任务2.3 光伏控制器的功能、分类及原理分析
【任务目标】
（1）了解控制器的分类。
（2）掌握控制器的功能。
（3）掌握控制器的工作原理。
【相关知识】
太阳能电池组件在太阳光照射下，可以直接对直流负载供电，也可以将产生的电能储存在储能装置中，当发电不足或负载用电量大时，由储能装置向负载补充电能。储能装置尤其是蓄电池，在充电和放电过程中需加以控制，频繁地过充电和过放电，都会影响蓄电池的使用寿命，为保护蓄电池不受过充电和过放电的损害，必须有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电，这套系统称为充放电控制器，充放电控制器是离网型光伏系统中最基本的控制电路。控制器可以单独使用，也可以和逆变器等合为一体。光伏控制器外形如图2.32所示。
图2.32 光伏控制器外形图
（a）小功率控制器；（b）中功率控制器；（c）大功率控制器
2.3.1 控制器功能
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。
（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。
2.3.2 控制器的基本工作原理
控制电路根据光伏系统的不同，其复杂程度也是不一样的，但其基本原理都相同，图2.33是一个最基本的充放电控制器的工作原理图，在该电路原理图中，由太阳能光伏组件、蓄电池控制器电路和负载组成一个基本的光伏应用系统，这里K1和K2分别为充电开关和放电开关。K1闭合时，由太阳能光伏组件给蓄电池充电；K2闭合时，由蓄电池给负载供电。当蓄电池充满电或出现过充电时，K1将断开，光伏组件不再对蓄电池充电；当电压回落到预定值时，K1再自动闭合，恢复对蓄电池充电。当蓄电池出现过放电时，K2将断开，停止向负载供电；当蓄电池再次充电，电压回升到预设值后，K2再次闭合，自动恢复对负载供电。开关K1与K2的闭合和断开是由控制电路根据系统充放电状态决定，开关K1和K2是广义的开关，它包括各种开关元件，如机械开关、电子开关。机械开关如继电器、交直流接触器等，电子开关如小功率三极管、功率场效应管、固态继电器、晶闸管等。根据不同的系统要求选用不同的开关元件或电器。
图2.33 充放电控制器的工作原理
在独立光伏系统中，充放电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，同时保护蓄电池，具有充电完成和容量不足时断开和恢复充放电功能，以避免过充电和过放电现象的发生。
2.3.3 控制器的分类
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、智能型控制型和最大功率点跟踪型；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。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。
1.并联型控制器
并联型控制器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。
并联控制器的电路原理如图2.34所示。并联型控制器电路中充电回路的开关器件K1并联在太阳能电池或电池组的输出端，控制器检测电路监控蓄电池的端电压，当充电电压超过蓄电池设定的充满断开电压值时，开关器件K1导通，同时防反充二极管VD1截止，使太阳能电池的输出电流直接通过K1旁路泄放，不再对蓄电池进行充电，从而保证蓄电池不被过充电，起到防止蓄电池过充电的保护作用。
图2.34 并联控制器的电路原理图
开关器件K2为蓄电池放电控制开关，当蓄电池的供电电压低于蓄电池的过放保护电压值时，K2关断，对蓄电池进行过放电保护。当负载因过载或短路使电流大于额定工作电流时，控制开关K2也会关断，起到输出过载或短路保护的作用。
检测控制电路随时对蓄电池的电压进行检测，当电压大于充满保护电压时，K1导通，电路实行过充电保护；当电压小于过放电电压时，K2关断，电路实行过放电保护。
电路中的VD2为蓄电池接反保护二极管，当蓄电池极性接反时，VD2导通，蓄电池将通过VD2短路放电，短路电流将熔断器熔断，电路起到防蓄电池接反保护作用。
开关器件、VD1、VD2及熔断器FU等一般和检测控制电路共同组成控制器电路。该电路具有线路简单、价格便宜、充电回路损耗小、控制器效率高的特点。当防过充电保护电路动作时，开关器件要承受太阳能电池组件或方阵输出的最大电流，所以要选用功率较大的开关器件。
2.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，使充电效率有所降低。
串联型控制器的电路原理如图2.35所示。它的电路结构与并联型控制器的电路结构相似，区别仅仅是将开关器件K1由并联在太阳能电池输出端改为串联在蓄电池充电回路中。控制器检测电路监控蓄电池的端电压，当充电电压超过蓄电池设定的充满断开电压值时，K1关断，使太阳能电池不在对蓄电池进行充电，从而保证蓄电池不被过充电，起到防止蓄电池过充电的保护作用。
图2.35 串联型控制器的电路原理图
3.脉宽调制型控制器
脉宽调制（PWM）型控制器是以脉冲方式开关太阳能电池组件的输入，随着蓄电池的充满，脉冲的频率或占空比发生变化，使导通时间缩短，充电电流逐渐减小，当蓄电池电压由充满点向下降时，充电电流又会逐渐增大，符合蓄电池对于充放电过程的要求，能有效地消除极化，有利于完全恢复蓄电池的电量，延长蓄电池的循环使用寿命。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。
与串联控制器、并联控制器相比，脉宽调制型控制方式无固定的过充和过放电压点，但电路会控制蓄电池端电压达到过充/过放控制点附近时，其充放电电流趋近于0，脉宽调制型充放电控制器的开关元件一般选用功率场效应晶体管（MOSFET），其电路原理如图2.36所示。
蓄电池的直流采样电压从比较器的负端输入，调制三角波从正端输入，用直流电压切割三角波，在比较器的输出端形成一组脉宽调制波，用这组脉冲控制开关晶体管的导通时间，达到控制充电电流的目的。对于串联型控制器，当蓄电池的电压上升，脉冲宽度变窄，充电电流变小，当蓄电池的电压下降，脉冲宽度变宽，充电电流增大；而对于并联型控制器，蓄电池的直流采样电压和调制三角波在比较器的输入端与前面的相反，以实现随蓄电池电压的升高并联电流增大（充电电流减小），随电压下降并联电流减小（充电电流增大）。
图2.36 PWM控制器的电路原理图
4.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系统的运行参数进行实时高速采集，并按照一定的控制规律由单片机内程序对太阳能电池组件进行接通与切断的智能控制，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，并进行远程通信和控制，智能型控制器不但具有充放电控制功能，而且具有数据采集和存储、通信及温度补偿功能，智能型控制器的电路原理如图2.37所示。
图2.37 智能型控制器的电路原理图
5.最大功率点跟踪型控制器
最大功率点跟踪型控制器（MPPT）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。
MPPT的寻优方法有多种，如导纳增量法、间歇扫描法、模糊控制法、扰动观察法等。最大功率点跟踪型控制器主要由直流变换电路、测量电路和单片机及其控制采集软件等组成，其充放电控制器原理如图2.38所示。其中直流变换（DC/DC）电路一般为升压（BOOST）型或降压（BUCK）型斩波电路，测量电路主要是测DC/DC变换电路的输入侧电压和电流值、输出侧的电压值及温度等。
图2.38 最大功率跟踪型控制器充放电控制原理图
将太阳能电池方阵的工作电压信号反馈到控制电路，控制开关的导通时间Ton，使太阳能电池方阵的工作电压始终工作在某一恒定电压，同时将斩波电路的输出电流（蓄电池的充电电流）信号反馈到控制电路，控制开关的导通时间Ton，则可使斩波电路具有最大的输出电流。
【任务实施】
（1）记录实验用的光伏控制器型号及铭牌上的参数，说明参数含义。
（2）结合光伏控制器使用说明书，说明控制器指示灯的亮灭的含义。