太阳能电池控制器研究.docx
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太阳能电池控制器研究
目录
摘要1
第一章前言4
第1.1节太阳能电池的应用背景4
第1.2节太阳能电池的应用意义4
第1.3节本文主要研究5
第二章太阳能电池6
第2.1节太阳能电池的结构6
第2.2节太阳能电池的基本原理6
第2.3节光伏发电系统7
第2.4节本章小结9
第三章太阳能电池控制器10
第3.1节控制器的作用10
第3.2节太阳能升压充电电路11
第3.3节几种常见控制器的工作原理13
第3.4节太阳能电池充电控制15
第3.5节本章小结19
第四章太阳能电池中的逆变21
第4.1节单相并联逆变器主电路的工作原理21
第4.2节半桥双向电流源高频链逆变器构成及工作原理21
第4.3节升压三电平逆变器24
第4.4节本章小结26
第五章总系统设计27
5．1升压电路27
5.2电路工作原理27
5.3充电控制电路28
5.4充放电控制28
5.5温度补偿30
5.6工作原理30
参考文献························································33
致谢····························································34
摘要
在太阳能光伏发电系统中，控制器占据着极其重要的位置。
控制器在充电启动时刻根据电池状态决定充电模式，若电池处于过放状态就进入提升充电模式；若电池处于欠压状态就进入直充模式；若电池处于浮充状态就进入浮充模式；若电池本身超压则继续停留在超压报警状态。
当完成提升或者直充后，控制器转入浮充状态，当电池电压由于负载用电而下降到低于直充返回点时，控制器重新转入直充状态。
此时，若负载继续用电且太阳能电池板无法提供足够的充电能量导致蓄电池电压继续下降到欠压甚至过放点以下，控制器就进入过放保护，关闭负载并转入提升充电状态。
关键字：
控制器，直冲模式，浮充模式
Abstrac
Inthesolarphotovoltaicpowergenerationsystem，controlleroccupiesanimportantposition.Itsrechargemodedependsonbatterythemomentthecontrollerstartstobecharge.Inthesolarphotovoltaicpowergenerationsystem，controlleroccupiesanimportantposition.Itsrechargemodedependsonbatterythemomentthecontrollerstartstobecharged.Ifthebatteryisinover-dischargestate，thecontrollerwillstartitschargeenhancingmode；Ifthebatteryisinundervoltagestate，thecontrollerwillstartitsdirectchargemode；Ifthebatteryisinfloatstate，thecontrollerwillstartitsfloatmode；ifthebatteryitselfisinovervoltagestate，thecontrollerwillstayatthealarmingstate.Whenthecontrollerhavecompletedthechargeenhancingprogressanddirectchargeprogress，itthenstartsitsfloatstate.Whenbatteryvoltagefalltobelowerthedirectchargereturnpoint，thecontrollerwillturnintodirectchargestate.Atthemoment，iftheloadscontinuetoconsumebatterypower，andsolarsolarpanelcannotprovideenoughchargeenergyleadingtostoragebatteryvoltagecontinuetofalltoundervoltagestateevenfalltobelowover-dischargepoint，thus，thecontrollerwillturnintoover-dischargeprotecting，andclosetheloads，turnintochargeenhancingstate.
Keywords:
controller,directchargestate,enhancingmode
第一章前言
第1.1节太阳能电池的应用背景
电池行业是２１世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。
在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。
在生产和生活中，太阳能电池已在一些国家得到了广泛应用，在远离输电线路的地方，使用太阳能电池给电器供电是节约能源降低成本的好办法。
芬兰制成了一种用太阳能电池供电的彩色电视机，太阳能电池板就装在住家的房顶上，还配有蓄电池，保证电视机的连续供电，既节省了电能又安全可靠。
日本则侧重把太阳能电池应用于汽车的自动换气装置、空调设备等民用工业。
我国的一些电视差转台也已用太阳能电池为电源，投资省，使用方便，很受欢迎。
当前，太阳能电池的开发应用已逐步走向商业化、产业化；小功率小面积的太阳能电池在一些国家已大批量生产，并得到广泛应用；同时人们正在开发光电转换率高、成本低的太阳能电池；可以预见，太阳能电池很有可能成为替代煤和石油的重要能源之一，在人们的生产、生活中占有越来越重要的位置。
第1.2节太阳能电池的应用意义
太阳能电池问世，由于它可靠性高，寿命长，适于工作很多特殊环境和场合。
太阳能电池由于它可靠性和特有优越性首先在航天技术上大显身手。
1958年太阳能电池第一次蹬上人造卫星。
至此航天、卫星就没离过太阳能电池。
作为一种新的能源在工农业生产上也得到了广泛应用。
在漫无人际的高山大海，各种灯塔航标，各种卫星通信接收站；各种遥控遥测、气象观测站、公路铁路的自动信号灯等成为优选电源。
太阳能红绿灯可移动“交通警察”，太阳能电池做电源，配以蓄电池和交通指挥停闪信号灯，既可实现制做全天候、可移动马路“交通指挥”。
当前太阳能电池光电小产品种类、名目繁多。
在许多方面成为消费品电源。
（1）小型光伏系统类：
光伏充电器； 例可给2节5号鎘镍电池充电，或做小型3V电源。
太阳能计算器； 做袖珍便携式计算器的供电源，有光照既可工作。
太阳能小风帽； 利用阳光自动调节小风扇，是夏日取凉的绝对佳品。
太阳能手提灯； 利用太阳能电池充电，用蓄电池贮能，特别适于无电地区及移动中使用。
太阳能亭院灯； 独具特色，日灭夜明，自动开停。
（2）许许多多的各种用电设备和备用电源
作为一种新的能源在工农业生产上也得到了广泛应用。
在漫无人际的高山大海，各种灯塔航标，各种卫星通信接收站；各种遥控遥测、气象观测站、公路铁路的自动信号灯等成为优选电源。
在许多边远无电地区的离网式光伏供电系统。
光电池在自动控制中得到诸多的应用。
在工厂产品的检数、测量；制作各种传感器；利用光电池对各种波长（颜色）响应灵敏度不同（或加盖滤镜）探测光的颜色等。
交通、通信、林业、农业、电视、气象、地质等专业的太阳能电源。
第1.3节本文主要研究
本文章主要研究的是太阳能电池的主要工作原理中的直流转化成交流，以及他们之间的逆变。
希望我的研究可以帮助大家更加好的了解太阳能电池的工作原理，特别是PWM（脉冲调制控制）控制器。
以及交流对直流的PWM逆变。
第二章太阳能电池
第2.1节太阳能电池的结构
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
以光电效应工作的菁膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作式的太阳能电池则还处于萌芽阶段。
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴电子对。
在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄式和非结晶系膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。
按材料可分类硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机薄膜形，化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si:
H,a-Si:
H:
F,a-SixGel-x:
H等）、ⅢV族（GaAs,InP）、ⅡⅥ族（cds系）和磷化锌（Zn3P2）等。
插表列出了各类太阳能电池的分类和用途。
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
以光电效应工作的菁膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作式的太阳能电池则还处于萌芽阶段。
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴电子对。
在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄式和非结晶系膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。
按材料可分类硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机薄膜形，百化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si:
H,a-Si:
H:
F,a-SixGel-x:
H等）、ⅢV族（GaAs,InP）、ⅡⅥ族（cds系）和磷化锌（Zn3P2）等。
第2.2节太阳能电池的基本原理
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。
（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。
前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW的投资为2000～2500美元。
因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。
（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。
当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。
太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的.
第2.3节光伏发电系统
（1）光伏发电系统的分类
独立光伏发电系统
该系统由光伏组件、控制器、蓄电池组组成，如负载为交流负载，还需要配置独立逆变器。
先将光伏发电的电能储存到电池组，转换为化学能，然后将化学能转换为直流电直接供给直流负载，或通过逆变器转换成交流电供给交流负载。
其突出的优点是发电与用电可以不同步，电能可以存储起来，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。
其缺点是会增加电能——化学能——电能的转换损耗，蓄电池占有空间较大，发电容量不易做得很大，此外蓄电池使用几年后还需要维护，这种系统（如图2-3-1所示）适用于边远无电网地区。
图2-1独立光伏发电构成框图
并网光伏发电系统
该系统由光伏电池方阵、控制器、并网逆变器组成，不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统（如图2所示）。
这是发展方向，因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉蓄电池储能和释放的过程，减少能量损耗，节省其占用的空间及系统投资与维护，降低了成本；另一方面，发电容量可以做得很大并可保障用电设备电源的可靠性，降低整个系统的负载缺电率。
但由于逆变器输出与电网并联，必须保持二组电源电压、相位、频率等电气特性的一致性，否则会造成二组电源相互间的充放电，引起整个电源系统的内耗和不稳定。
图2-3-2并网光伏发电构成框图
（2）并网光伏发电系统的介绍
太阳能光伏并网发电系统的组成
光伏并网发电系统就是把太阳能电池产生的直流电通过逆变器变成220V的交流电并接入商业电网。
系统框图如图1所示。
图2-2并网光伏系统的组成
太阳能电池
太阳能电池作为光伏系统中不可缺少的关键部件,它的特征性能对整个系统都有着非常重要的影响。
分析太阳能电池的特性,了解其电气特性,是开发一个光伏系统中的一个必要的步骤。
它是利用半导体材料的电子特性把光能直接转换成电能的一种固态器件,在光伏发电中占有极其重要的位置,对它的研究是太阳能利用中最具发展潜力的研究课题之一。
太阳能电池的伏安特性受到环境温度和阳光辐照度的影响,是一个非线性元件,它可等效为一个电压随日照强度，环境温度变化且其等效内阻随外接负载电阻变化的电压源表示。
光伏系统控制器
在光伏系统中,控制器也是一个很重要的组成部分。
光伏控制器是协调系统各部分正常工作,确保系统安全、可靠运行的电气装置。
近些年来,随着计算机技术的发展,电气自动化技术也随之快速发展,出现了各种各样的自动化装置。
现在很多光伏系统都引入了这种多功能的、智能化的自动化控制装置,也就是我们常说的光伏系统控制器[3]。
在光伏系统中,光伏系统控制器能够自动地对光伏系统的多路模拟信号进行采集处理,从而达到对整个系统的工作状态进行检测和保护的功能。
它能够对系统运行中出现的偏差进行自诊断、分析、自校正,使系统自动调整工作状态,也可以监视某些关键器件的工作状况,避免因为某些器件工作出现问题而影响整个系统的情况出现。
除了基本的功能以外,现在很多控制器都设计得非常全面周到,在起到普通控制器作用的同时,也是一个系统和人机信息交换的中介。
在一些要求比较高的系统中的控制器,例如光伏电站中用的控制器,能够对整个系统的运行状态进行优化调整,对工作状态进行实时监控、报告;也可以很好地对人为指令进行理解、执行和回复;自动协调系统各部分正常工作,确保系统安全、可靠运行的功能。
现在的光伏系统中,根据用的场合以及系统对控制器的作用、功能等的具体要求,往往开发适合自己的控制器。
光伏系统逆变器
在光伏系统中逆变器是将太阳能电池的直流输出电能转变为交流。
对于需要向交流负载供电或者需要将电能馈送到交流电网的光伏发电系统来说,逆变器成为系统中不可缺少的重要部分,目前主要应用于交流供电的家庭、村落等供电系统,其他有应用于通信基站、部队、铁路通信、信号以及电网无法延伸的野外场所。
逆变器有两大类,即独立运行逆变器和并网逆变器。
我国目前的光伏发电系统差不多都是独立运行系统,所用的是独立运行的逆变器,它可以在远离电网的地区单独运行。
本文主要讨论的是光伏并网逆变器,并网型逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流,一部分给当地负载供电,剩余的电力将馈入商业电网。
并网型逆变器通过内部的功率调节器将太阳能电池发出的电力最大限度地回馈给电网。
光伏系统平衡部分（连接部分）
光伏系统平衡部件（BOS）指光伏系统中除光伏阵列以外的部分,主要包括控制器、逆变器、最大功率跟踪器、工程数据采集、显示和远程监控、蓄电池、配电系统、支架和电缆等,控制器和逆变器在前面已经涉及。
平衡部件性能的改进对于提高系统的效率、可靠性,提高系统的寿命、降低成本至关重要。
加速百千瓦级控制器、逆变器的国产化进程,研制高效、低成本的最大功率跟踪器和聚光系统,并在大规模并网光伏示范项目中应用,是平衡部件制造业的任务之一
第2.4节本章小结
本章大概的描述了太阳能电池的结构，工作原理以及光伏发电系统，其中主要介绍了并网光伏发电系统。
下面主要描述PWM控制的太阳能电池控制器。
第三章太阳能电池控制器
第3.1节控制器的作用
1.太阳能电池与蓄电池的耦联
太阳能电池板的输出功率不但与光照强度有关,还与负荷电流的大小有密切联系。
从太阳能电池的I-V曲线可以发现存在一个功率最大点,为了获取当前日照下最多的能量,就必须采取措施使太阳电池的负载特性能自动跟踪气候的变化条件,以得到最大的能量采集。
太阳能电池板最大功率跟踪技术就是针对这个实际问题提出的,目前常见的几种控制策略有:
恒定电压法、登山法、功率微分法、数控匹配法等。
主电路一般采用BUCK型降压电路,其控制电路可用单片机或低功耗集成电路,限于篇幅不作展开讨论。
2．防止反向充电电路
当太阳辐射较弱时,太阳能电池的输出电压会低于蓄电池电压,这时蓄电池会有反向电流充入太阳能电池,造成太阳能电池的损坏。
为了避免蓄电池向太阳的电池充电,一般是在回路中串联一个二极管用来阻止反向充电。
该阻塞二极管应采用肖特基管,这样可比普通二极管减少50%的损耗。
如果充电电流比较大,要用低导通电阻的场效应管来代替肖特基管,因为场效应管的管压降比肖特基管更低,对提高系统效率是很有意义的。
3.蓄电池的充放电管理
为了保证蓄电池的正常使用寿命,必须对它的充放电条件加以限制,防止蓄电池因过充电或深度放电而过早地损坏。
（1）防止过渡充电
高能蓄电池的充电电流是普通蓄电池的两倍,可用大电流充电,能在白天有限的时间内将蓄电池充满。
当蓄电池的单体电压达到2125V,极限电压为2140V时,如果仍然采用大电流充电就易造成蓄电池失水。
因此,要求蓄电池达到设置的过充电电压时,能自动转换成涓流（小电流）充电,防过充电的控制电压精度为±011V。
（2）过放电保护
蓄电池在不同放电深度情况下的工作寿命是不一样的,蓄电池过度深放电后会造成永久性的损坏。
为确保蓄电池的使用寿命,应避免深度放电,当蓄电池电压降低到过放电点时应及时切断负载,停止点灯。
放电截止电压不宜取得过低,对单体电池来说大约是1180～1185V。
蓄电池停止放电后,其电压会慢慢回升,最后能达到212V左右。
保护电路一经动作,必须保证蓄电池在没有重新充电之前不能自动恢复放电。
（3）温度补偿
蓄电池电压控制点是随着环境温度而变化的,所以太阳能灯系统应该有一个受温度控制的基准电压。
对于单节铅酸蓄电池是-3～-7mVP℃,通常选用-4mVP℃。
这种温度补偿可做在基准电压回路中,使基准电压随温度而变化。
第3.2节太阳能升压充电电路
升压电路主要由振荡控制器MC34063、C1、Q1、L1、R4、R5及其他外围元件组成。
充电控制电路主要由稳压管DZ、开关管Q2及R6、R7、R8等元件组成。
图3-1 太阳能升压充电控制电路图
1.太阳能升压电路及工作原理
（1）升压电路
升压电路的核心元件是MC34063,它是一种单片双极型线性集成电路,专用于直流-直流变换器控制部分,片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关,能输出1.5A的开关电流,电路简单、成本低廉、效率高、温升低。
它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。
MC34063的封装形式为塑封双列8引线直插式,其特点如下:
（1）能在3.0～40.0V的输入电压下工作;
（2）带有短路电流限制功能
（3）低静态工作电流;
（4）输出开关电流可达1.5A（无外接三极管）;
（5）输出电压可调;
（6）工作振荡频率从100Hz至100kHz;
（7）可构成升压降压或反向电源变换器。
内部电路原理框图如图3-2所示。
图3-2 内部电路原理框图
2.电路工作原理
图3-1是升压式DC-DC转换电路,输入电压3～12V,其输出电压值可通过改变R4、R5电阻值进行调整。
MC34063内部线路包含有参考电压源、振荡器、转换器、逻辑控制线路和开关晶体管。
参考电压源是温度补偿的带隙基准源。
振荡器的振荡频率由脚3的外接定时电容C1决定。
开关晶体管由比较器的反向输入端和与振荡器相连的逻辑控制线路置成ON,并由与振荡器输出同步的下一个脉冲置成OFF。
振荡器通过恒流源对外接在TC管脚（3脚）上的定时电容C1不断地充电和放电,以产生振荡波形。
充电和放电电流都是恒定的,所以振荡频率仅取决于外接定时电容C1的容量。
与门的C输入端在振荡器对外充电时为高电平,D输入端在比较器的输入电平低于阈值电平时为高电平,当C和D输入端都变成高电平时触发器被置为高电平,输出开关管导通;反之当振荡器在放电期间,C输入端为低电平,触发器被复位,使得输出开关管处于关闭状态。
电流限制IS检测端（7脚）通过检测连接在V+和7脚之间的电阻R3上的压降来完成功能。
当检测到电阻R3上的电压降达到300mV时,电流限制电路开始工作,这时通过TC管脚（3脚）对定时电容C1进行快速充电,以减少充电时间和输出开关管的导通时间,结果是使得输出开关管的关闭时间延长。
电路中限流电阻R3取值为0.3Ω,因此输入电流被限流在1A。
由脚3输出的驱动电流,驱动外接开关管Q1的导通与截止,Q1管在导通时,太阳能通过L1和Q1,给L1以存储能量,Q1管截止时,L1的能量通过D1和太阳能一起给12V铅酸蓄电池进行充电,D2起隔离作用,防止在电池充满电时,向升压电路放电。
LED1在升压电路工作时导通发光。
升压电路能在宽输入电压下工作3～40V。
太阳能电池的接入,能提供本电路工作电源。
太阳能电池在不同的时间,在阳光照射下,输出的电压和电流值是不一样的,阳光强输出的电压高,电流大;阳光弱输出的电压低,电流小。
太阳能电池输出电压只要在3～12V的范围内,电流在150mA以上,电路就能正常工作。
本电路设计为输出电压15V,对12V铅酸蓄电池进行充电。
2.充电控制电路
（1）电路组成
图3-2-1所示,充电控制电路是由稳压管DZ、开关管Q2、及R6、R7、R8等元件组成。
（2）电路工作原理
在电池充电至13.5V时,稳压管DZ导通,充电控制电路开始工作。
当稳压管DZ导通时,提供给开关管Q2基极电流,开关管Q2也迅速进入饱和导通,C极电位接近零伏,此时太阳能电池通过R8、Q2管回路,分流掉大部分电流,致使升压电路没有足够的电流而无法工作,输出电压很小或者等于零,停止对电池的充电。
在开关管Q2饱和导通时,LED2导通发光。
第3.3节几种常见控制器的工作原理
太阳能路灯系统由：
太阳能电池、太阳能控制器、蓄电池、照明电路四部分组成，其中太阳能控制器是整个系统的核心部分，负责调节整个系统的工作。
太阳能路灯控制系统组成框图如图3-3-1所示。
图3-3
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