【導讀】控制策略、充放電保護進行介紹。及防蓄電池過充電過放電等功能進行分析。紹，并重點對單路串聯(lián)型充放電控制器電路進行設計。包括檢測控制電路驅動。此外，本文還對蓄電池、光伏組件的容量及串并聯(lián)的設計方法進行分。析，最后対我國光伏發(fā)展前景和機遇做出展望。

　　

【正文】 由第三方提供對所有鉛酸蓄電池都能用的“智能電池模塊”，這樣做，模塊的準確性就會 下 降了。如果 在光伏系統(tǒng)中使用智能電池模塊，就能降低控制器的復雜性，提高控制的效率和準確性，必定能大大提高光伏系統(tǒng)的性能。 對太陽方位和高度的跟蹤 國內外目前已有了很多光伏電站。 這些光伏電站的太陽能電池板陣列基本上都是固定的，沒有充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下，制約了大規(guī)模電站的發(fā)展。太陽能發(fā)電在我國多采用彈簧儲能跟蹤式、傳感器跟蹤式的系統(tǒng)，發(fā)電成本還很高，不利于跟蹤系統(tǒng)的推廣與發(fā)展。提高發(fā)電效率是降低成本的捷徑， 我國 開發(fā)的太陽能電池 自動跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板始終對著太陽 .保持最大的發(fā)電效率，具有成本低、免維護等優(yōu)點。有較好的推廣應用價值。 太陽能電池是依靠太陽光輻射能而產生電能的器件，同樣的一塊太陽能板由于放置的角度不同，所接受的光輻射能就不同，產生的電能就不同。因此為了提高 太陽能電池電能的產量，可以讓太陽能板自動的隨著天空中太陽的方位和高度的變化而跟蹤。 太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 31 太陽方位和高度跟蹤系統(tǒng)由太陽傳感器、支架、 電機等構成。 如下是我國研制的一種太陽方位和高度跟蹤系統(tǒng) 。太陽方位和高度跟蹤系統(tǒng)主要分為機械部分和控制部分。機械部分主要由電池板支架，底座和直流電機構成，機械裝置由電機驅動，可以使電池板在水平方向上的 3600 和垂直方向上的 O850 之間自由旋轉 ?？刂撇糠种饕绍浖惴嫵?，具有成本低，智能化程度高，擴展性強等優(yōu)點。系統(tǒng)工作原理如 下 圖 所示： 圖 太陽方位和高度跟蹤系統(tǒng)原理圖 系統(tǒng)進入工作狀態(tài)后，控制水平方向的電機將處于旋轉狀態(tài)，控制軟件將對采樣進來的電壓信號進行判斷。電池板可能朝向太陽旋轉，也可能背向太陽旋轉，所以電壓也有增大和減小兩種可能。 如果電池板朝向太陽旋轉，采樣電壓必然增大，程序將給出繼續(xù)轉動的指令，轉動過程中，一旦發(fā)現電壓減小，將立即發(fā)出指令，讓電池板反轉。為防止機械抖動，當電池板電壓再次減小時，電機停止轉動，此時電池板正對著太陽。如果電池板一開始就背向太陽旋轉，采樣電壓必然會減小，電池板自然會反轉，這時就 朝向太陽方向旋轉了，當電壓第二次減小時，也就說明此時電池扳正對著太陽了，電池板停止，水平方向的追蹤完成。 太陽能板 采樣電壓 電機執(zhí)行 控制算法 太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 32 在垂直方向上的跟蹤原理和步驟與水平方向的完全一致，只是電池板可能轉到盡頭 而鎖死，此時采樣電壓保持不變，只要在程序中加入當采樣電壓不變時 電池板反轉的指令即可。采樣后要有一延時，延時在 秒左右比較合適、太大會影響精度，太小則會造成采樣電壓不變，程序誤以為電池板鎖死，不再跟蹤太陽。兩個方向的追蹤都完成后，電池板將停止運動 。 這個停止時間可以在程序中自由設定，實際系統(tǒng)設定在 30 分鐘左右比較合適，這樣既可以保持較高的發(fā)電效率又可以防止過多的電能消耗在電機上。 對太陽能電池最大功率點的跟蹤 為了讓太陽能電池的輸出功率達到最大 ， 除了采用太陽高度和方位跟蹤的技術之外，還有一種太陽能電池最大功率點跟蹤。由于光伏陣列輸出特性的非線性特征，必須考慮使光伏系統(tǒng)在不同日照、溫度以及不同負載特性條件下都工作在光伏陣列輸出特性的最大功率點上或附近，從而充分利用太陽電池陣列吸收的太陽能。 圖 太陽電池在不同日照下的下 IV 特性曲線 如圖 是太陽電池在不同日照下的下 IV 特性曲線，它表明太陽電池既太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 33 非恒壓源，也非 恒流源，而是一種非線性直流電源，太陽電池陣列的伏安特性曲線與負載特性曲線 L 的交點 A， B， C， D， E 即為光伏系統(tǒng)的工作點，如果能使工作點移至光伏陣列伏安曲線的最大功率點 BCDE， ， ， ， ，A 上，就可以最大限度地提高光伏陣列的能量利用率，我們可以在光伏陣列與負載之間加 L 一個最大功率跟蹤適配器來完成這個工作。 圖 以最大功率點為極值的單峰函數特性曲線 如圖 所示， 它是一個以最大功率點為極值的單峰函數，其特點說明我們可以用步進搜索法來尋找最大功率點，即從起始狀態(tài)開始 ，每次做一有限變化，然后測量由于輸入信號變化引起輸出量變化的大小及方向，等到辨別了方向以后，再命令被控對象的輸入按需要的方向調節(jié)，實現自尋優(yōu)控制。當負載特性與太陽電池陣列特性的交點在陣列最大功率點相應電壓 mU 之左時， MPPT的作用是使交點處的電壓升高，而當交點在陣列最大功率點相應電壓 mU 之右時， M 即 T 的作用是使交點處的電壓下降。圖中說明了這個動態(tài)過程，假設工作點在 1U 處，太陽電池輸出功率為 P1，如果使工作點移到 2U = 1U +△ U, 太陽電池輸出功率為 2P ,然后比較現時功率 2P 與記憶功率 1P ,因為 2P 1P ,說明輸入信號太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 34 差 △ U 使輸出功率變大，工作點位于最大功率值 maxP 的左邊，繼續(xù)增大電壓，使工作點繼續(xù)朝右邊即 maxP 的方向變化。如果工作點已越過 maxP ,到達 4U 此時若再增加△ U，則工作點到達 5U ,比較結果： 5P 4P ,說明工作點在 maxP 右邊，輸入信號差△ U 使輸出功率變小，需要改變輸入信號的變化方向，即輸入信號每次減去△ U，再比較現時功率與記憶功率，就這樣周而復始地尋找最大功率點 maxP 。 太陽能電池的最大功率點跟蹤控制是為充分利用太陽能，使太陽能電池始終輸出最大電功率的控制，有登山法、功率數學模型法等。功率數學模型法是建立功率對占空比的數學模型，當日射量和溫度有變化時要重新求得數學模型的參數，通過改變 占空比達到最大功率點。因為是用 4 次方程定義功率對占空比的特性曲線，所以有一定的近似程度。登山法是最常用的控制法，通常的登山法是在最大功率點附近逐點計算、比較功率值來尋找最大功率點。當日射強度和溫度急劇變化時，太陽能電池的輸出特性也會有相應的變化，這就造成最大功率點的快速跟蹤難以實現。 本章小結 本章主要是對光伏系統(tǒng)中控制器功能的研究，主要內容有控制器的工作原理、充放電控制、對太陽方位和高度的跟蹤、對太陽電池最大功率點的跟蹤等。 太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 35 第四章 蓄電控制系統(tǒng)的設計 控制器的分類 按電路方式不同，太陽能控制器的充電過程控制可分為旁路型、串聯(lián)型、脈寬調制型、多路控制 型 、兩階段雙電壓控制 型 和最大功跟蹤率型；按放電過程控制方式的不同 ，可分為常規(guī)過放控制 型 和剩余容量（ SOC）放電全過程控制型。對于除基本充放電控制功能外還附帶有自動數據采集、顯示和遠程通信功能的控制器，習慣上稱為智能型控制器。 ① 旁路型控制器 利用并聯(lián)在太陽能電池方陣兩端的機械或 電子開關器件控制充電過程。當蓄電池充滿時，把光伏方陣的輸出分流到 旁路電阻器或功率模塊上去，然后以熱的形式消耗掉；當蓄電池電壓回落到一定值時， 再斷開旁路 并恢復充電，因為這種方式消耗熱能，所以一般用于小型、低功率系統(tǒng)，例如在 12V 20A 以內的系統(tǒng)。這類控制器，結構簡單，不受電源極性的影響，但容易引起 熱斑 效應。 ② 串聯(lián)型控制器 利用串聯(lián)在回路中的機械或電子開關器件控制充電過程。當蓄電池充滿時 ，開關器件斷開充電回路，蓄電池停止充電；當蓄電池電壓回落到一定值時，再接通充電回路。串聯(lián)在回路中的開關器件還可以在夜間切斷光伏陣列，取代防反充二極管。這類控制器，結構簡單，價格便宜。當光伏系統(tǒng)作為負電源使用時（往往用與通信系統(tǒng)），開關電路的設計將有所改變。串聯(lián)型控制器一般不會引起 熱斑 效應。 ③ 脈寬調制型控制器 它以 PWM 脈沖方式開關光伏方陣的輸入。當蓄電池趨向充滿時，脈沖的頻太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 36 率和時間縮短。按照美國桑地亞國家實驗室的研究，這種充電過程其平均充電電流的瞬時 變化更符合蓄電池當前的荷電狀態(tài)，能夠增加光伏系統(tǒng)的充電效率（比簡單斷開時控制器的充電效率高 15%）并延長蓄電池的總循環(huán)壽命。脈寬調制控制器的缺點是控制器自身將帶來一定的損耗（大約 4%～ 8%）。 ④ 多路控制器 一般用于 5kW 以上的大功率系統(tǒng)，太陽能電池方陣分成多個支路接入控制器。當蓄電池充滿時，控制器將太陽能方陣逐路斷開；當蓄電 池電壓回落到一定值時，控制器再將太陽能電池方陣逐路接通 ，實現對蓄電池組充電電壓和電流的調節(jié)。這種控制方式屬于增量控制法，可以近似達到脈寬調制控制器的效果，路數越多，增幅越小，增幅越小，越接近線性調節(jié)。單路數越多成本也越高，因此確定太陽能電池方陣路數時，要綜合考慮控制效果和控制器成本。 ⑤ 兩階段雙電壓控制器 將蓄電池充電過程分為均衡充電和浮充充電兩個階段。每天開始充電時，電壓調節(jié)器的調節(jié)電壓點密封電池為單只電池 ，開口電池為 ，這一點的電壓又叫均衡充電電壓。根據鉛酸蓄電池的電化學工作原理 ，開始充電階段，只有盡快達到這個電壓值 ，蓄電池的電解液才能避免層化效應而以最高效率完成電化學反應，也就是充電效率最高。在這以后，充電電壓必須立即下降，否則將開始造成電解液汽化。所以，系統(tǒng)在初充電達到均衡充電電壓以后，立即自動改變充電調節(jié)的電壓保護點，即由均衡充電電壓保護點 只改變?yōu)楦〕潆妷罕Ｗo點單只電池 （開口電池為 ）。這樣，蓄電池的整個充電過程便始終保持在最高效率狀態(tài)，而且蓄電池電解液也不會因過電壓而造成汽化損失。 ⑥ 最大功率跟蹤型控制器 太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 37 在太陽能電池方陣的電壓和電流檢測 后相乘得到的功率 ，判斷太陽能電池方陣此時的輸出功率是否達到最大，若不在最大功率點運行，則調整脈寬、調制輸出占空比、改變充電電流，再次進行實時采樣，并作出是否改變占空比的判斷。通過這樣的尋優(yōu)過程，可保證太陽能電池方陣始終運行在最大功率點狀態(tài)，以充分利用太陽能電池方陣的輸出能量。同時，采用 PWM 調制方式，使充電電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的極化，提高充電效率。 ⑦ 常規(guī)放電過程控制器 這種控制方式只設定蓄電池過放電控制點，當蓄電池電壓降至這一點時，控制器降負載斷開。這種控制方式簡單，但當連續(xù)陰天 或系統(tǒng)超負載運行 時，蓄電池將不可避免的過放電，而一旦蓄電池的電壓達到過放電點，系統(tǒng)將在蓄電池被充滿之前被強迫停止工作。 ⑧ 蓄電池放電全過程控制器 這種控制方式，根據蓄電池的剩余容量（ SOC）對蓄電池的放電進行全過程控制，即除了設定蓄電池的過放電點（ SOC=0）外，再增加幾個控制點（ SOC=70%和 SOC=50%等）。每天系統(tǒng)放電之前，先檢測出蓄電池當天的剩余容量，然后根據剩余容量設定當天的負荷功率或工作時間。此種控制方式可以有效的避免蓄電池的過放電，并避免系統(tǒng)由于蓄電池過放電造成的惡性停機。 ⑨ 智能型控制器 采用帶 CPU 的 單片機（如 Intel 公司的 MCS51 系列）対光伏電源系統(tǒng)的運行參數進行高速實時采集，并按照一定的控制規(guī)律由軟件程序對單路或多路光伏方陣進行切斷 /接通控制。智能控制器還可以通過單片機的 RS232 接口配合MODEM 調制解調器進行遠距離通信和控制。 控制 系統(tǒng) 的幾種基本電路和工作原理 太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 38 ① 單路旁路型充放電控制 系統(tǒng) 單路旁路型充放電控制 系統(tǒng) 電路原理如圖 所示。 圖 單路旁路型充放電控制 系統(tǒng) 電路原理圖 旁路型充放電控制 系統(tǒng) 充電回路中的開關器件 T1 并聯(lián)在太陽能電池方陣的輸出端，當蓄電池電壓大于“充滿切離電壓”時，開關器件 T1 導通，同時二極管 D1 截止，則太陽能電池方陣的輸出電流直接通過 T1 旁路泄放，不再對蓄電池進行充電從而保證蓄電池不會出現過充電，起到“過充電保護”作用。 D1 為“防反充電二極管”， 只有當太陽能電池方陣輸出電壓大于蓄電池電壓時， D1 才能導通，反之 D1 截止，從而保證夜晚或陰雨天時不會出現蓄電池向太陽能電池方陣反向充電，起到“防反向充電保護”作用。 開關器件 T2 為蓄電池放電開關，當負載電流大于額定電流出現過載或負載短路時， T2 關斷，起到 “輸出過載保護”和“輸出短路保護”作用。同時，當蓄電池電壓小于“過放電壓”時， T2 也關斷，進行“過放電保護”。 D2 為“防反接二極管”，當蓄電池極性接反時， D2 導通，使蓄電池通過 D2T1 開關器件T2 檢測控制電路 D2 太陽能電池方陣 D1 + _ Bx 蓄電池 負載 太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 39 短路放電，產生很大電流快速將保險絲Ｂ x 燒斷，起到“防蓄電池反接保護”作用。 檢測控制電路隨時對蓄電池電壓進行檢測，當電壓大于“充滿切斷電壓”時， T1 導通，進行“過充電保護”；當電壓小于“過放電壓”時， T2 關斷，進行“過放電保護” 。 ② 單路串聯(lián)型充放電控制 系統(tǒng) 單路串聯(lián)型充放電控制 系統(tǒng) 電路原理如圖 所示。 圖 單路串聯(lián)型充放電控制器電路原理圖 串聯(lián)型充放電控制 系統(tǒng) 和旁路型充放電控制 系統(tǒng) 電路結構相似，唯一區(qū)別在于開關器件 T1 的接法不同，旁路型控制 系統(tǒng) T1 并聯(lián)在太陽能電池方陣輸出端，而串聯(lián)型控制 系統(tǒng) T1 是串聯(lián)在充電回路中。當蓄電池電壓大于充滿切斷電壓時， T1