风光互补控制器的选用连接与调试Word格式.docx
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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(PulseWidthModulation)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3-22PWM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路
最大功率跟踪即MPPT(MaximunPowerPiontTracking)。
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
(1)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,且控制方式和控制策略灵活强大,从而实现高充电效率、低空载损耗等优异的性能。
风光互补控制器的主要功能有:
(1)按预先设定的风速值(一般为3—4m/s)自动启动风力发电机组,当风速大于最大运行速度(一般设定为25m/s)时实现自动停机。
(2)风光互补发电系统的最大功率点追踪控制。
智能化最大功率跟踪,确保电能最高利用率。
采用升降压DC/Dg变换技术控制其输出电压就可以实现控制风力发电机、太阳能电池阵列的输出电流,通过调节输出电流使风光发电系统始终工作在最大功率点,即所谓的最大功率点追踪(MPPT)控制。
(3)风力发电控制部分采用微处理器和PWM脉冲宽调制充电方式,高效率地实现对蓄电池的充电,同时具备了完善的蓄电池电压监控、控制器温度监控、手动停风机和充电指示等功能。
(4)光伏发电控割部分采用微计算机芯片做主控制器,通过对蓄电池电压、环境温度、太阳能板的电压等参数的检测判定,以实现各种控制和保护功能。
(5)风光互补发电系统采用交错并联控制,由DSP对两个变换器进行分别控制,其输出电压的PWM脉冲相位相差1800。
其电流波动幅度和电磁干扰与传统控制方式相比均能够降低。
(6)直流母线电压控制。
直流母线电压的稳定控制由蓄电池来完成,蓄电池经过一个能量可以双向流动的DC/DC变换器与直流母线相连接。
(7)智能控制泄荷电流,保障最大输出电流。
(8)具有DSP数据采集与存储系统,能够对太阳能电池阵列及风力发电机的发电数据和用电数据进行采集和处理。
并具有遇强风偏航/制动控制功能、数据远传功能、远程遥控功能。
(9)数据监控。
风光互补发电系统的数据监控具有以下功能:
通过监控系统实时获取风光互补发电系统的运行数据并监控各种告警;
为设备维护和管理提供基础运行数据。
3、风光互补发电控制系统的组成及运行模式
(1)风光互补发电控制系统的组成
风光互补发电控制系统以微处理器为控制核心,可独立运行,并通过RS-485与上位机通信,组成监控系统。
在系统中,上位机主要用于完成对键盘、液晶和指示灯的控制、交换数据及通信等功能。
如图3-28所示是风光互补发电控制系统框图。
图3-28风光互补发电控制系统框图
(2)风光互补发电控制系统的运行模式
风光互补发电系统根据风力和太阳辐射的变化情况,可实现风力发电机组单独向负载供电、光伏发电系统单独向负载供电、风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电三种运行模式。
风光互补发电系统根据运行状态又可分为充电状态、负载状态(放电状态)和保护状态。
系统同时监测光伏发电单元、风力发电单元、负载和蓄电池组的状况,在相应条件下,进入对应的状态。
在每一状态中,系统不仅完成自身阶段的工作,还可根据用户需要给出相应的系统参数显示、多系统之间的通信及系统与上位机之间的通信。
如图3-29
是系统状态流程图
图3-29系统状态流程图
系统在初始化中完成参数的设定,如光伏发电单元电压、电流、负载、过压、过流保护参数;
风力发电机的磁电保护参数;
铅酸蓄电池双标三阶段充电的充电系数。
同时也完成系统人机通信(键盘、液晶模块、LED等)的初始化和系统通用串行通信模块的设定。
系统通过实时采样模块、上位机触发信号和用户控制信号联合判断系统所处的状态。
首先,通过实时采样模块采集系统的实时电压、电流,判断光伏发电单元、风力发电单元、储能蓄电池和负载的状况,从而决定系统应处的状态。
其欢,上位机触发信号和用户控制信号也联合控制系统状态,可强行控制系统从一种状态转入另一种状态。
系统在充电状态中以双标三阶段充电法对铅酸蓄电池进行允电,在线对系统中光伏发电单元、风力发电单元、蓄电池和负载的状态进行采集,合理完成灌充和过电压恒充,并以浮充状态维持蓄电池的电压和容量。
在负载状态(放电状态)中,按负载需要,提供直流或交流电给负载。
同时监测蓄电池组的状态,在到达设定条件时,与备用蓄电池组实现轮流充、放电,以提高系统对能源的利用。
另外,在负载状态时,蓄电池的状态也需实时监测,以免过放对蓄电池造成损害。
当风光互补系统中的光伏发电单元、风力发电单元、蓄电池、负载及系统内部的状态参数到达所设的保护值时,系统进入保护状态,避免了短路、过压、过流等对系统的危害,保障系统的正常运行。
例如,对风力发电机的磁电限速保护、蓄电池的过放保护及对负载的过压保护等。
同时,系统提供了方便的人机接口,可在线获取系统中充、放电的电流、电压参数及系统的状态参数。
通用串行通信模块提供了系统之间、系统与上位机之间的通信,方便的输入控制,多种显示输出及灵活的通信不仅保障了系统的安全运行,也利于系统的维护、检修和管理。
3、项目实施
(一)光伏控制器的选型
作为太阳能路灯控制器应该具备以下基本功能:
以最佳的充晚状态给蓄电池充电、自动开启和关闭路灯或负载、同时具备有过载保护、短路保护、反向放电保护、极性反接保护、雷电保护、欠压保护、过充保护、负载开机恢复设置。
如图3-30是光控制器。
图3-30光控制器
1、光伏控制器的主要技术参数
目前,没有国家或行业充放电控制器生产标准标准和型号标识技术规定,市场上的控制器的产品型号门类众多,因此这里的选型设计是指产品的技术参数确定。
通常要给出以下技术参数:
(1)系统工作电压
根据直流负载的工作电压或交流逆变器的配置选型确定,一般有12V、24V、48V、110V和220V等。
即控制器的额定输入电压(通常有6个标称电压等级:
12V、24V、48V、110V、220V、500V,每个标称电压对应一个允许电压输入范围):
控制器的额定输入电压应与光伏组件(光伏方阵)的输出电压一致,即光伏组件(光伏方阵)的输出电压应在控制器的允许输入电压范围内,光伏组件(光伏方阵)的输出电压如果超出了控制器的允许输入电压范围,控制器将停止工作。
(2)控制器的最大充电电流:
控制器的额定输入电流应等于或大于太阳能电池的输入电流。
大功率控制器采用多路输入,每路输入的最大电流=额定输入电流/输入路数。
通常指光伏组件(光伏方阵)的最大输出电流,根据功率大小分为5A、10A、15A、20A、30A、40A、50A、70A、75A、85A、100A、150A、200A、250A、300A等多种规格。
在控制器的选型设计时,控制器的最大充电电流应大于负荷的尖峰电流。
当负荷包含多台电动机,尖峰电流应按下式计算:
Ijf=(KIr)max+Ic(2-8)
式中:
(KIr)max—n(n为自然数)台电动机同时启动时,n台同时启动电动机的启动电流之和,A;
Ic—除启动电动机以外的配电线路计算电流与储能装置的最大充电电流之和,A。
(3)控制器的允许输入路数:
小功率控制器一般都是单路输入,大功率控制器可输入6路,多的可接入12路、18路。
控制器的允许输入路数,应不少于光伏方阵的组串数或多路组串经直流汇流箱汇流后的路数(也可以说是直流汇流箱个数),通常汇流箱允许的输入路数有10路、14路和18路。
(4)电路自身损耗:
也叫空载损耗(静太电流)或最大自身损耗,为了降低控制器的损耗,提高光伏电源转换效率,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。
根据电路不同自身损耗一般为5~20mA。
设计选型时,当然电路自身损耗越小越好,这里不再赘述。
(5)蓄电池过充电保护电压(HVD):
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。
蓄电池过充电保护电压及后面的过放电电压和浮充电电压,通常作为设计参考,看所选控制器的这些参数是否满足要求,订购时仅给出标称电压即可。
(6)蓄电池的过放电保护电压(LVD):
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11.1V、22.2V和44.4V。
(7)蓄电池充电浮充电压:
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/℃。
(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。
2、太阳能路灯控制器的选型
光伏控制器的配置选型要根据整个系统的各项技术指标并参考生产厂家提供的产品样本手册来确定。
一般考虑下列几项技术指标:
1.系统工作电压
根据直流负载的工作电压或交流逆变器的配置选型确定,一般有12V、24V、48V、110V和220V等。
2.额定输入电流和输入路数
大功率控制器采用多路输入,每路输入的最大电流=额定输入电流/输入路数.
3.控制器的额定负载电流
也就是控制器输出到直流负载或逆变器的直流输出电流,该数据要满足负载或逆变器的输入要求。
除上述主要技术数据要满足设计要求以外,使用环境温度、海拔高度、防护等级和外形尺寸等参数以及生产厂家和品牌也是控制器配置选型时要考虑的因素。
一般小功率光伏发电系统采用单路脉冲宽度调制型控制器。
太阳能控制器的选择应该注意:
(1)应该选择功耗较低的控制器,控制器24小时不间断工作,如其自身功耗较大,则会消耗部分电能,最好选择功耗在3毫安以下的控制器。
(2)要选择充电效率高的控制器,具有强充、均衡充、浮充三阶段式充电控制模式的控制器,采用MCU智能控制,通过内部的计算,始终能以最大功率给蓄电池充电,尤其在冬季或光照不足的时期,采用MCU智能控制的充电模式比非MCU智能控制器高出20%左右的效率。
(3)具有高精度控制,高精度即是产品设计的综合体现,也是选材用料优良的体现,更是生产工艺的体现。
非高精度控制的太阳能路灯控制器往往会因为产品设计不合理、选材用料差等导致返修率高、可靠性差、市场价格低廉。
(4)仅量选用具有两路单独控制的控制器,这样方便用于整盏灯的功率调节。
在夜间行人稀少时段可以自动关闭一路或两路照明,节约用电,还可以针对LED灯进行功率调节。
除选择以上节电功能外,设置控制器欠压保护值时,尽量把欠压保护值调在≥10.8V,防止蓄电池过放。
在选用器件上,目前有采用单片机的,也有采用比较器的,方案较多,各有特点和优点,应该根据客户群的需求特点选定相应的方案,在此不一一详述。
(2)风光互补控制器的选型
风光互补控制器采用了微处理器技术,通过对蓄电池电压、环境温度、风力发电机和太阳能板输出的电压等参数的检测判断,控制各项功能动作的开通和关断,实现控制太阳能、风能转换为电能并将电能向蓄电池充电和向负载放电,防止过充、过放、短路、过压、欠压和反接等控制和保护功能,风光互补路灯控制器它还有独特的两路时控、光控路灯亮灭功能,用拨盘开关和LED数码管直观地设定路灯在夜间的工作时间,这使LED路灯可以实现前半夜全亮,后半夜部分亮,达到照明和省电的有机结合。
控制器在太阳能电池和风力发电机输入端都设有防雷电路。
风光互补控制器的选型基本和光伏控制选型一样,目前,没有国家或行业充放电控制器生产标准标准和型号标识技术规定,市场上的控制器的产品型号门类众多,因此这里的选型设计也是按是指产品的技术参数确定。
SN-WSC-型风光互补路灯控制器内含三相整流桥,可直接将风力发电机发出的三相交流电直接转换为直流电,并有自动刹车功能。
控制器内还可选用市电备用自动转换电路,市电备用电路有一个输入功率因数大于0.95的AC/DC电源,以解决连续几天阴天或无风的最不利条件下,使路灯能正常工作。
SN-WSC型风光互补路灯控制器的负载为60~200W的LED路灯。
SN-WSC型风光互补路灯控
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