离网光伏发电系统中的充放电控制器

太阳能控制器全称为光伏充放电控制器，是光伏发电系统中控制太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。它可以根据蓄电池的充、放电特性设定控制条件控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，其主要功能是保护蓄电池，稳定电站工作状态。光伏控制器可根据功能和电路结构分成开关型控制器、脉宽调制型控制器、具有MPPT功能的脉宽调制型控制器和智能型控制器等。

1、开关型控制器

通常的充放电控制器的主要功能是限制充电电流和电压，确保蓄电池能得到快速有效的充电和放电，保护蓄电池，避免过充电和过放电。光伏充放电控制器除了要具备通常控制器的功能外还要兼顾光伏组件发电的伏安特性，早期的光伏控制器比较简单，通常是采用单级控制的方法，即所谓控制器就是在光伏组件和蓄电池之间设置一个电子开关（图1），当蓄电池达到设定电压时，切断开关，停止充电。而当电压下降后再次接入充电，如此往复，直至蓄电池充满。由于蓄电池自身充电过程中的浮充电压影响，导致这种模式的充电后期充停频繁，需要较长时间，而对于太阳能发电来讲，白天有阳光的时间有限，因此蓄电池常常充不满电，而同时在白天有太阳的时候，光伏发出来的电力大量浪费，效率较低。通常被应用在100W以下的小型发电系统中。

图1 单级开关式充电控制器及工作模式

开关型充电控制器由于光伏组件的输出是通过控制开关直接接入蓄电池两端的，因此光伏组件的输出电压必须严格按照蓄电池电压来设计，过低则无法正常充电，过高则造成浪费甚至损坏控制器和蓄电池。由于蓄电池电压是与蓄电池的充电状态关系很大，譬如一个12伏的蓄电池在亏电状态的电压约11伏左右，而在充满电的状态要接近15伏，因此针对这样一个蓄电池，我们的输入电压就必须大于15伏，加上光伏组件因温度等影响的电压下降因素，通常光伏组件的设计电压是17-18伏。显然，在给一个亏电的蓄电池充电前期，光伏组件的输出电压会被蓄电池钳位在较低的范围，效率是很低的。而到了蓄电池接近充足的时候，蓄电池会进入浮充状态，即充充停停状态，而当蓄电池处于浮电停充的时候，光伏发出来的电实际上是浪费掉的，而此时的蓄电池并没有真正充满。这种光伏控制器简单、便宜，但是在充电过程中光伏组件发出的电力没有完全利用起来，充电转换效率为只有70～76%。

图2、开关型充电控制器电压电流示意图

多级开关型控制器比单级控制器充电效果要好，（图3）显示的是一个典型的4级控制的控制器，它可以将光伏组件分成若干组，采用多个控制器来给蓄电池充电，每个控制器可设定不同的断开电压，这样就可以达到阶梯电流充电的目的。这样的控制器的充电效果要明显比单级控制器高。这种控制方案通常被应用在10kW以下的中小型电站中。

图3、一个典型的4级控制的控制器及充电电流示意图

2、脉宽调制型 (PMW) 控制器

脉宽调制型（PMW）控制方式，是一种根据蓄电池充电状态，采用脉宽占空比的方式自动控制输出电压和电流的一种充放电控制器，它可以充分利用光伏发电对蓄电池进行高效的充电，几乎没有浪费的电力，如果在与光伏组件的配接端再设置最大功率跟踪（MPPT）电路，则该类控制器控制效率可达97%以上。由于此类控制器采用脉动电流充电，脉动充电的瞬间电压较高，可以有效防止蓄电池的假死和睡眠状态，对于普通铅酸电池甚至还有修复和激活作用。当蓄电池接近充满时，脉宽调制型控制器可以逐步减少输出脉宽的占空比，依旧保持足够的充电电压，但是可以根据蓄电池充电状态减少给蓄电池的充电电流，采用类似于“涓流充电”，可以大大提高充电效果，同时也提高了蓄电池的寿命。PWM充电电路电压损失较低，充电效率比普通开关型高3%-6%，因此该技术得到了广泛应用，可以解决电池不满的问题，充电转换效率为75～80%。

图4、脉宽调制型 (PMW) 控制器工作原理

3、最大功率点跟踪（MPPT）控制器

PMW技术解决了高效充电的问题，但是光伏组件的输出依旧会被蓄电池的充电状态所影响，光伏组件无法工作在最大功率点上，也就是说光伏组件的发电效率没有真正体现出来。最大功率点跟踪（MPPT）技术可以确保光伏组件的输出始终保持在最佳状态而不受蓄电池电压的影响。MPPT太阳能控制器能够实时检测太阳能板电压和电流，并不断追踪最大功率（P=U*I），使系统始终以最大功率对蓄电池进行充电，MPPT跟踪效率为99%，整个系统发电效率可高达97%，这个充电过程可分为MPPT充电、恒压均充电和恒压浮充电。采用MPPT的充放电控制器，输入电压范围较宽，因此对光伏组件的电压要求也就不再像早期离网光伏电站那样要用专用的离网组件了，光伏组件或组件串电压只要符合控制器输入电压范围或MPPT电压范围即可。MPPT技术和PMW技术相结合也是光伏控制器的发展热点。

3、智能型控制器

随着电子和电脑技术的发展，微电脑技术也被广泛应用于光伏发电系统的控制系统中。智能型控制器通常也采用MPPT技术和PMW技术，智能光伏控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器等相关电路，可针对多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电展开智能化自动控制。微电脑的数据采集和监测控制系统为采集和存储实时光伏系统数据和工作状态提供了方便，智能化光伏控制器还具有通信数据传输功能，为数据遥测、光伏电站集中管理和远距离控制提供了操作平台。通过使用创新性的最大功率追踪技术，光伏控制器能保证太阳能阵列全天时、全天候的最大效率的工作。可以将光伏组件工作效率提高30%（平均可提高效率为10%-25%）。

由于蓄电池容量和充放电电压与蓄电池温度关系密切，因此充放电控制器一般都有温度补偿功能，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。其温度补偿值一般为-20~40mV/℃。

充放电控制器的另一个功能是过放控制保护，即过放终止电压保护。大部分蓄电池都不容许过度放电，过放电会导致蓄电池性能和寿命严重下降。过放控制器通常就是一个电子开关，当蓄电池放电电压低于设定值时切断负荷电路，停止放电，以达到保护蓄电池的目的。蓄电池放电保护设定值通常是根据蓄电池种类和性能确定的，譬如一般将12V铅酸电池过放保护点电压设置为：11.10v， 24V系统的过放保护点电压就为22.20V，而单个锂离子电池的切断电压设置为3.2V左右。