光伏發(fā)電系統(tǒng)充放電控制策略的研究

陳元初，胡彥奎

（蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070）

中國能源成為制約經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。隨著煤炭、石油等現(xiàn)有能源的頻頻告急和生態(tài)環(huán)境的惡化，人類不得不盡快尋找新的清潔能源和可再生資源，其中包括水能、風能和太陽能[1-4]，而太陽能以其儲量巨大、安全、清潔等優(yōu)勢成為最主要能源之一。因此，太陽能的利用，特別是太陽能光伏發(fā)電，越來越受到重視。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，控制器占據(jù)著極其重要的位置。這里主要介紹多種控制器的控制策略，并設計一個基于單片機P87LPC767的控制系統(tǒng)。

1 充放電控制的基本工作原理

控制器的主要功能是通過檢測蓄電池的電壓或荷電狀態(tài)，判斷蓄電池是否已達到過充點或放充點，并根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)出繼續(xù)充、放電或終止充、放電的指令。

圖1為一個基本的充放電控制器原理圖。由光伏組件、蓄電池、控制電路、逆變器、負載組成基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)[5]。

圖1 充放電控制器原理圖

開關器件K1、K2分別為充電開關和放電開關，是控制電路的一個重要部分。K1、K2的斷開閉合由控制電路根據(jù)檢測到的系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)出的相應控制命令來決定。K1閉合時由光伏組件給蓄電池充電，當系統(tǒng)檢測到蓄電池出現(xiàn)過充時，K1就能接收命令及時切斷充電回路，使光伏組件停止對蓄電池充電；相反，K1還能按照預定的保護模式恢復對蓄電池的充電。K2閉合時，由蓄電池對外部放電，通過逆變器得到需要的電壓向負載供電，當檢測電路發(fā)現(xiàn)蓄電池過放電時，K2就會接收命令及時切斷放電電路，蓄電池停止向外部供電。當蓄電池達到預定的恢復充電點時，K2又能根據(jù)命令自動恢復向外供電。K1、K2起到開關作用，而實際應用中由各種開關元件構(gòu)成，靈敏度更高，能量損失更少，這也決定了一個光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效性。

2 常用的充電控制策略

2.1 旁路型充放電控制

旁路型充放電控制的原理如圖2所示。該回路的開關元件T1在太陽能組件的輸出端。當蓄電池電壓大于預定的過充電壓時，T1導通，VD1（防反充二極管）截止，則太陽能組件輸出的電流直接通過T1旁路泄放，實現(xiàn)對蓄電池的充電關閉，起到過充保護作用。VD1還能起到防反充作用。開關元件T2為蓄電池的放電開關，在正常放電時T2導通，當突然出現(xiàn)負載電流大于額定電流出現(xiàn)過載或者出現(xiàn)短路時，T2斷開，起到輸出過載保護和短路保護。同時當蓄電池電壓小于過放電壓，此時T2斷開，這就是過放保護。VD2為防反接二極管，如果蓄電池接反就會使VD2導通，由于短路放電很快產(chǎn)生大的電流，使保險絲燒斷保護了整個系統(tǒng)，起到蓄電池防反接保護的作用。

圖2 旁路型充放電控制原理圖

2.2 串聯(lián)型充放電控制

串聯(lián)型充放電控制與旁路型充放電控制在電路的實現(xiàn)上只有一點不同，即串聯(lián)型充放電控制的開關元件T1是接在充電回路中，如圖3所示。

圖3 串聯(lián)型充放電控制原理圖

在功能上有一點與旁路充放電控制不同，當蓄電池電壓大于過充電壓時，T1斷開，太陽能組件停止對蓄電池充電，起到過充保護作用且太陽能組件繼續(xù)向負載供電，相對來說對太陽的利用率更高。

2.3 多路充放電控制

多路充放電控制的電路原理如圖4所示。

圖4 多路充放電控制原理

當蓄電池電壓大于過充電壓時，控制電路將開關元件從S1至Sn順序斷開，當S1路斷開太陽能組件P1后，如果蓄電池的電壓低于設定值，則控制電路等待，直到蓄電池的電壓再次高于過充電壓，再斷開開關S2路的P2，再進行等待，看是否繼續(xù)斷開后面的太陽能組件，如果蓄電池的電壓不再上升到設定值，則其他支路保持接通充電狀態(tài)。VD1～VDn為防反充二極管，A1、A2分別為充電電流表和放電電流表，V為蓄電池電壓表。

2.4 PWM充放電控制

圖5為脈寬調(diào)制（PWM）充電控制[3]原理圖。

圖5 PWM充電控制原理圖

PWM充電控制以脈沖方式作為開關元件的輸入，當蓄電池趨向充滿時，隨著端電壓的升高，脈沖的頻率或者占空比發(fā)生變化，使導通時間縮短，充電電流逐漸趨近零，反之充電電流就會增大。采用這種電路的優(yōu)點是既能保護蓄電池，又能充分利用能量，另外PWM控制器還可以實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤功能，因此可用于大型光伏系統(tǒng)。

3 P87LPC767的PWM充放電控制電路

該控制器主要用于低壓的控制系統(tǒng)，如太陽能路燈等。圖6為穩(wěn)壓電源電路，將12 V的支流電壓穩(wěn)壓為5 V的電源，給處理器電路以及其他電路提供5 V的穩(wěn)定電壓。該電路采用雙穩(wěn)壓管LM7908和LM7905，該雙穩(wěn)壓管可使輸出的電源穩(wěn)定性更高，能量的損耗和噪聲更小。

圖6 12 V/5 V穩(wěn)壓電源電路

圖7為控制器的主要控制電路。該控制器可用于日常的各種中小功率的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，如太陽能車庫照明燈，太陽能路燈等[6]。該系統(tǒng)采用P87LPC767型單片機作為主控制器；其內(nèi)部獨立振蕩器有8種時鐘溢出的看門狗定時器；端口P1.3、P1.2接實時時鐘電路，利用強大的空閑、掉電省電模式和掉電喚醒功能，對接有MOSFET開關管VT1的放電電路進行白天斷開/夜晚放電的智能操作；該控制系統(tǒng)的充放電系統(tǒng)都由控制器輸出的充放電控制PWM信號來控制充電電路（接有MOSFET開關管VT2）和放電電路的2個開關管；太陽能電池和蓄電池電路通過保險絲和開關SW接到充電開關電路的+12 V端，實現(xiàn)電池的儲能和對外部電路的放電供能。當然在實際應用中還需增加蓄電池和太陽能電池電壓檢測采樣，通過A/D轉(zhuǎn)換輸入控制充放電。

4 工作原理及實驗結(jié)果

該系統(tǒng)通過處理器產(chǎn)生的PWM波來控制充放電電路的MOSFET開關，實現(xiàn)充放電控制，還能實現(xiàn)不同時段功率的輸出大小。

圖7 基于P87LPC787單片機的控制電路

1）當OPTICAL元件輸出+12 V，處理器輸出PWM信號導通MOSFET管VQ1，由太陽能組件對LAMP供電+12 V；同時還對BATTERY充電，直到UBATTERY=+12 V時切斷。

2）當UOPTICAL=0 V，此時VQ2斷開，放電開關閉合，由BATTERY向外供電+12 V。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了一種基于單片機P87LPC767的PWM光伏發(fā)電控制器，用Protel99搭建電路圖，通過實驗表明該控制器能完全達到一些獨立/并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的充放電控制要求，有很高的實用價值，而且采用的是集成單片機，性價比很高，同時具備很高的市場開拓性[7]。

[1]Gonzalez R， Lopez J， Sanchis P， et a1.Transformerless inverter for single-phase photovoltaie systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（2）：693-697.

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[6]李安定.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M].北京：北京工業(yè)大學出版社，2001.

[7]黃先偉，張 淼，岑長岸.參數(shù)辨識在光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中的應用[J].陜西電力，2009，37（1）：5-8.