风光互补控制器的选用、连接与调试.doc

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1、风光互补控制器的选用、连接与调试一、 任务导入风光互补路灯系统完全利用风力和太阳光能为路灯供电，无需外接市电网。系统兼具风能和太阳能产品的双重优点，由风力和太阳能协同发电，电能储存于蓄电池中，自动感应外界光线变化，无需人工操作，不需要输电线路，不消耗电能，有明显的经济效益。所有这些优点都是需要由风光互补控制器来实现。二、 相关知识学习情境1光伏控制器概述（一）光伏控制器的基本概念光伏控制器是离网型光伏发电系统中不可缺少的部分，是最基本的控制电路，他主要由电子器件、仪表、继电器、开关等组成。任何光伏离网系统大到上百千瓦光伏系统，小到一个草坪灯、手电筒，都要用到充电控制器，尽管他们系统大小不同，但

2、充电控制器的控制原理是一样的，只是其硬件与软件的复杂程度不一样。如图3-17所示为小功率光伏控制器面板图，光伏控制器应具有以下功能：防止蓄电池过充电和过放电，延长蓄电池寿命；防止太阳能电池板或电池方阵、蓄电池极性接反；防止负载、控制器、逆变器和其他设备内部短路；具有防雷击引起的击穿保护；具有温度补偿的功能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。图3-17小功率光伏控制器面板图1.光伏控制器作用 在小型光伏系统中，光伏控制器也称为充放电控制器，一般用来保护蓄电池，防止其过充电与过放电，延长蓄电池的使用寿命；在大

3、中型系统中，光伏控制器起平衡光伏系统能量、保护蓄电池及整个系统正常运行等；2.光伏控制器的分类光伏控制按电路方式的不同分为并联型、串联型、脉冲调制型、多路控制型、两阶段双电压控制型和最大功率跟踪型;图3-18所示为太阳能光伏系统控制器，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;还有一种带有自动数据采集、数据显示和远程通信功能的控制器称为智能控制器。 图3-18太阳能光伏系统控制器3.光伏控制器电路原理（1）光伏控制器基本原理图3-19所示电路是一个最基本的充放电控制器原理图，电路主要由太阳能电池组件、控制电路及控制开关、蓄电池和负载组成。图3-19 光伏

4、控制器基本电路图图中开关1为充电开关，开关2为放电开关，开关1、开关2的打开与闭合，由控制电路根据系统充放电状态来决定，当蓄电池充满时电路会自动断开充电开关1，当蓄电池过放时断开放电开关2。（2）并联型控制器电路原理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。一般用于小型、小功率系统。如图3-20所示是单路并联型充放电控制器电路，VD1是防反充电二极管，VD2是防反接二极管，T1是控制器充电回路开关;T2是蓄电池放电开关，R为泄荷负载。检测控制电路随时对蓄电池的电压情况进行检测，当电压大于蓄电池最大电压时T1闭合，电路过充保护，反之T1断开;当蓄

5、电池极性接反时VD2导通，蓄电池通过VD2短路放电而熔断熔断器。图3-20 并联型充放电控制器电路（3）串联型控制器电路在图3-21基础上，将如图2-33所示T1串联于支路中，当蓄电池电压大于充满切断电压时，T1自动断开，太阳能电池板将停止对蓄电池继续充电，起到过充保护作用。图3-21 串联型充放电控制器电路（4）PWM控制器电路PWM（Pulse Width Modulation）控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值），具体PWM控制原理与实现请读者学习电力电子有关书籍，这里不做展开。图3-22所示，以脉冲方式控制光伏组件输入的开与关，当

6、蓄电池逐渐趋向充满时，其端电压逐渐升高，PWM电路输出脉冲的频率和时间都发生变化 ，使开关的导通时间延长，间隔缩短，充电电流逐渐趋于零;当蓄电池电压逐渐下降时，开关的导通时间变短，间隔延长，充电电流会逐渐增大。脉宽调制充电控制方式没有固定的过充与过放电压点，但电路采样蓄电池的端电压情况适时调整其充电电流，最后趋于零。这种充电过程能增加光伏系统的充电效率延长蓄电池的寿命。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运用。图3-22 PWM控制器电路(5)多路控制器电路 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

7、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，这种控制器一般用于KW级以上大功率光伏发电系统。如图3-23所示。图3-23 多路控制器电路图（6）智能控制器电路智能型控制器采用CPU或MCU等微处理器对太阳能发电系统的运行参数进行高速采集，除了具有过充电、过放电、短路、过载、防反接等保护功能外，按照由单片机相应的控制指令对单路或多路光伏组件进行切断与接通的智能控制，对蓄电池放电率高准确性的进行放电控制,同时具有高精度的温度补偿功能，如图3-24 所示是智能型控制器电路原理图。图3-24 智能型控制器电路原理图 （7）最大功率跟踪型控制器电

8、路最大功率跟踪即MPPT（Maximun Power Piont Tracking）。最大功率点跟踪型控制器原理是将太阳能电池方阵的电压与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。最大功率点跟踪型控制器的作用是通过直流变换电路和寻优化跟踪程序，无论太阳辐照度、温度和负载特性如何变化，始终使太阳能电池方阵工作在最大功率点附近，充分发挥太阳能电池方阵的效能，同时，采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，减少蓄电池的极化，提高充电效率。图3-25太阳能电池

9、P-U曲线图图3-25所示太阳能电池阵列的P-U曲线，曲线以最大功率点处为界，分为左右两侧，当太阳能电池工作在最大功率点电压右边的D点时，因离最大功率点较远，可以将电压值调小，即功率增加;当太阳能电池工作在最大功率点电压左边时，若是电压较小，为了获得最大功率，可以将电压值调大。 （8）采用单片机组成的MPPT充放电控制器电路如图3-26所示是一个具有MPPT功能的充放电控制器原理框图，主要由单片机及其控制采集软件、测量电路（电压、电流采集）、DC/DC变换电路三部分组成。其中DC/DC变换电路实现直流升压与降压功能;测量电路主要是DC/DC变换电路的输入侧电压和电流值、输出侧的电压值、以及温度

10、等测量;单片机及监控软件常用控制算法有：恒定电压跟踪法（VCT）、扰动观察法、增量电导法、标准蓄电池查表法等（本书不做详述，请读者根据自己的兴趣查阅相关资料）。图3-26单片机组成的MPPT充放电控制器原理框图5. 控制器控制原理光伏控制器的控制原理通常是以控制器的充放电保护模式的形式表现出来的。光伏控制器必须具有以下几种充放电保护模式：（1）直充保护点电压：直充也叫急充，属于快速充电，一般都是在蓄电池电压较低的时候用大电流和相对高电压对蓄电池充电，但是，有个控制点，也叫保护点。当充电时蓄电池端电压高于这些保护值时，应停止直充。直充保护点电压一般也是“过充保护点”电压，充电时蓄电池端电压不能高

11、于这个保护点，否则会造成过充电，对蓄电池是有损害的。（2）均充控制点电压：直充结束后，蓄电池一般会被充放电控制器静置一段时间，让其电压自然下落，当下落到“恢复电压”值时，会进入均充状态。为什么要设计均充？就是当直充完毕之后，可能会有个别电池“落后”（端电压相对偏低），为了将这些个别分子拉回来，使所有的电池端电压具有均匀一致性，所以就要以高电压配以适中的电流再充那么一小会，可见所谓均充，也就是“均衡充电”。均充时间不宜过长，一般为几分钟十几分钟，时间设定太长反而有害。对配备一块两块蓄电池的小型系统而言，均充意义不大。所以，路灯控制器一般不设均充，只有两个阶段。（3）浮充控制点电压：一般是均充完毕

12、后，蓄电池也被静置一段时间，使其端电压自然下落，当下落至“维护电压”点时，就进入浮充状态，目前均采用PWM（既脉宽调制）方式，类似于“涓流充电”（即小电流充电），电池电压一低就充上一点，一低就充上一点，一股一股地来，以免电池温度持续升高，这对蓄电池来说是很有好处的，因为电池内部温度对充放电的影响很大。其实PWM方式主要是为了稳定蓄电池端电压而设计的，通过调节脉冲宽度来减小蓄电池充电电流。这是非常科学的充电管理制度。具体来说就是在充电后期、蓄电池的剩余电容量（SOC）80%时，就必须减小充电电流，以防止因过充电而过多释气（氧气、氢气和酸气）。(4)过放保护终止电压：这比较好理解。蓄电池放电不能低

13、于这个值，这是国标的规定。蓄电池厂家虽然也有自己的保护参数（企标或行标），但最终还是要向国标靠拢的。需要注意的是，为了安全起见，一般将12V电池过放保护点电压人为加上0.3v作为温度补偿或控制电路的零点漂移校正，这样12V电池的过放保护点电压即为：11.10v，那么24V系统的过放保护点电压就为22.20V 。目前很多生产充放电控制器的厂家都采用22.2v(24v系统)标准。 学习情境2风光互补发控制器概述（一） 风光互补控制器的基本概念 风光互补控制器是专门为风光互补发电系统设计的，是集风能、太阳能发电控制于一体的智能型控制器。风光互补控制器采用先进的MPPT功率跟踪技术,保证风能和太阳能的

14、最高利用。可用电脑远程监控，软件升级和参数设置。智能化软件控制，控制精确。控制器不仅能够高效率地转化风力发电机和太阳能电池所发出的电能对蓄电池进行充电，而且还提供系统所需的各种控制和保护功能。 图3-27风光互补控制器实物图1、风光互补控制器的作用：风光互补控制器对太阳能电池和风力发电机所发的电能进行调节和控制，一方面把经调整的电能送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的电能按蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电，当风光互补发电系统所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储有的电能放完时，控制器要控制蓄电池不被过放电，以保

15、护蓄电池。风光互补控制器是风光互补发电系统中最为重要的部件，其性能影响到整个系统的寿命和运行稳定性，特别是蓄电池的使用寿命。图3-27所示是风光互补控制器实物图，控制器采用PWM无级卸载方式控制风机和太阳能电池对蓄电池进行智能充电，在太阳能电池和风力发电机所发出的电能超过蓄电池存储量时，控制系统必须将多余的能量消耗掉。普通的控制方式是将整个卸荷负载全部接上，此时蓄电池一般还没有充满，但能量却全部被消耗在卸荷负载上，从而造成了能量的浪费。有的则采用分阶段接上卸荷负载，阶段越多，控制效果越好，但一般只能做到五六级左右，所以效果仍不够理想。最好的控制方式是采用PWM（脉宽调制）方式进行无级卸载，即可以达到上千级的卸载。所以，在正常卸载情况下，可确保蓄电池电压始终稳定在浮充电压点，而只将多余的电能释放到卸荷负载上，从而保证了最佳的蓄电池充电特性，使得电能得到充分利用。由于蓄电池只能承受一定的充电电流和浮充电压，过电流和过电压充电都会对蓄电池造成严重的损害。风光互补控制器通过微处理器实时检测蓄电池的充电电压和充电电流，并通过控制风机充电电流和光伏充电电流来限制蓄电池的充电电压和充电电流，确保蓄电池既可以充满，又不会损坏，从而确保了蓄电池的使用寿命。 2、风光互补控制器的主要功能 风光互补控制器以微处理器为核心，采用现代电力电子模块化技术使得外围电路结构简单，且控制方式