光伏科普小知识：光伏电站中的控制器

控制器是光伏电站中的重要组成部分，再对控制器设计选型时，必须考虑到控制器是否能够对光伏电站的电能变换和对蓄电池充电进行优化控制和管理。只有选择了合适的类型，才能提高光伏电站的安全可靠性，为用户提供更好的用电质量。 　　独立运行的光伏电站通常由光伏电池阵列、蓄电池组、控制器、逆变器、低压输电线路和用户负载组成。其中蓄电池起着储存盒调节电能的作用：当日光充足光伏电池产生的能量过剩时，蓄电池组将多余的电能储存起来；当系统发电量不足或负载用电量大时，蓄电池组向负载补充电能，并保持供电电压的稳定。 　　控制器是光伏电站中的控制部分：它根据日照强弱及负荷的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节，使其在充电、放电或浮充电等多种工况下交替运行，从而保证光伏电站工作的连续性和稳定性；通过检测蓄电池组的荷电状态，发出蓄电池组继续充电、停止充电、继续放电、减少放电量或停止放电的指令，保护蓄电池组不受过度充电和放电；另外，控制器还具多种保护和监测功能，控制器是整个电站供电的中枢，它的运行状况直接影响整个电站的可靠性，是系统设计、生产和安装过程中需要特别注意的关键部分。 　　控制器控制充放电的基本原理 　　1蓄电池充电控制 　　不同的蓄电池具有不同的充放电特性，因此也要有不同的控制策略。这里以铅酸蓄电池为例来说明控制器的工作原理。 　　铅酸蓄电池的充电方式有很多种，例如浮充充电、限流恒压充电、递增电压充电等。其中使用最多的是限流恒压充电，充电时蓄电池的端电压变化图如下图左侧所示。 　　充电过程分为三个阶段。第一阶段，在活性物质微孔内形成的硫酸骤增，来不及向极板外扩散，因此电池电势增大，蓄电池端电压上升较快（OA段）；第二阶段，随着活性物质微孔中硫酸比重的增加速度和向外扩散的速度逐渐趋向平衡，所以蓄电池端电压上升缓慢（AB段）；第三阶段，电流使蓄电池中的水大量分解，在两个极板上开始产生大量的气体，这些气体是不良导体并且能够使蓄电池的内阻增大，蓄电池端电压继续上升但是上升的速度明显变慢（CD段）。 　　在第三阶段之后，如果继续给蓄电池充电的话，将会由于过充电而损坏，影响蓄电池的使用寿命。根据这一原理，在控制器中设置电压测量和电压比较电路，通过对D点电压值的监测，即可判断蓄电池是否应该结束充电；这种控制方式就是电压型充电控制，比较器设置的D点电压称为“门限电压”或电压阀值。 　　2蓄电池放电控制基本原理　　 　　上图右侧显示了铅酸蓄电池的放电过程。与充电过程类似，放电过程中蓄电池的端电压也是由三个阶段组成。第一阶段，放电开始时，短时间内蓄电池端电压快速下降（OA段）；第二阶段，蓄电池端电压缓慢下降（AC段）；第三阶段，蓄电池的端电压在极短的时间内快速降低（CD段）。 　　由此可知，放电过程中，第二阶段的时间越长，平均电压就越高，其电压特性也就越好。根据这一原理，在控制器中设置电压测量和电压比较电路，通过检测出D点电压值，就可以判断蓄电池是否应该结束放电，这种控制方式就是电压型放电控制，D点电压称为“门限电压”或“电压阀值”。 　　控制器的类型及特点 　　目前常用的光伏系统充放电控制器有串联旁路多阶和脉冲型多种，它们各有特点，应用对象也不尽相同。 　　1串联控制器 　　控制器检测电路监控蓄电池端电压，当电池充满电端电压达到对应的阀值时，串联控制器开关元件切断蓄电池充电回路，蓄电池停止充电；当蓄电池端电压下降到恢复充电的电压阀值时，开关元件在此接通蓄电池充电回路，恢复蓄电池充电。串联控制器的优点是体积小、线路简单、价格便宜，但是由于控制用功率晶体管存在着管压降，当充电电压较低时会带来较大的能量损失。另外当控制元件断开时，输入电压将升高到发电单元开路电压的水平，因此串联控制器适用于千瓦级以下的光伏发电系统。 串联控制器 　　2旁路控制器 　　控制器监测电路监控蓄电池端电压，当电池充满电端电压达到对应的阀值时，开关元件接通耗能负载，断开蓄电池回路，过充电流将被开关元件转移到耗能负载，将多余的功率转变为热能。当蓄电池端电压下降到恢复充电的电压阀值时，开关元件断开耗能负载，同时接通蓄电池充电回路。 　　旁路控制器设计简单、价格便宜、充电回路损耗小，但是要求控制元件具有较大的电流通断能力。简单的旁路控制器主要用于千瓦级以下的光伏发电系统，高标准的旁路控制器也可用于较大功率的光伏电站。在多组太阳能电池板串联成的方阵里，通过旁路串联组中的一个或多个电池板实现对蓄电池充电电压的调节称为部分旁路控制，部分旁路控制器电路原理如下图所示。 旁路控制器 部分旁路控制器 　　3多阶控制器 　　多阶控制器多电路的核心部件是一个受充电电压控制的充电信号发生器。多阶控制器根据蓄电池的充电状态，控制器自动设定不同的充电电流：当蓄电池处于未充满状态时，允许仿真的电流全部流进蓄电池组；当蓄电池组接近充满时，控制器消耗掉一些方针的输出功率，以便减少流进蓄电池的电流；当蓄电池组逐渐接近完全充满时，“涓流”充电渐渐停止。 　　将多阶控制器原理应用到由多个子方阵组成的光伏电站，可形成多路控制，没一个子方阵所产生的电流成为多阶控制的每个充电电流阶梯。根据蓄电池组充电状态，控制器依次接通各个子方阵的输入，也可以逐个将各个子方阵的输入切换至耗能负载，这样就产生了大小不同的充电电流。如下图所示。为了充分利用太阳能，也可将子方阵的多余电能转接到次要用电负载。 多阶控制器 电流大小不同的多阶控制器 　　4脉冲控制器 　　脉冲控制器的核心部件是一个受充电电压调制的充电脉冲发生器，控制器以斩波方式工作，对蓄电池进行脉冲充电。开始充电时脉冲控制器以脉宽冲充电，随着充电电压的上升，充电脉冲宽度逐渐变窄，平均充电电流也逐渐减少，当充电电压达到预置电平时，充电脉冲宽度变为0，充电终止。脉冲控制器充电方式合理、效率高，适合用于功率较大的光伏发电站。 脉冲控制器 　　脉宽调制（PWM）控制器与脉冲控制器基本原理相同，主要区别是将充电脉冲发生器设计成充电脉宽调制器，使充电脉冲的平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池当前的荷电状态，荷电最理想的状态是符合蓄电池的充电电流可接受去下。使用交——直流变换的PWM控制器还可以实现光伏电站的最大功率跟踪功能。因此，脉宽调制器可用于大型光伏电站，缺点是脉宽调制控制器自身将带来一定的损耗（大约4%~8%）。