独立光伏发电系统控制器设计与应用

孟德明

摘 要：因为科技水平不高的限制，光伏发电的成本过高等原因的阻碍，长期以往，在对光伏发电系统进行应用的效果上都不令人满意，这就使其在很大程度上的提升与发展受到影响。所以，为了促进光伏发电能够更好的提升和发展，促进光伏发电技术的提升，很多人对独立光伏发电系统的控制器进行了改善，这对于光伏技术的发展来说具有非常重要的价值。本文首先介绍了光伏发电系统的种类，之后阐述了独立光伏发电系统充电控制器的工作原理和应用。

关键词：独立光伏；发电系统；控制器；类型；设计与应用

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

0 引言

到了二十一世纪，全球的资源越来越呈现出短缺的状况，且越来越严重，已经成了全球性的问题，于是世界上每个国家都开始提出对环境进行保护，对资源进行节约的发展战略，并由此对于可再生能源的利用和开发进行大力的倡导。在如此之多的可再生资源当中，最为具有代表且最具有开发和利用价值的就是太阳能。世界上很多国家对于太阳能的利用和开发也都进行了研究，更是获得了较好的成效，其中效果最好，最为成功，且广泛应用到了多个行业中的研究当属光伏发电系统的设计。然而，因为科技水平不高的限制，光伏发电的成本过高等原因的阻碍，长期以往，在对光伏发电系统进行应用的效果上都不令人满意，这就使其在很大程度上的提升与发展受到影响。所以，为了促进光伏发电能够更好的提升和发展，促进光伏发电技术的提升，很多人对独立光伏发电系统的控制器进行了改善，这对于光伏技术的发展来说具有非常重要的价值。

1 光伏发电系统介绍

光伏发电系统是通过控制器，将太阳能光伏电池所产生的那些稳定性较差电能直变成稳定性较好的交流电能的系统。根据应用的场合不同，可以将光伏发电系统分成三个类别，分别为独立式、并网式，以及混合式光伏发电系统。

1.1 独立式光伏发电系统

独立式光伏发电系统通常包括光伏阵列、铅酸蓄电池组、直流/交流变换器、离网型逆变器以及负载等。由于未和电网进行并联，故而叫做独立或是离网系统，需要蓄电池组对光伏阵列出现的多余电能进行存储，当如光照不够或是根本没有光照时，蓄电池就可以放电，对负载进行补足进而供应电能。独立式光伏系统通常都是在游牧民族或是山区应用，因为在这些区域很难讲电网进行相连。另外，独立式光伏发电系统还在卫星广播电视、移动通信基站等区域应用的较为广泛。其构成见图1。

1.2 并网式光伏发电系统

并网光伏发电系统指的是把电网和发电系统进行并联，通常包括直流、交流变换器、光伏阵列以及负载和并网型逆变器等部分。因为和电网进行并联，发电系统就没有必要利用蓄电池对多余的电能进行存储，而是利用并网逆变器把电能和电网进行连接，发电系统则是成了电网的辅助。在这个系统当中，核心是并网逆变器，为确保在进行并网时，不会给电网造成干扰，并网逆变器一定要和电网保持在同一个频率，相同相位的交流电。

1.3 混合式光伏发电系统

和独立式和并网式光伏发电系统比较，混合式光伏发电系统多了一组发电机，如果太阳照射不够，或者是严重超过負载时，系统就不能供给需要的电能，这时对发电机组进行启动，就可以给系统构建一个供电的保障。

2 独立光伏发电系统充电控制器的设计和应用

2.1 整体设计原理

通常来看， 光伏充电系统不仅包括太阳能电池板、逆变器、蓄电池组，同时还包括控制器和充电控制器等构成部分。光伏阵列把太阳能转变成直流电能，再将其连接到充电控制器，通过最大功率进行跟踪以后，再利用控制器给蓄电池组充电，或者将其连接到逆变器的直流输入端，还能够对其提供外部直流负载。在逆变器的里面，当直流实现了到交流的转换以后，输出供交流负载，具体见图 2。

2.2 独立光伏充电控制器的重要作用

在光伏发电系统里，因为具有特殊的应用场合，光伏充电控制器一定要与光伏发电系统的特征相吻合，所以光伏充电控制器应该具有以下作用：

（1）对光伏阵列进行最大功率的跟踪。因为受到不断变化的外界环境影响，为了能够在最大程度上对光伏阵列所输出的电能进行利用，进而完成对充电系统进行最大的功率输出，就要使充电控制器跟踪光伏阵列的最大功率点。

（2）完成快速智能充电的目的。因为在光伏发电系统里，所输入的电能缺少稳定性，所以在其系统当中，为了可以使负载的需求得到满足，如果光伏阵列所输入的电能不够时，就需要蓄电池对其进行放电补充，如果光伏阵列所输入的电能足够时，就要给电池充电。所以，当蓄电池处在不断的进行充放电的状态时，系统就能够结合其容量以及所处的放电状态，处在不同的充电状态中，进而实现对蓄电池进行快速智能充电的作用。

（3）对蓄电池起到保护作用。为了避免对蓄电池进行过度的充放电，利用浮充电实现修复蓄电池的目的，进而实现对蓄电池进行保护的作用，从而使蓄电池的使用寿命得以延长。

（4）通信作用。光伏充电控制器可以实现和光伏发电系统主控制器通信的作用，不但能够实现对电流、电压进行充电，还可以实现蓄电池容量、充电状态等，对充电控制器的输出进行调配，进而确保其工作的状态。

（5）起到指示和报警的作用。结合充电控制器的所处的工作状态不同，光伏充电控制器利用LED灯起到指示和报警的作用，当其是在最大功率进行充电时，显示的单灯亮；当处在充电充电时就会显示双灯亮；如果是进行浮充电时，就会显示三灯亮。如果充电控制器处于故障状态时，就会发出蜂鸣声进行报警，这时充电控制器就会运行停止，结合所出现的故障不同，LED灯就会出现不同的显示，例如处于过流状态，就会出现单灯闪烁；如果处于过压状态时，就会出现双灯闪烁。

2.3 独立光伏充电控制器的充电技术

受到环境因素的影响，在光伏发电系统当中，光伏阵列供给的电能十分的限，为可以对这些有限的电能进行充分的利用，利用过去的方式对蓄电池进行充电很难使系统的需求得到满足，因此，与独立光伏发电系统相符的智能充电技术，是对跟踪技术进行的最大功率利用，这样可以让太阳能在最大程度上的得到转化，并将转变过的电能输进至系统当中。本文具体介绍了光伏发电系统中常见的智能充电方法。

（1） 恒流充电。当蓄电池组充电时所接受的电流是保持恒定的，并利用控制输出电压对输出的电流进行维持，主要由分段与单一两种恒流充电方式。从分段方式来看，所处的阶段不同，就应该选取的电流不同，与恒压充电差不多，重要的是要选择合理的结合点进行转换，主要由蓄电池的温升与端电压等方面的状况。对于所有串联的电池来说，恒流充电对其所充的电量都是一样多的，同时也不会如恒压充电那样出现充电不够的问题，在很多节电池串联在一起的状况下也比较适合，同时越多的电池串连在一起越好。从单一方式来看，在充电的整个过程里，所进行充电的电流是不发生改变的。两种恒流充电都具有成不不高、控制比较简单的好处，但不足也很明显。根据马斯曲线能够显示，充电的进行过程中，蓄电池能够承受的电流是会随其变小的。因此，为了能够避免充电之后蓄电池出现气体，单一的恒流充电通常选用的是比较小的电流。

（2）恒压充电。所谓恒压充电，指的是当蓄电池组在充电的过程中，会让蓄电池的充电电压保持恒定不变的状态，当开始进行充电时，电流会较大，但是由于充电进程的急需，蓄电池的端电压就会升高，与此同时，电流就会渐渐降低。通常来看，为避免在一定范围内，蓄电池充电过多，会对充电电压进行设置，进而对充电电流进行限制。和恒流充电进行比较，恒压充电所出现的电解水相对较少，在快要充电完成时，由于充电的电流不高，就会使得蓄电池过充得以避免。恒压充电的好处就是很容易完成，同时控制起来比较容易，然而在开始充电时，因为蓄电池的端电压不高，电流较大，析气比较严重，会导致蓄電池的内部活性物质出现脱落，导致蓄电池的温度升高，很容易让蓄电池电极板出现弯曲的问题，而直接造成蓄电池报废。在充电末期时，因为电流过小，充电的时间较长，又会造成蓄电池因为长时间充电不够，而使铅酸蓄电池容量降低。所以，在荣祥相对较小，电压相对较低的电池中常用恒压充电。

（3）两阶段式充电。该充电方式是通过对恒流或恒压的充电优点进行利用，而整合所形成的充电方式。在开始充电时，可以利用限定的恒定电流快速的给蓄电池充电，当蓄电池组的端电压已经达到了一定的数值之后，便选用恒定电压进行充电。当充电的电流随着充电的进行而慢慢开始减少时，就一直等到蓄电池充电满。该种充电方式在初期不会发生电流过大的问题，在充电的后期也不会发生电压太高的状况，使得蓄电池出现的大量析气得到避免，使得蓄电池的温升降低，起到了对蓄电池安全进行保护的作用。

参考文献：

[1]李明杨.独立光伏发电系统的控制策略及其应用研究[D].中南大学，2010.

[2]曹卫华，李明杨，陈鑫，吴敏.独立光伏发电系统高效充电控制器设计[J].浙江大学学报（工学版），2010（07）.

[3]吕文文.独立光伏发电系统控制器设计与应用[D].山东大学，2014.

[4]王悦霖.独立运行光伏发 电系统设计研究[J].科技创新与应用，2015（21）.

[5]陈令军.光伏发电系统充电控制器设计与开发[D].湖南大学，2014.

[6]马洪莉.户用独立光伏发电系统控制电路的设计与研究[D].青岛大学，2010.