光伏科普小知識：光伏電站中的控制器

控制器是光伏電站中的重要組成部分，再對控制器設(shè)計選型時，必須考慮到控制器是否能夠?qū)夥娬镜碾娔茏儞Q和對蓄電池充電進(jìn)行優(yōu)化控制和管理。只有選擇了合適的類型，才能提高光伏電站的安全可靠性，為用戶提供更好的用電質(zhì)量。 　　獨立運行的光伏電站通常由光伏電池陣列、蓄電池組、控制器、逆變器、低壓輸電線路和用戶負(fù)載組成。其中蓄電池起著儲存盒調(diào)節(jié)電能的作用：當(dāng)日光充足光伏電池產(chǎn)生的能量過剩時，蓄電池組將多余的電能儲存起來；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電量不足或負(fù)載用電量大時，蓄電池組向負(fù)載補充電能，并保持供電電壓的穩(wěn)定。 　　控制器是光伏電站中的控制部分：它根據(jù)日照強弱及負(fù)荷的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)，使其在充電、放電或浮充電等多種工況下交替運行，從而保證光伏電站工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性；通過檢測蓄電池組的荷電狀態(tài)，發(fā)出蓄電池組繼續(xù)充電、停止充電、繼續(xù)放電、減少放電量或停止放電的指令，保護(hù)蓄電池組不受過度充電和放電；另外，控制器還具多種保護(hù)和監(jiān)測功能，控制器是整個電站供電的中樞，它的運行狀況直接影響整個電站的可靠性，是系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)和安裝過程中需要特別注意的關(guān)鍵部分。 　　控制器控制充放電的基本原理 　　1蓄電池充電控制 　　不同的蓄電池具有不同的充放電特性，因此也要有不同的控制策略。這里以鉛酸蓄電池為例來說明控制器的工作原理。 　　鉛酸蓄電池的充電方式有很多種，例如浮充充電、限流恒壓充電、遞增電壓充電等。其中使用最多的是限流恒壓充電，充電時蓄電池的端電壓變化圖如下圖左側(cè)所示。 　　充電過程分為三個階段。第一階段，在活性物質(zhì)微孔內(nèi)形成的硫酸驟增，來不及向極板外擴(kuò)散，因此電池電勢增大，蓄電池端電壓上升較快（OA段）；第二階段，隨著活性物質(zhì)微孔中硫酸比重的增加速度和向外擴(kuò)散的速度逐漸趨向平衡，所以蓄電池端電壓上升緩慢（AB段）；第三階段，電流使蓄電池中的水大量分解，在兩個極板上開始產(chǎn)生大量的氣體，這些氣體是不良導(dǎo)體并且能夠使蓄電池的內(nèi)阻增大，蓄電池端電壓繼續(xù)上升但是上升的速度明顯變慢（CD段）。 　　在第三階段之后，如果繼續(xù)給蓄電池充電的話，將會由于過充電而損壞，影響蓄電池的使用壽命。根據(jù)這一原理，在控制器中設(shè)置電壓測量和電壓比較電路，通過對D點電壓值的監(jiān)測，即可判斷蓄電池是否應(yīng)該結(jié)束充電；這種控制方式就是電壓型充電控制，比較器設(shè)置的D點電壓稱為“門限電壓”或電壓閥值。 　　2蓄電池放電控制基本原理　　 　　上圖右側(cè)顯示了鉛酸蓄電池的放電過程。與充電過程類似，放電過程中蓄電池的端電壓也是由三個階段組成。第一階段，放電開始時，短時間內(nèi)蓄電池端電壓快速下降（OA段）；第二階段，蓄電池端電壓緩慢下降（AC段）；第三階段，蓄電池的端電壓在極短的時間內(nèi)快速降低（CD段）。 　　由此可知，放電過程中，第二階段的時間越長，平均電壓就越高，其電壓特性也就越好。根據(jù)這一原理，在控制器中設(shè)置電壓測量和電壓比較電路，通過檢測出D點電壓值，就可以判斷蓄電池是否應(yīng)該結(jié)束放電，這種控制方式就是電壓型放電控制，D點電壓稱為“門限電壓”或“電壓閥值”。 　　控制器的類型及特點 　　目前常用的光伏系統(tǒng)充放電控制器有串聯(lián)旁路多階和脈沖型多種，它們各有特點，應(yīng)用對象也不盡相同。 　　1串聯(lián)控制器 　　控制器檢測電路監(jiān)控蓄電池端電壓，當(dāng)電池充滿電端電壓達(dá)到對應(yīng)的閥值時，串聯(lián)控制器開關(guān)元件切斷蓄電池充電回路，蓄電池停止充電；當(dāng)蓄電池端電壓下降到恢復(fù)充電的電壓閥值時，開關(guān)元件在此接通蓄電池充電回路，恢復(fù)蓄電池充電。串聯(lián)控制器的優(yōu)點是體積小、線路簡單、價格便宜，但是由于控制用功率晶體管存在著管壓降，當(dāng)充電電壓較低時會帶來較大的能量損失。另外當(dāng)控制元件斷開時，輸入電壓將升高到發(fā)電單元開路電壓的水平，因此串聯(lián)控制器適用于千瓦級以下的光伏發(fā)電系統(tǒng)。 串聯(lián)控制器 　　2旁路控制器 　　控制器監(jiān)測電路監(jiān)控蓄電池端電壓，當(dāng)電池充滿電端電壓達(dá)到對應(yīng)的閥值時，開關(guān)元件接通耗能負(fù)載，斷開蓄電池回路，過充電流將被開關(guān)元件轉(zhuǎn)移到耗能負(fù)載，將多余的功率轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋．?dāng)蓄電池端電壓下降到恢復(fù)充電的電壓閥值時，開關(guān)元件斷開耗能負(fù)載，同時接通蓄電池充電回路。 　　旁路控制器設(shè)計簡單、價格便宜、充電回路損耗小，但是要求控制元件具有較大的電流通斷能力。簡單的旁路控制器主要用于千瓦級以下的光伏發(fā)電系統(tǒng)，高標(biāo)準(zhǔn)的旁路控制器也可用于較大功率的光伏電站。在多組太陽能電池板串聯(lián)成的方陣?yán)铮ㄟ^旁路串聯(lián)組中的一個或多個電池板實現(xiàn)對蓄電池充電電壓的調(diào)節(jié)稱為部分旁路控制，部分旁路控制器電路原理如下圖所示。 旁路控制器 部分旁路控制器 　　3多階控制器 　　多階控制器多電路的核心部件是一個受充電電壓控制的充電信號發(fā)生器。多階控制器根據(jù)蓄電池的充電狀態(tài)，控制器自動設(shè)定不同的充電電流：當(dāng)蓄電池處于未充滿狀態(tài)時，允許仿真的電流全部流進(jìn)蓄電池組；當(dāng)蓄電池組接近充滿時，控制器消耗掉一些方針的輸出功率，以便減少流進(jìn)蓄電池的電流；當(dāng)蓄電池組逐漸接近完全充滿時，“涓流”充電漸漸停止。 　　將多階控制器原理應(yīng)用到由多個子方陣組成的光伏電站，可形成多路控制，沒一個子方陣所產(chǎn)生的電流成為多階控制的每個充電電流階梯。根據(jù)蓄電池組充電狀態(tài)，控制器依次接通各個子方陣的輸入，也可以逐個將各個子方陣的輸入切換至耗能負(fù)載，這樣就產(chǎn)生了大小不同的充電電流。如下圖所示。為了充分利用太陽能，也可將子方陣的多余電能轉(zhuǎn)接到次要用電負(fù)載。 多階控制器 電流大小不同的多階控制器 　　4脈沖控制器 　　脈沖控制器的核心部件是一個受充電電壓調(diào)制的充電脈沖發(fā)生器，控制器以斬波方式工作，對蓄電池進(jìn)行脈沖充電。開始充電時脈沖控制器以脈寬沖充電，隨著充電電壓的上升，充電脈沖寬度逐漸變窄，平均充電電流也逐漸減少，當(dāng)充電電壓達(dá)到預(yù)置電平時，充電脈沖寬度變?yōu)?，充電終止。脈沖控制器充電方式合理、效率高，適合用于功率較大的光伏發(fā)電站。 脈沖控制器 　　脈寬調(diào)制（PWM）控制器與脈沖控制器基本原理相同，主要區(qū)別是將充電脈沖發(fā)生器設(shè)計成充電脈寬調(diào)制器，使充電脈沖的平均充電電流的瞬時變化更符合蓄電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)，荷電最理想的狀態(tài)是符合蓄電池的充電電流可接受去下。使用交——直流變換的PWM控制器還可以實現(xiàn)光伏電站的最大功率跟蹤功能。因此，脈寬調(diào)制器可用于大型光伏電站，缺點是脈寬調(diào)制控制器自身將帶來一定的損耗（大約4%~8%）。