獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孟德明

摘 要：因?yàn)榭萍妓讲桓叩南拗?，光伏發(fā)電的成本過高等原因的阻礙，長(zhǎng)期以往，在對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)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(fā)展受到影響。所以，為了促進(jìn)光伏發(fā)電能夠更好的提升和發(fā)展，促進(jìn)光伏發(fā)電技術(shù)的提升，很多人對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制器進(jìn)行了改善，這對(duì)于光伏技術(shù)的發(fā)展來說具有非常重要的價(jià)值。本文首先介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的種類，之后闡述了獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)充電控制器的工作原理和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立光伏；發(fā)電系統(tǒng)；控制器；類型；設(shè)計(jì)與應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.176

0 引言

到了二十一世紀(jì)，全球的資源越來越呈現(xiàn)出短缺的狀況，且越來越嚴(yán)重，已經(jīng)成了全球性的問題，于是世界上每個(gè)國(guó)家都開始提出對(duì)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，對(duì)資源進(jìn)行節(jié)約的發(fā)展戰(zhàn)略，并由此對(duì)于可再生能源的利用和開發(fā)進(jìn)行大力的倡導(dǎo)。在如此之多的可再生資源當(dāng)中，最為具有代表且最具有開發(fā)和利用價(jià)值的就是太陽能。世界上很多國(guó)家對(duì)于太陽能的利用和開發(fā)也都進(jìn)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(yīng)用到了多個(gè)行業(yè)中的研究當(dāng)屬光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。然而，因?yàn)榭萍妓讲桓叩南拗?，光伏發(fā)電的成本過高等原因的阻礙，長(zhǎng)期以往，在對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)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(fā)展受到影響。所以，為了促進(jìn)光伏發(fā)電能夠更好的提升和發(fā)展，促進(jìn)光伏發(fā)電技術(shù)的提升，很多人對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制器進(jìn)行了改善，這對(duì)于光伏技術(shù)的發(fā)展來說具有非常重要的價(jià)值。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹

光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過控制器，將太陽能光伏電池所產(chǎn)生的那些穩(wěn)定性較差電能直變成穩(wěn)定性較好的交流電能的系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)合不同，可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)分成三個(gè)類別，分別為獨(dú)立式、并網(wǎng)式，以及混合式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.1 獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常包括光伏陣列、鉛酸蓄電池組、直流/交流變換器、離網(wǎng)型逆變器以及負(fù)載等。由于未和電網(wǎng)進(jìn)行并聯(lián)，故而叫做獨(dú)立或是離網(wǎng)系統(tǒng)，需要蓄電池組對(duì)光伏陣列出現(xiàn)的多余電能進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)如光照不夠或是根本沒有光照時(shí)，蓄電池就可以放電，對(duì)負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)足進(jìn)而供應(yīng)電能。獨(dú)立式光伏系統(tǒng)通常都是在游牧民族或是山區(qū)應(yīng)用，因?yàn)樵谶@些區(qū)域很難講電網(wǎng)進(jìn)行相連。另外，獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)還在衛(wèi)星廣播電視、移動(dòng)通信基站等區(qū)域應(yīng)用的較為廣泛。其構(gòu)成見圖1。

1.2 并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)指的是把電網(wǎng)和發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行并聯(lián)，通常包括直流、交流變換器、光伏陣列以及負(fù)載和并網(wǎng)型逆變器等部分。因?yàn)楹碗娋W(wǎng)進(jìn)行并聯(lián)，發(fā)電系統(tǒng)就沒有必要利用蓄電池對(duì)多余的電能進(jìn)行存儲(chǔ)，而是利用并網(wǎng)逆變器把電能和電網(wǎng)進(jìn)行連接，發(fā)電系統(tǒng)則是成了電網(wǎng)的輔助。在這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，核心是并網(wǎng)逆變器，為確保在進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)，不會(huì)給電網(wǎng)造成干擾，并網(wǎng)逆變器一定要和電網(wǎng)保持在同一個(gè)頻率，相同相位的交流電。

1.3 混合式光伏發(fā)電系統(tǒng)

和獨(dú)立式和并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)比較，混合式光伏發(fā)電系統(tǒng)多了一組發(fā)電機(jī)，如果太陽照射不夠，或者是嚴(yán)重超過負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)就不能供給需要的電能，這時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)，就可以給系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)供電的保障。

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

2.1 整體設(shè)計(jì)原理

通常來看， 光伏充電系統(tǒng)不僅包括太陽能電池板、逆變器、蓄電池組，同時(shí)還包括控制器和充電控制器等構(gòu)成部分。光伏陣列把太陽能轉(zhuǎn)變成直流電能，再將其連接到充電控制器，通過最大功率進(jìn)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?qū)ζ涮峁┩獠恐绷髫?fù)載。在逆變器的里面，當(dāng)直流實(shí)現(xiàn)了到交流的轉(zhuǎn)換以后，輸出供交流負(fù)載，具體見圖 2。

2.2 獨(dú)立光伏充電控制器的重要作用

在光伏發(fā)電系統(tǒng)里，因?yàn)榫哂刑厥獾膽?yīng)用場(chǎng)合，光伏充電控制器一定要與光伏發(fā)電系統(tǒng)的特征相吻合，所以光伏充電控制器應(yīng)該具有以下作用：

（1）對(duì)光伏陣列進(jìn)行最大功率的跟蹤。因?yàn)槭艿讲粩嘧兓耐饨绛h(huán)境影響，為了能夠在最大程度上對(duì)光伏陣列所輸出的電能進(jìn)行利用，進(jìn)而完成對(duì)充電系統(tǒng)進(jìn)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(diǎn)。

（2）完成快速智能充電的目的。因?yàn)樵诠夥l(fā)電系統(tǒng)里，所輸入的電能缺少穩(wěn)定性，所以在其系統(tǒng)當(dāng)中，為了可以使負(fù)載的需求得到滿足，如果光伏陣列所輸入的電能不夠時(shí)，就需要蓄電池對(duì)其進(jìn)行放電補(bǔ)充，如果光伏陣列所輸入的電能足夠時(shí)，就要給電池充電。所以，當(dāng)蓄電池處在不斷的進(jìn)行充放電的狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)就能夠結(jié)合其容量以及所處的放電狀態(tài)，處在不同的充電狀態(tài)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池進(jìn)行快速智能充電的作用。

（3）對(duì)蓄電池起到保護(hù)作用。為了避免對(duì)蓄電池進(jìn)行過度的充放電，利用浮充電實(shí)現(xiàn)修復(fù)蓄電池的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù)的作用，從而使蓄電池的使用壽命得以延長(zhǎng)。

（4）通信作用。光伏充電控制器可以實(shí)現(xiàn)和光伏發(fā)電系統(tǒng)主控制器通信的作用，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電流、電壓進(jìn)行充電，還可以實(shí)現(xiàn)蓄電池容量、充電狀態(tài)等，對(duì)充電控制器的輸出進(jìn)行調(diào)配，進(jìn)而確保其工作的狀態(tài)。

（5）起到指示和報(bào)警的作用。結(jié)合充電控制器的所處的工作狀態(tài)不同，光伏充電控制器利用LED燈起到指示和報(bào)警的作用，當(dāng)其是在最大功率進(jìn)行充電時(shí)，顯示的單燈亮；當(dāng)處在充電充電時(shí)就會(huì)顯示雙燈亮；如果是進(jìn)行浮充電時(shí)，就會(huì)顯示三燈亮。如果充電控制器處于故障狀態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)出蜂鳴聲進(jìn)行報(bào)警，這時(shí)充電控制器就會(huì)運(yùn)行停止，結(jié)合所出現(xiàn)的故障不同，LED燈就會(huì)出現(xiàn)不同的顯示，例如處于過流狀態(tài)，就會(huì)出現(xiàn)單燈閃爍；如果處于過壓狀態(tài)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)雙燈閃爍。

2.3 獨(dú)立光伏充電控制器的充電技術(shù)

受到環(huán)境因素的影響，在光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，光伏陣列供給的電能十分的限，為可以對(duì)這些有限的電能進(jìn)行充分的利用，利用過去的方式對(duì)蓄電池進(jìn)行充電很難使系統(tǒng)的需求得到滿足，因此，與獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)相符的智能充電技術(shù)，是對(duì)跟蹤技術(shù)進(jìn)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(zhuǎn)化，并將轉(zhuǎn)變過的電能輸進(jìn)至系統(tǒng)當(dāng)中。本文具體介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)中常見的智能充電方法。

（1） 恒流充電。當(dāng)蓄電池組充電時(shí)所接受的電流是保持恒定的，并利用控制輸出電壓對(duì)輸出的電流進(jìn)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(yīng)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(jié)合點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，主要由蓄電池的溫升與端電壓等方面的狀況。對(duì)于所有串聯(lián)的電池來說，恒流充電對(duì)其所充的電量都是一樣多的，同時(shí)也不會(huì)如恒壓充電那樣出現(xiàn)充電不夠的問題，在很多節(jié)電池串聯(lián)在一起的狀況下也比較適合，同時(shí)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(gè)過程里，所進(jìn)行充電的電流是不發(fā)生改變的。兩種恒流充電都具有成不不高、控制比較簡(jiǎn)單的好處，但不足也很明顯。根據(jù)馬斯曲線能夠顯示，充電的進(jìn)行過程中，蓄電池能夠承受的電流是會(huì)隨其變小的。因此，為了能夠避免充電之后蓄電池出現(xiàn)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(dāng)蓄電池組在充電的過程中，會(huì)讓蓄電池的充電電壓保持恒定不變的狀態(tài)，當(dāng)開始進(jìn)行充電時(shí)，電流會(huì)較大，但是由于充電進(jìn)程的急需，蓄電池的端電壓就會(huì)升高，與此同時(shí)，電流就會(huì)漸漸降低。通常來看，為避免在一定范圍內(nèi)，蓄電池充電過多，會(huì)對(duì)充電電壓進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)而對(duì)充電電流進(jìn)行限制。和恒流充電進(jìn)行比較，恒壓充電所出現(xiàn)的電解水相對(duì)較少，在快要充電完成時(shí)，由于充電的電流不高，就會(huì)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(shí)控制起來比較容易，然而在開始充電時(shí)，因?yàn)樾铍姵氐亩穗妷翰桓?，電流較大，析氣比較嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致蓄電池的內(nèi)部活性物質(zhì)出現(xiàn)脫落，導(dǎo)致蓄電池的溫度升高，很容易讓蓄電池電極板出現(xiàn)彎曲的問題，而直接造成蓄電池報(bào)廢。在充電末期時(shí)，因?yàn)殡娏鬟^小，充電的時(shí)間較長(zhǎng)，又會(huì)造成蓄電池因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間充電不夠，而使鉛酸蓄電池容量降低。所以，在榮祥相對(duì)較小，電壓相對(duì)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(duì)恒流或恒壓的充電優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行利用，而整合所形成的充電方式。在開始充電時(shí)，可以利用限定的恒定電流快速的給蓄電池充電，當(dāng)蓄電池組的端電壓已經(jīng)達(dá)到了一定的數(shù)值之后，便選用恒定電壓進(jìn)行充電。當(dāng)充電的電流隨著充電的進(jìn)行而慢慢開始減少時(shí)，就一直等到蓄電池充電滿。該種充電方式在初期不會(huì)發(fā)生電流過大的問題，在充電的后期也不會(huì)發(fā)生電壓太高的狀況，使得蓄電池出現(xiàn)的大量析氣得到避免，使得蓄電池的溫升降低，起到了對(duì)蓄電池安全進(jìn)行保護(hù)的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李明楊.獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略及其應(yīng)用研究[D].中南大學(xué)，2010.

[2]曹衛(wèi)華，李明楊，陳鑫，吳敏.獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)高效充電控制器設(shè)計(jì)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010（07）.

[3]呂文文.獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].山東大學(xué)，2014.

[4]王悅霖.獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā) 電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（21）.

[5]陳令軍.光伏發(fā)電系統(tǒng)充電控制器設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].湖南大學(xué)，2014.

[6]馬洪莉.戶用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)與研究[D].青島大學(xué)，2010.