【正文】 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(jié)構(gòu)相似，唯一區(qū)別在于開關(guān)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。 檢測控制電路隨時(shí)對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行檢測，當(dāng)電壓大于“充滿切斷電壓”時(shí)， T1 導(dǎo)通，進(jìn)行“過充電保護(hù)”；當(dāng)電壓小于“過放電壓”時(shí)， T2 關(guān)斷，進(jìn)行“過放電保護(hù)” 。同時(shí)，當(dāng)蓄電池電壓小于“過放電壓”時(shí)， T2 也關(guān)斷，進(jìn)行“過放電保護(hù)”。 D1 為“防反充電二極管”， 只有當(dāng)太陽能電池方陣輸出電壓大于蓄電池電壓時(shí)， D1 才能導(dǎo)通，反之 D1 截止，從而保證夜晚或陰雨天時(shí)不會(huì)出現(xiàn)蓄電池向太陽能電池方陣反向充電，起到“防反向充電保護(hù)”作用。 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。 ⑨ 智能型控制器 采用帶 CPU 的 單片機(jī)（如 Intel 公司的 MCS51 系列）対光伏電源系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)采集，并按照一定的控制規(guī)律由軟件程序?qū)温坊蚨嗦饭夥疥囘M(jìn)行切斷 /接通控制。每天系統(tǒng)放電之前，先檢測出蓄電池當(dāng)天的剩余容量，然后根據(jù)剩余容量設(shè)定當(dāng)天的負(fù)荷功率或工作時(shí)間。這種控制方式簡單，但當(dāng)連續(xù)陰天 或系統(tǒng)超負(fù)載運(yùn)行 時(shí)，蓄電池將不可避免的過放電，而一旦蓄電池的電壓達(dá)到過放電點(diǎn)，系統(tǒng)將在蓄電池被充滿之前被強(qiáng)迫停止工作。同時(shí)，采用 PWM 調(diào)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。 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(shí)的輸出功率是否達(dá)到最大，若不在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，則調(diào)整脈寬、調(diào)制輸出占空比、改變充電電流，再次進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并作出是否改變占空比的判斷。所以，系統(tǒng)在初充電達(dá)到均衡充電電壓以后，立即自動(dòng)改變充電調(diào)節(jié)的電壓保護(hù)點(diǎn)，即由均衡充電電壓保護(hù)點(diǎn) 只改變?yōu)楦〕潆妷罕Ｗo(hù)點(diǎn)單只電池 （開口電池為 ）。根據(jù)鉛酸蓄電池的電化學(xué)工作原理 ，開始充電階段，只有盡快達(dá)到這個(gè)電壓值 ，蓄電池的電解液才能避免層化效應(yīng)而以最高效率完成電化學(xué)反應(yīng)，也就是充電效率最高。 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(gè)階段。這種控制方式屬于增量控制法，可以近似達(dá)到脈寬調(diào)制控制器的效果，路數(shù)越多，增幅越小，增幅越小，越接近線性調(diào)節(jié)。 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(gè)支路接入控制器。按照美國桑地亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究，這種充電過程其平均充電電流的瞬時(shí) 變化更符合蓄電池當(dāng)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(shí)控制器的充電效率高 15%）并延長蓄電池的總循環(huán)壽命。 ③ 脈寬調(diào)制型控制器 它以 PWM 脈沖方式開關(guān)光伏方陣的輸入。當(dāng)光伏系統(tǒng)作為負(fù)電源使用時(shí)（往往用與通信系統(tǒng)），開關(guān)電路的設(shè)計(jì)將有所改變。串聯(lián)在回路中的開關(guān)器件還可以在夜間切斷光伏陣列，取代防反充二極管。 ② 串聯(lián)型控制器 利用串聯(lián)在回路中的機(jī)械或電子開關(guān)器件控制充電過程。當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，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(dāng)蓄電池電壓回落到一定值時(shí)， 再斷開旁路 并恢復(fù)充電，因?yàn)檫@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(nèi)的系統(tǒng)。對(duì)于除基本充放電控制功能外還附帶有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、顯示和遠(yuǎn)程通信功能的控制器，習(xí)慣上稱為智能型控制器。 本章小結(jié) 本章主要是對(duì)光伏系統(tǒng)中控制器功能的研究，主要內(nèi)容有控制器的工作原理、充放電控制、對(duì)太陽方位和高度的跟蹤、對(duì)太陽電池最大功率點(diǎn)的跟蹤等。登山法是最常用的控制法，通常的登山法是在最大功率點(diǎn)附近逐點(diǎn)計(jì)算、比較功率值來尋找最大功率點(diǎn)。功率數(shù)學(xué)模型法是建立功率對(duì)占空比的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)日射量和溫度有變化時(shí)要重新求得數(shù)學(xué)模型的參數(shù)，通過改變 占空比達(dá)到最大功率點(diǎn)。如果工作點(diǎn)已越過 maxP ,到達(dá) 4U 此時(shí)若再增加△ U，則工作點(diǎn)到達(dá) 5U ,比較結(jié)果： 5P 4P ,說明工作點(diǎn)在 maxP 右邊，輸入信號(hào)差△ U 使輸出功率變小，需要改變輸入信號(hào)的變化方向，即輸入信號(hào)每次減去△ U，再比較現(xiàn)時(shí)功率與記憶功率，就這樣周而復(fù)始地尋找最大功率點(diǎn) maxP 。當(dāng)負(fù)載特性與太陽電池陣列特性的交點(diǎn)在陣列最大功率點(diǎn)相應(yīng)電壓 mU 之左時(shí)， MPPT的作用是使交點(diǎn)處的電壓升高，而當(dāng)交點(diǎn)在陣列最大功率點(diǎn)相應(yīng)電壓 mU 之右時(shí)， M 即 T 的作用是使交點(diǎn)處的電壓下降。 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(fù)載特性曲線 L 的交點(diǎn) A， B， C， D， E 即為光伏系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如果能使工作點(diǎn)移至光伏陣列伏安曲線的最大功率點(diǎn) 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(fù)載之間加 L 一個(gè)最大功率跟蹤適配器來完成這個(gè)工作。 對(duì)太陽能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤 為了讓太陽能電池的輸出功率達(dá)到最大 ， 除了采用太陽高度和方位跟蹤的技術(shù)之外，還有一種太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤。兩個(gè)方向的追蹤都完成后，電池板將停止運(yùn)動(dòng) 。 太陽能板 采樣電壓 電機(jī)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(zhuǎn)到盡頭 而鎖死，此時(shí)采樣電壓保持不變，只要在程序中加入當(dāng)采樣電壓不變時(shí) 電池板反轉(zhuǎn)的指令即可。為防止機(jī)械抖動(dòng)，當(dāng)電池板電壓再次減小時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)電池板正對(duì)著太陽。電池板可能朝向太陽旋轉(zhuǎn)，也可能背向太陽旋轉(zhuǎn)，所以電壓也有增大和減小兩種可能。控制部分主要由軟件算法構(gòu)成，具有成本低，智能化程度高，擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。太陽方位和高度跟蹤系統(tǒng)主要分為機(jī)械部分和控制部分。 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(jī)等構(gòu)成。 太陽能電池是依靠太陽光輻射能而產(chǎn)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(chǎn)生的電能就不同。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(dòng)跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板始終對(duì)著太陽 .保持最大的發(fā)電效率，具有成本低、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。 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。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(fù)雜性，提高控制的效率和準(zhǔn)確性，必定能大大提高光伏系統(tǒng)的性能。我認(rèn)為，智能電池的處理器模塊應(yīng)根據(jù)不同廠 家的蓄電池專門定制，在蓄電池出廠時(shí)就集成在內(nèi)部，這樣才比較準(zhǔn)確、 可靠?，F(xiàn)在，在國內(nèi)沒有看到智能鉛酸蓄電池，不過，有公司推出了 一種智能電池模塊，該模塊帶有液晶顯示器， 通信接口，蓄電池荷電狀態(tài)檢 測單元。該論太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 30 壇會(huì)員都是著名的芯片制造商和電池制造商。這種蓄電池的內(nèi)部裝有一個(gè)處理器，能存儲(chǔ)蓄電池的數(shù)據(jù)，如隨溫度變化的性能或充電數(shù)據(jù)。 在蓄電池充放電的控制中，除了經(jīng)典控制理論的方法，智能控制的方法之外，還有一種使用智能蓄電池的方法。但由于目前市場上該種單片機(jī)的種類較少，故價(jià)格較高。 用數(shù)字單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是它可以由用戶軟件實(shí)現(xiàn)任意一種推理方法，靈活實(shí)用， 但是一般需事先進(jìn)行脫機(jī)處理，工作量比較大。 ③ 控制的實(shí)現(xiàn)。 ② 模糊變量隸屬函數(shù)的選擇和控制規(guī)則的建立。它直接關(guān)系到是否能得到一個(gè)令人滿意的輸出。采用模糊控制技術(shù)對(duì)蓄電池的充放太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 29 電進(jìn)行控制，這種方法拋開了對(duì)蓄電池模型的研究，而是根據(jù)技術(shù)人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，在不知道或很少知道蓄電池特性參數(shù)的情況下，通過對(duì)電池充電過程中的某幾項(xiàng)輸入或反饋值的判 斷來決定充電電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)智能充電。 ③ 離散性。一般來說，電池的可接受充電電流隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降。 影響充電效果的因素很多，像 電解液濃度，極板活性物質(zhì)的濃度，環(huán)境溫度等變量的不同，都會(huì)使充電效果產(chǎn)生很大的差異。在光伏系統(tǒng)中，太陽能電池的輸出，蓄電池的負(fù)載及蓄電池的自放電都是不確定的量，所以可以將模糊控制應(yīng)用于蓄電池的充電。模糊控制的最大特征是將人的經(jīng)驗(yàn)表示成語言控制規(guī)則，然后再用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)。人們?cè)诓捎檬謩?dòng)控制方式時(shí)，并不是根據(jù)一個(gè)精確的 靈敏學(xué) 模型對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控 制，而是利用感官獲得信息，通過自己的經(jīng)驗(yàn)做出決策，再手工完成控制過程。 模糊控制理論是以模糊集合論，模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。光伏系統(tǒng)中經(jīng)典控制理論的方法運(yùn)用比較的廣泛，現(xiàn)在絕大多數(shù)的實(shí)用的控制器都是使用前面所說的經(jīng)典控制理論的方法。第一類是設(shè)定充電電壓，放電電壓的極限值，當(dāng)蓄電池的在線電壓超出這個(gè)范圍時(shí)就進(jìn)行 過充或過放保護(hù)。經(jīng)典控制理論的方法一般給控制對(duì)象建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)傳感器輸入，用模型計(jì)算出相應(yīng)的控制輸出，去控制對(duì)象，使其正常工作。有的控制器還具有通信功能，能把光伏系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程的設(shè)備。對(duì)太陽能電池進(jìn)行保護(hù)。對(duì)太陽能的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤 (max impowerpoint Tacking，MPPT)。它可以是各種形式的電路來擔(dān)當(dāng)這個(gè)角色。這里的開關(guān) K K2 分別為充電開關(guān)和放電開關(guān)，它們均屬于控制器電路的一部分， K K2 的開合由控制電路根據(jù)系統(tǒng)充放電狀態(tài)來決定：當(dāng)蓄電池充滿時(shí)斷開充電開關(guān) K1，否則閉合；當(dāng)蓄電池過放時(shí)斷開放電開關(guān) K2，否則閉合。 控制器基本原理 如圖 所示的電路是一個(gè)最基本的充放電控制器原理?？偟恼f來，控制器的主要作用有如下幾個(gè)方面： ① 調(diào)節(jié)光伏電池的功率輸出特性，保證光伏電池、蓄電池向負(fù)載可靠供電及光伏電能的充分利用； ② 讓蓄電池在允許的限制范圍內(nèi)按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)者規(guī)定的模式工作，特別是要防止過度充電和深度放電。蓄電池部分主要 介紹蓄電池的原理、特性、 充放電控制策略等問題。 在了解了負(fù)載特性之后，其次 要考慮當(dāng)?shù)氐墓庹諚l件。按照這個(gè)原則，首先得了解負(fù)載需求。 光伏系統(tǒng)的系統(tǒng)配置與計(jì)算 在設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)時(shí)，太陽能電池的功率和蓄電池的容量是需要確定的兩個(gè)太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 25 重要的參數(shù)。這種方法比較簡便，雖然精度不是很高，但在一些中小型系統(tǒng)中已經(jīng)夠用了。而蓄電池的開路電壓在數(shù)值上接近電動(dòng)勢。 在從外參數(shù)入手的第二條途徑中，有一種方法是利用蓄電池穩(wěn)態(tài)開路電壓來估算蓄電池的荷電狀態(tài)。 第二條途徑是從蓄電池外部參數(shù)入手?；蛘哒业匠潆婋娏骱碗妷旱淖兓潆姇r(shí)間的推移對(duì)蓄電池內(nèi)部的影響，用一種內(nèi)置的方法測出這種影響。這個(gè)途徑是從蓄電池的本質(zhì)機(jī)理來探討它的荷電狀態(tài)，從蓄電池在充電過程中發(fā)生的一系列的變化來指導(dǎo)充電電流，電壓的調(diào)整。對(duì)于一般的免維護(hù)鉛酸蓄電池，普通維護(hù)人員要想去測它的電解液密度是不可能的。但這種方法對(duì)于現(xiàn)在大量使用的免維護(hù)鉛酸蓄電池就很不好實(shí)行了。早期的鉛酸蓄電池是開口的，或電池蓋是可以打開的。 對(duì)鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)的檢測歸納起來有兩條途徑 ： 第一條途徑是從蓄電池內(nèi)部入手。有很多文章和專著對(duì)測量鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)這個(gè)問題進(jìn)行了探討，也提出了一些比較有效的方法，但由于鉛酸蓄電池內(nèi)部 的機(jī)理比較復(fù)雜，很多理論都只是一個(gè)近似解，離實(shí)用所要求的完善，可靠，還有一定的差距。蓄電池在不同的荷電狀態(tài)時(shí)，所要求的最佳充電電流，充電電壓是變化的，不同的。 鉛酸 蓄電池放電 控制 策略 判斷鉛酸蓄電池是否達(dá)到過放電一般的方法是設(shè)定一個(gè)電壓下限 dmU ,它太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 23 是放電電流的函數(shù) dmU = ? ?dfI ,當(dāng)蓄電池放電時(shí)的端電壓低于 dmU 時(shí)便切斷負(fù)載，一直到蓄電池的端電壓恢復(fù)到一個(gè)比 dmU 大一點(diǎn)的值后，才重新允許放電。當(dāng)蓄電池放電到一定程度時(shí)，應(yīng)停止放電，防止過放電減少蓄電池壽命 。過充電程度也隨季節(jié)天氣變化，在冬季，蓄電池可能從沒充滿過，在夏天，蓄電池可能經(jīng)常是滿的。在天氣晴朗的夏日，蓄電池放電深度小 。 影響 鉛酸 蓄電池壽命的因素及充放電保護(hù) 影響蓄電池壽命的因素有 :放電深度 、 過充電程度等。若是單路的太陽能電池，則可以使用脈沖充電的方法，或快速充電中的充一會(huì)，再放一瞬間的方法。但在實(shí)際的光伏系統(tǒng)的配置中，蓄電池的充電率往往很小，一般來說充電電流大都在蓄電池可接受的范圍內(nèi)，所以在一般情況下可以不考慮蓄電池充電電流大于可接受電流的問題。當(dāng)然也要考慮蓄電池的接受能力，蓄電池放電后的初始充電電流是有個(gè)上限的，隨著充電的進(jìn)行蓄電池可接受的充電電流在逐漸變小。 鉛酸 蓄電池常用的充電方法 普通應(yīng)用的鉛酸蓄電池的充電方法有恒流充電，恒壓充電及恒壓限流充電太陽能發(fā)電蓄電控制系統(tǒng)畢業(yè)論文 22 等，這些方法在光伏系統(tǒng)中都用不上，因?yàn)楣夥到y(tǒng)中蓄電池的充電沒有固定的規(guī)律，充電的情形是隨光照在變化的。 ③ 蓄電池的運(yùn)行方式 根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用要求，可將多個(gè)同型號(hào)蓄電池串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成蓄電池組。當(dāng)蓄電池發(fā)生內(nèi)部短路或外部損壞而不能使用，使蓄電池 使用失效，這時(shí)蓄電