowerPoint,MPP）。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要想提高系統(tǒng)的效率，應當實時調整太陽能電池的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，以最大限度地將光能轉化為電能。利用控制方法實現(xiàn)太陽能電池的最大功率輸出運行的技術被稱為最大功率點跟蹤（MPPT）技術。

第四章控制器MPPT控制器的目的是將太陽能電池陣列產生的最大直流電能及時的盡可能多地提供給負載，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用效率盡可能高。理論上,當太陽能電池的輸出阻抗和負載阻抗相等時，太陽能電池的輸出功率最大。可見，MPPT的過程實質上就是使太陽能電池的輸出阻抗和負載阻抗相匹配的過程。由于太陽能電池的輸出阻抗受到外界因素的影響，如果能通過控制方法實現(xiàn)對負載阻抗的實時調節(jié)，并使其跟蹤太陽能電池的輸出阻抗，就可以實現(xiàn)MPPT控制。

第四章控制器（1）MPPT控制方法①定電壓跟蹤法

定電壓跟蹤（ConstantVoltageTracking-CVT）控制思路是將太陽能電池的輸出電壓控制在其MPP附近上的某一個恒定電壓處，這樣太陽能電池在整個工作過程中將近似工作在最大功率點處。②擾動觀測法擾動觀測法（PerturbationandObservationmethod,P&O）是目前實現(xiàn)MPPT最常用的方法之一。其基本原理是：先讓太陽能電池按照某一電壓值輸出，測量輸出功率，然后在這個電壓基礎上給一個電壓擾動，再測量輸出功率，比較兩次測得的輸出功率值，如果功率值增加了，則繼續(xù)給相同方向的擾動，如果功率值減小了，則給相反方向的擾動。最終使太陽能電池工作于最大功率點。

第四章控制器（1）MPPT控制方法③電導增量法電導增量法（IncrementalConductance，INC）也是目前常用的MPPT控制算法之一。其主要原理是根據最大功率點的電壓來調節(jié)光伏陣列的輸出電壓。④模糊邏輯控制模糊邏輯控制（fuzzylogiccontrol）是以模糊理論為基礎的一種新興的控制手段，它是模糊系統(tǒng)理論與自動控制技術相結合的產物，特別適用復雜的非線性系統(tǒng)。由于太陽光照強度的不確定性、光伏陣列溫度的變化、負載情況的變化以及光伏陣列輸出特性的非線性特征，因此采用模糊邏輯控制的方法來進行MPPT控制是非常合適的，可以獲得比較理想的效果。⑤其他方法滯環(huán)比較法、人工神經網絡控制法、最優(yōu)梯度法

第四章控制器（2）MPPT控制電路①BUCK電路②BOOST電路圖4-6BUCK電路圖4-7BOOST電路BUCK降壓斬波電路實際上是一種電流提升電路，主要用于驅動電流型負載。直流變換是通過電感來實現(xiàn)的。BOOST升壓斬波電路主要用于太陽能電池方陣對蓄電池充電的電路中。直流變換也是通過電感來實現(xiàn)的。

第四章控制器

§4.3控制器的主要性能參數及選型1、控制器的主要性能參數（1）額定電壓（2）最大光伏組件功率（3）光伏陣列輸入路數（4）蓄電池過充保護電壓（5）蓄電池過放保護電壓（6）蓄電池充電浮充電壓（7）溫度補償（8）工作環(huán)境溫度

第四章控制器

§4.3控制器的主要性能參數及選型2、控制器的選型（1）額定電壓（2）額定充電電流和輸入控制路數（3）額定負載電流即控制