光伏控制器(教学课件PPT)

光伏组件发电特性分析单体电池发电特性认识项目5光伏控制器光伏方阵结构设计光伏方阵方位设计控制器是太阳能光伏发电系统的核心部件之一，也是平衡系统的主要组成部分。在小型光伏发电系统中，控制器主要用来保护蓄电池。在大中型系统中，控制器担负着平衡光伏系统能量，保护蓄电池及整个系统正常工作和显示系统工作状态等重要作用，控制器可以单独使用，也可以和逆变器等合为一体。在特殊的应用场合中，特别对于小型光伏发电系统，控制器决定了一个系统功能。所以必须掌握小型或独立光伏发电系统控制器的认识及典型控制电路制作。(a)小功率控制器(b)中功率控制器(c)中功率控制器光伏控制器实训（应用）一、光伏控制器功能光伏控制器应具有以下功能：1.防止蓄电池过充电和过放电，延长蓄电池寿命；2.防止太阳能电池板或电池方阵、蓄电池极性接反；(怎么验证？)3.防止负载、控制器、逆变器和其他设备内部短路；4.具有防雷击引起的击穿保护；5.具有温度补偿的功能6.显示光伏发电系统的各种工作状态，包括：蓄电池（组）电压、负载状态、电池方阵工作状态、辅助电源状态、环境温度状态、故障报警等蓄电池电压等级：黄红常绿闪烁绿市电互补控制器市电互补控制器视频三、光伏控制器的主要技术参数1.系统电压系统电压也叫额定工作电压，是指光伏发电系统的直流工作电压，电压一般为12V和24V，中、大功率控制器也有48V、110V、220V等。2.最大充电电流最大充电电流是指太阳能电池组件或方阵输出的最大电流，根据功率大小分为5A、6A、8A、IOA、12A、15A、20A、30A、40A、50A、70A、100A、150A、200A、250A、300A等多种规格。有些厂家用太阳能电池组件最大功率来表示这一内容，间接地体现了最大充电电流这一技术参数。3.太阳能电池方阵输入路数小功率光伏控制器一般都是单路输入，而大功率光伏控制器都是由太阳能电池方阵多路输入，一般大功率光伏控制器可输入6路，最多的可接入12路、18路。4.电路自身损耗控制器的电路自身损耗也是其主要技术参数之一，也叫空载损耗（静态电流）或最大自消耗电流。为了降低控制器的损耗，提高光伏电源的转换效率，控制器的电路自身损耗要尽可能低。控制器的最大自身损耗不得超过其额定充电电流的1%或0.4W。根据电路不同白身损耗一般为5～20mA5.蓄电池过充电保护电压(HVD)蓄电池过充电保护电压也叫充满断开或过压关断电压，一般可根据需要及蓄电池类型的不同，设定在14.1～14.5V（12V系统）、28.2～29V（24V系统）和56.4～58V（48V系统）之间，典型值分别为14.4V、28.8V和57.6V。蓄电池充电保护的关断恢复电压(HVR)-般设定为13.1～13.4V(12V系统)、26.2～26.8V（24V系统）和52.4—53.6V(48V系统)之间，典型值分别为13.2V、26.4V和52.8V。6.蓄电池的过放电保护电压(LVD)蓄电池的过放电保护电压也叫欠压断开或欠压关断电压，一般可根据需要及蓄电池类型的不同，设定在10.8～11.4V（12V系统）、21.6～22.8V（24V系统）和43.2～45.6V(48V系统)之间，典型值分别为I1.1V、22.2V和44.4V。蓄电池过防电保护的关断恢复电压(LVR)一般设定为12.1～12.6V（12V系统）、24.2～25.2V(24V系统)和48.4～50.4V(48V系统)之间，典型值分别为12.4V、24.8V和49.6V。7.蓄电池充电浮充电压。蓄电池的充电浮充电压一般为13.7V（12V系统）、27.4V(24V系统)和54.8V(48V系统)。8.温度补偿控制器一般都具有温度补偿功能，以适应不同的环境工作温度，为蓄电池设置更为合理的充电电压。控制器的温度补偿系数应满足蓄电池的技术要求，其温度补偿值一般为-20～-40m\U℃。9.工作环境温度控制器的使用或工作环境温度范围随厂家不同一般在-20～+50℃之间。10.其他保护功能(1)控制器输入、输出短路保护功能。控制器的输入、输出电路都要具有短路保护电路，提供保护功能。(2)防反充保护功能。控制器要具有防止蓄电池向太阳能电池反向充电的保护功能。(3)极性反接保护功能。太阳能电池组件或蓄电池接入控制器，当极性接反时，控制器要具有保护电路的功能。(4)防雷击保护功能。控制器输入端应具有防雷击的保护功能，避雷器的类型和额定值应能确保吸收预期的冲击能量。(5)耐冲击电压和冲击电流保护。在控制器的太阳能电池输入端施加1.25倍的标称电压持续一小时，控制器不应该损坏。将控制器充电回路电流达到标称电流的1.25倍并持续一小时，控制器也不应该损坏。1.太阳能电源控制器对储能装置的接反保护实验2.太阳能电源控制器对储能装置的过充保护实验3.太阳能电源控制器对储能装置的过放保护实验4.太阳能电源控制器对储能装置的夜间防反充实验5.1.2光伏控制器分类及控制原理一、光伏控制器的分类及功能光伏控制器按电路方式的不同分为并联型、串联型、脉宽调制型、多路控制型、两阶段双电压控制型和最大功率跟踪型；按电池组件输入功率和负载功率的不同可分为小功率型、中功率型、大功率型及专用控制器（如草坪灯控制器）等；按放电过程控制方式的不同，可分为常规过放电控制型和剩余电量(SOC)放电全过程控制型。对于应用了微处理器的电路，实现了软件编程和智能控制，并附带有自动数据采集、数据显示和远程通信功能的控制器，称之为智能控制器。二、并联型控制器并联型控制器也叫旁路型控制器，它是利用并联在太阳能电池两端的机械或电子开关器件控制充电过程。当蓄电池充满电时，把太阳能电池的输出分流到旁路电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉：当蓄电池电压回落到一定值时，再断开旁路恢复充电。由于这种方式消耗热能，所以一般用于小型、小功率系统。光伏控制器工作原理实训实训目标：充电放电1.分析开关Q1充电过程的操作。(1)开关Q1什么时候导通，其3点的工作电压情况如何？控制处于什么状态？(2)开关Q1什么时候截至，其3点的工作电压情况如何？控制处于什么状态？2.分析开关Q2放电过程的操作。----gsdb符号：4个电极：漏极D，源极S，栅极G和衬底B。序号蓄电池电压Q1sdQ1gdQ2sd状态利用稳压电源代替蓄电池，关闭平台蓄电池。通过实验找出控制器对蓄电池保护的4个电压点（过压关断电压、过压关断恢复电压、欠压关断电压、、欠压关断恢复电压）三、串联型控制器串联型控制器是利用串联在充电回路中的机械或电子开关器件控制充电过程。当蓄电池充满电时，开关器件断开充电回路，停止为蓄电池充电；当蓄电池电压回落到一定值时，充电电路再次接通，继续为蓄电池充电。串联在回路中的开关器件还可以在夜间切断光伏电池供电，取代防反充二极管。串联型控制器同样具有结构简单、价格便宜等特点，但由于控制开关是串联在充电回路中，电路的电压损失较大，使充电赦率有所降低。四、脉宽调制型控制器该控制器以脉冲方式开光伏组件的输入，当蓄电池逐渐趋向充满时，随着其端电压的逐渐升高，PWM电路输出脉冲的频率和时间都发生变化，使开关器件的导通时间延长、间隔缩短，充电电流逐渐趋近于零。当蓄电池电压由充满点向下降时，充电电流又会逐渐增大。与前两种控制器电路相比，脉宽调制充电控制方式虽然没有固定的过充电电压断开点和恢复点，但是电路会控制当蓄电池端电压达到过充电控制点附近时，其充电电流要趋近于零。这种充电过程能形成较完整的充电状态，其平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池当前的充电状况，能够增加光伏系统的充电效率并延长蓄电池的总循环寿命。另外，脉宽调制型控制器还可以实现光伏系统的最大功率跟踪功能，因此可作为大功率控制器用于大型光伏发电系统中。脉宽调制型控制器的缺点是控制器的自身工作有4%～8%的功率损耗。五、多路控制器多路控制器一般用于几千瓦以上的大功率光伏发电系统，将太阳能电池方阵分成多个支路接入控制器。当蓄电池充满时，控制器将太阳能电池方阵各支路逐路断开；当蓄电池电压回落到一定值时，控制器再将太阳能电池方阵逐路接通，实现对蓄电池组充电电压和电流的调节。这种控制方式属于增量控制法，可以近似达到脉宽调制控制器的效果，路数越多，增幅越小，越接近线性调节。但路数越多，成本也越高，因此确定太阳能电池方阵路数时，要综合考虑控制效果和控制器的成本。六、智能型控制器智能型控制器采用CPU或MCU等微处理器对太阳能光伏发电系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制规律由单片机内程序对单路或多路光伏组件进行切断与接通的智能控制。中、大功率的智能控制器还可通过单片机的RS232/485接口通过计算机控制和传输数据，并进行远距离通信和控制。七、最大功率点跟踪型控制器最大功率点跟踪型控制器的原理是将太阳能电池方阵的电压和电流检测后相乘得到的功率，判断太阳能电池方阵此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉冲宽度、调制输出占空比、改变充电电流，再次进行实时采样，并做出是否改变占空比的判断。通过这样的寻优跟踪过程，可以保证太阳能电池方阵始终运行在最大功率点。最大功率点跟踪型控制器可以使太阳能电池方阵始终保持在最大功率点状态，以充分利用太阳能电池方阵的输出能量。同时，采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。5.2光伏电池最大功率点跟踪方法一、定电压跟踪缺点是：控制精度差，特别是对于早晚和四季温度变化剧烈的地区；必须人工干预才能良好运行，更难预料风、沙等影响。为了克服以上缺点，可以在CVT的基础上采用一些改进的办法：手工调节方式：根据实际温度的情况，手动调节设置不同情况下的Vmax，但这比较麻烦和粗糙。微处理器查询数据表格方式：事先将不同温度下测得的Vmax值存储于EPROM中，实际运行时，微处理器通过光伏阵列上的温度传感器获取阵列温度，通过查表确定当前的Vmax值。采用CVT以实现MPPT控制，由于其良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多的使用，特别是光伏水泵系统中。随着光伏系统控制技术的计算机及微处理器化，该方法逐渐被新方法所替代。二、功率反馈（PowerFeedback）法功率反馈法的基本原理是通过采集太阳能电池阵列的直流电压值和直流电流值，采用硬件或者软件计算出当前的输出功率，由当前的输出功率P和上次记忆的输出功率P'来控制调整输出电压值。三、扰动观测（PerturbationandObservation－P&O）法扰动观测法是目前实现MPPT最常用的方法之一。原理是先让光伏电池按照某一电压值输出，测得它的输出功率，然后再在这个电压的基础上给一个电压扰动，再测量输出功率，比较测得的两个功率值，如果功率值增加了，则继续给相同方向的扰动，如果功率值减少了，则给反方向的扰动。此法最大的优点在于其结构简单，被测参数少，能比较普遍的适用于光伏系统的最大功率跟踪。但是，在系统已经跟踪到最大功率点附近时，扰动仍然没有停止，这样系统在最大功率点附近振荡，会损失一部分功率，而且初始值和步长的选取对跟踪的速度和精度都有较大的影响。扰动观测法的优点有：控制回路简单；跟踪算法简明，容易实现。缺点是：在阵列最大功率点附近振荡，导致部分功率损失；初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响；有时会发生程序在运行中的“误判”现象。BUCK与BOOST电路分析1.定电压跟踪法、扰动观测法的优缺点分析。2.在最大功率点跟踪实现过程中，改变太阳能电池什么输出量来得到最大功率点？3.如何改变太阳能电池的输出电压值，以获取不同功率值？4.什么最大功率跟踪法可以使光伏电池板始终输出最大功率点。开关管Q也为PWM控制方式，但最大占空比Dy必须限制，不允许在Dy=1的状态下工作。电感Lf在输入侧，称为升压电感。Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式。也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。BOOST升压电路中：电感的作用：是将电能和磁场能相互转换的能量转换器件，当MOS开关管闭合后，电感将电能转换为磁场能储存起来，当