太阳能光伏培训教材(NEW)

太阳能光伏电源系统应用技术

培 训 教 材

胡新：15824805586

2007年3月

前 言

我国研制太阳能电池始于一九五八年，中国的光伏技术经过四十年的努力，已具有一定的水平和基础。过去我国边远地区的光伏发电市场主要由国家投资项目和多边援助项目支撑。90年代以来，随着边远地区经济发展和农牧民收入水平的提高，边远地区的光伏发电市场也开始向商业化发展。根据世界银行/全球环境基金可再生能源商业化项目准备研究过程中的资料显示，我国西部地区经营太阳能光伏发电系统的各类公司和团体由80年代的不足10家，发展到1997年底的50多家，其中大多数公司以商业化赢利为目的。这从侧面表明，我国的光伏发电技术已经具有了一定的市场潜力和市场吸引力。

光伏电池发电有离网(独立电站)和并网(市电并网电站)两种工作方式。过去，由于太阳电池的生产成本居高不下，所以光伏电池多用于工业部门（邮电、电力、石油、铁路等）和偏远无电地区的中小功率离网用户。随着光伏产品成本的降低和农牧民收入水平的提高，太阳能光伏市场近年来发生了很大变化，开始向较大功率的交流系统和村庄供电系统发展；并且逐步向并网发电以及和建筑相结合(屋顶发电系统)的常规发电方向发展，开始由补充能源向替代能源过渡。太阳能光伏电源的应用领域十分广阔，从数十瓦的户用照明系统到电信、电力、铁路、石油、部队等部门通讯设备数千瓦的备用电源系统，甚至在西藏阿里、安多等地区还建成几个数十千瓦的集中型太阳能光伏电站。 随着我国光伏事业的高速发展和应用领域的拓宽，从事太阳能光伏电源系统集成设计和安装的技术人员不断增加。由于太阳能光伏电源技术属于跨多学科的新兴学科，它涉及到气象、光学、半导体、电力、电子、计算机和机械等多种学科技术，要求从业的技术人员应掌握广泛而深入的技术知识，才能合理设计使用和充分发挥价格较昂贵的光伏系统设备的作用。但是，目前国内有关光伏技术的书籍和资料大多是介绍太阳电池、蓄电池等器件原理和应用方面的基本知识，而系统阐述太阳能光伏电源系统集成设计和配套电子设备（光伏电源控制器、方波或正弦波逆变器及系统检测仪器等）应用的专业资料却很少。因此，北京市计科能源新技术开发公司根据多年来从事光伏电源系统集成设计、工程安装和配套电子设备生产的经验，组织编写了这本培训教材，试图帮助广大从事太阳能光伏行业的技术人员系统学习掌握光伏系统集成设计和配套电子设备的应用，更好地发展我国的光伏事业。

由于水平有限，时间仓促，对本培训教材中不当和错误之处敬请专家和读者批评指正。

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目 录

一．绪 论......................................................................................................................................... 3 1．我国的太阳能资源概况 ............................................................................................................. 3 2．太阳能的主要利用形式和光伏发电的运行方式 ..................................................................... 3 3．太阳能光伏技术的发展及前景 ................................................................................................. 4 二．太阳能光伏电源系统的原理及组成 ....................................................................................... 5 1．太阳能电池方阵 ......................................................................................................................... 6 2．充放电控制器 ............................................................................................................................. 8 3．直流/交流逆变器........................................................................................................................ 9 4．蓄电池组 5．测量设备

6．太阳能光伏电源系统的设计 ..................................................................................................... 9 三．光伏电源充放电控制器 ......................................................................................................... 14 1．控制器的功能： ....................................................................................................................... 14 2．控制器的基本技术参数 ........................................................................................................... 14 3．控制器的分类： ....................................................................................................................... 14 4．控制器的基本电路和工作原理： ........................................................................................... 15 5．小型单路充放电控制器产品实例 ........................................................................................... 17 6．普通型柜式充放电控制器产品实例 ....................................................................................... 19 7．智能型壁挂式充放电控制器产品实例 ................................................................................... 22 四．直流－交流逆变器 ................................................................................................................. 27 1．逆变器的功能： ....................................................................................................................... 27 2．光伏发电系统对逆变器的技术要求 ....................................................................................... 27 3．逆变器的分类和电路结构 ....................................................................................................... 29 4．逆变器的控制电路 ................................................................................................................... 32 5．逆变器功率器件的选择： ....................................................................................................... 37 6．逆变器的主要技术性能指标 ................................................................................................... 28 7．PWM方波逆变器产品实例 .................................................................................................... 40 8．SPWM正弦波逆变器产品实例 .............................................................................................. 42 9．3kW 可调度型并网逆变器 ..................................................................... 错误！未定义书签。 五．光伏电源系统数据采集器 ..................................................................................................... 44 1．数据采集器的主要技术指标 ................................................................................................... 44 2．数据采集器的基本功能 ........................................................................................................... 44 3．数据采集器的硬件结构 ........................................................................................................... 45 4．数据采集器的操作 ................................................................................................................... 46 六．蓄电池组： ............................................................................................................................. 49 1．铅酸蓄电池的结构及工作原理 ............................................................................................... 49 2．铅酸蓄电池的工作原理 ........................................................................................................... 49 3．蓄电池的电压、容量和型号 ................................................................................................... 50 4．电解液的配制 ........................................................................................................................... 50 5．蓄电池的安装 ........................................................................................................................... 52 6．蓄电池的充电： ....................................................................................................................... 53 7．固定型铅酸蓄电池的管理和维护 ........................................................................................... 54

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七．备用柴油发动机和交流充电设备 ......................................................................................... 56 1．柴油发电机组 ........................................................................................................................... 56 2．交流充电设备产品实例JKZH-60K-3CH整流充电柜 .......................................................... 59

一．绪 论

在人类文明的历史长河中，人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社会开始，由地球在长达50万年的历史中积累下来的化石矿物能源，即常规能源(煤、石油、天然气等)一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前消耗的速度计，石油还可供开采40年左右，天然气约60年，煤可望达200年。全球能源消耗的年增长率约为2%，近35年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计，到2025年全球能源消耗还将再增加一倍。这些都提醒人们注意到必须开发新的能源。

常规能源的大量利用对人类生存环境也有着日趋严重的破坏作用。 到20世纪末人们开始意识到：由于每年燃烧常规能源所产生的CO2排放量约210亿吨左右，已经使地球严重污染，而且目前CO2的年排放量还在呈上升趋势。CO2造成了地球的温室效应，使全球气候变暖。经过较为准确的推算，如果全球变暖1.5～4.5℃,最严重的后果是海平面将上升25～145cm，沿海低洼地区将被淹没，这将严重影响到许多国家的经济、社会和政治结构。此外，大量燃烧矿物燃料，会在大范围内形成酸雨，将严重损害森林和农田，目前全球已有数以千计的湖泊酸性度不断提高，并已接近鱼类无法生存的地步；酸雨还损坏石造建筑、破坏古迹、腐蚀金属结构，甚至进入饮用水源，释放出潜在的毒性金属（如镉、铅、汞、锌、铜等），威胁人类健康。因此，人类文明的高度发展与生存环境的极度恶化，形成了强烈的反差。

针对以上情况开发和使用新能源(可再生能源和无污染绿色能源)已是人类目前迫切需要解决的重要问题。虽然目前人类可利用的新能源，如太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等能源形式都是可以满足要求的。但从能源的稳定性、可持久性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能将成为最为理想的可再生能源和无污染能源。

1． 我国的太阳能资源

2． 太阳能的主要利用形式和光伏发电的运行方式:

太阳能电池发电与火力、水力、柴油发电比较具有许多优点，如安全可靠、无噪声、无污染，能量随处可得、不受地域限制、无需消耗燃料、无机械转动部件、故障率低、维护简便、可以无人值守、建站周期短、规模大小随意、无需架设输电线路、可以方便地与建筑物相结合等，因此，无论从近期还是远期，无论从能源环境的角度还是从边远地区和特殊应用领域需求的角度来考虑，太阳能电

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池发电都极具吸引力。目前，太阳能电池发电系统大规模应用的唯一障碍是其成本高，预计到21世纪中叶，太阳能电池发电的成本将会下降到同常规能源发电相当。届时，太阳能电池发电将成为人类电力的重要来源之一。 目前太阳能的利用形式主要有光热利用、光伏发电利用和光化学转换三种形式。光热利用具有低成本，方便，利用效率较高等优点，但不利于能量的传输，一般只能就地使用，而且输出能量形式不具备通用性。光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用。光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势。且由于太阳能电池的原料—硅的储量十分丰富、太阳电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，都促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。

由于太阳光资源具有分散性，而且随处可得，太阳能电池发电系统特别适合于作为独立的电源使用，例如边远地区的村庄及户用供电系统、太阳能电池照明系统, 太阳能电池水泵系统以及大部分的通信电源系统等都属此类。太阳能电池发电系统还可以同其它发电系统组成联合供电系统，如“风－光互补系统”、“风－光－柴－蓄互补系统”等。由于风力发电系统成本低，又由于风能和太阳能资源具有互补性，互补发电系统可以大大提高供电的稳定性，其价格比起独立太阳能电池发电系统至少可减少1/3。除此之外，太阳能电池发电系统还可以与电网相联构成并网发电系统。并网系统是将太阳能电池发出的直流电通过并网逆变器直接馈入电网，从而可以大大减少蓄电池的存储容量。并网发电系统可分为“可调度式并网系统”和“不可调度式并网系统”。“不可调度式并网系统”中不带储能系统，馈入电网的电力完全取决于日照的情况；“可调度式并网系统”带有储能系统，可根据需要随时将太阳能电池发电系统并入或退出电网。实践证明，并网电站可以对电网调峰、提高电网末端的电压稳定性、改善电网的功率因数和消除电网杂波均能发挥有效作用，很有应用前景。

3．太阳能光伏技术的发展及前景：

太阳能电池最早用于空间技术，至今宇宙飞船和人造卫星的电力仍然基本上依靠太阳能电池系统来供给。70年代以后，太阳能电池在地面得到广泛应用，目前已遍及生活照明、铁路交通、水利气象、邮电通信、广播电视、阴极保护、农林牧业、军事国防、并网调峰等各个领域。功率级别，大到10MW的太阳能电池发电站，小到手表、计算器的电源。随着太阳能电池发电成本的进一步降低，它将进入更大规模的工业应用领域，如海水淡化、光电制氢、电动车充电系统等；对于这些系统，目前世界上已有成功的示范。太阳能电池发电最终的发展目标，是进入公共电力网的规模应用，包括中心并网光伏电站、风－光互补电站、电网末稍的延伸光伏电站、分散式屋顶并网光伏系统等。展望太阳能电池发电的未来，人们甚至设想出大型的宇宙发电计划，即在太空中建立人造同步卫星光伏电站。1997年8月在加拿大蒙特利尔召开了第四届国际空间太阳能电站会议，提出了一些构想，但付诸实施，恐非短期所能实现。但美国、日本已制订了试验性发射计划（容量等级为1000KWp数量级）。因为大气层外的阳光辐射比地球上要高出30%以上，而且由于宇宙没有黑夜，卫星电站可以连续发电。一组11km34km的太阳能电池板，在空间可产生8000MW的电力，一年的发电量将高达700亿千瓦时。空间电站可以将所发出的电通过微波源源

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不断地传送回地球供人们使用。日本一批学者认为：在地球上的沙漠和荒原地区架设太阳能电池阵列，用高温超导电缆联成网络便可解决全球能源供应，不必再使用原子能核电站。美国普林斯顿大学能源和环境研究所的一批学者认为：在下一个十年内以光电为基础的电解水制氢和储氢技术将趋于成熟，他们经计算后提出，如在新墨西哥州或亚利桑那州一块直径为386km的环形地区设置太阳能电池制氢，便可提供相当于美国1986年的全部矿物燃料消耗的能量。 由于晶体硅原料领域的发展（例如超薄晶体硅太阳电池的开发和使用更便宜的太阳能级材料）和太阳能电池更先进的生产过程的发展，将使得晶体硅电池在将来会变得更为便宜；此外，效率也将进一步得到提高。

薄膜太阳能电池，例如非晶硅太阳能电池，由于其廉价的生产成本而在消费领域被广泛的应用。但它的效率低（约5－8％）、生产规模小、稳定性差、原料利用率低，均限制了它的应用。然而，如果效率能被提高，稳定性问题能被解决的话，这种太阳能电池仍将是将来的一个重要发展方向。

基于镓砷化合物和其他Ⅲ－V族成分的薄片太阳能电池正处于早期的发展阶段，由于它的效率有可能达到30％而显得尤为重要，但是这种类型的太阳能电池在2005年以前还不可能得到广泛应用。

由于太阳能光伏发电技术的重要性，在研究开发、产业化制造技术及市场开拓方面成为世界各国特别是发达国家激烈竞争的主要热点。太阳能的光电利用已经在世界范围内形成新兴产业，技术也在日新月异地发展，效率的提高和价格的下降已呈必然趋势。澳大利亚新南威尔士大学已研制出 η= 24%的单体（434cm）高效硅太阳能电池。80年代以来，即使世界经济总体情况处于衰退和低谷时期，光伏技术一直保持以10%-15%的递增速度发展。90年代后期，世界市场出现了供不应求的局面，发展更加迅速。1997年世界太阳电池光伏组件生产122MW，比1996年增长了38%（1996年88.5MW），超出光伏界专家最乐观的估计。

二．太阳能光伏电源系统的原理及组成

太阳能电池发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成，其系统组成如图1－1所示。

直流/交流逆变器控制器交流负载太阳能电池方阵蓄电池组直流负载

图1－1 太阳能电池发电系统示意图

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1．太阳能电池方阵：

太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2到100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V, 工作电流约为20－25mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率 (见图1－2)。 （1）硅太阳能电池单体

常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，在这两个区的连接处就是所谓的PN结。PN结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。

太阳能电池的工作原理如下： 光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长 决定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对正负电荷，由于在PN结 区域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池 的底端经过负载流至电池的顶端。这就是“光生伏打效应”。

单体组件方阵

图1－2 太阳能电池单体、组件和方阵

将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。 （2）硅太阳能电池种类

目前世界上有3种已经商品化的硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被

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PN结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。

一般产品化单晶硅太阳电池的光电转换效率为 13――15 % 产品化多晶硅太阳电池的光电转换效率为 11――13 % 产品化非晶硅太阳电池的光电转换效率为 5――8 % （3）太阳能电池组件

一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池的标准数量是36片（10cm310cm），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。

通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。

太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。

这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接。

组件的电气特性主要是指电流－电压输出特性，也称为Ⅴ－Ⅰ特性曲线，如图1－3所示。Ⅴ－Ⅰ特性曲线可根据图1－3所示的电路装置进行测量。Ⅴ－Ⅰ特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V＝0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路即I＝0，此时的电压称为开路电压Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P＝V?I 。

ⅠIscImPmVmVocV

I: 电流 Isc: 短路电流 Im: 最大工作电流 V: 电压 Voc: 开路电压 Vm: 最大工作电压 图1-3 太阳能电池的电流－电压特性曲线

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当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im（又称为最大工作电流）；该点的功率，称为最大功率Pm。

随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高1?C每片电池的电压减少5mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为－0.4%/?C。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1?C，则最大功率减少0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。

由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：

光谱辐照度 1000W/m2 大气质量系数 AM1.5 太阳电池温度 25℃

在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp(peak watt)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。

通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10％或更大。

如果太阳电池组件被其它物体(如鸟粪、树荫等)长时间遮挡时，被遮挡的太阳能电池组件此时将会严重发热，这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成很严重地破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热班效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。

连接盒是一个很重要的元件：它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含一个接线盒和1只或2只旁通二极管。

2．充放电控制器：

充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设备。由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命，充放电控制器在光伏系统中一般是必不可少的。充放电控制器，按照开关器件在电路中的位置，可分为串联控制型和分流控制型；按照控制方式，可分为普通开关控制型(含单路和多路开关控制)和PWM脉宽调制控制型(含最大功率跟踪控制器)。开关器件，可以是继电器，也可以是MOSFET模块。但PWM脉宽调制控制器，只能用MOSFET模块作为开关器件。

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3．直流/交流逆变器：

逆变器是将直流电变换成交流电的电子设备。由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统，将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形，又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器，电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器，成本高，但可以适用于各种负载。从长远看，SPWM脉宽调制正弦波逆变器将成为发展的主流。

4．蓄电池组：

其作用是储存太阳能电池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电系统对所用蓄电池组的基本要求是：(1) 自放电率低；(2)使用寿命长；(3) 深放电能力强；(4)充电效率高；(5) 少维护或免维护；(6)工作温度范围宽；(7) 价格低廉。

目前我国与太阳能电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封免维护铅酸蓄电池；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池。

5．测量设备：

对于小型太阳能电池发电系统，只要求进行简单的测量，如蓄电池电压和充放电电流，测量所用的电压和电流表一般装在控制器面板上。对于太阳能通信电源系统、阴极保护系统等工业电源系统和大型太阳能发电站，往往要求对更多的参数进行测量，如太阳能辐射量、环境温度、充放电电量等，有时甚至要求具有远程数据传输、数据打印和遥控功能，这时要求为太阳能电池发电系统应配备智能化的“数据采集系统”和“微机监控系统”。

6．太阳能光伏电源系统的设计：

太阳能光伏电源系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设计。软件设计包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选型，太阳能电池支架的设计，逆变器的选型和设计，以及控制、测量系统的选型和设计。对于大型太阳能电池发电系统，还要有方阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助或备用电源的选型和设计。软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成；在要求不太严格的情况下，也可以采

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取估算的办法。

⑴ 太阳能辐射原理：

太阳电池发电的全部能量来自于太阳，也就是说，太阳电池方阵面上所获得的辐射量决定了它的发电量。太阳电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多因素有关：当地的纬度，海拔，大气的污染程度或透明程度，一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直、散分量的比例，地表面的反射系数，太阳电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化以及太阳电池方阵表面的清洁程度等。要想较为准确地推算出太阳电池方阵面上所获得的辐射量，必须对太阳辐射的基本概念有所了解。

太阳辐射的基本定律

太阳辐射的直散分离原理、布格－朗伯定律和余弦定律是我们所要了解的三条最基本的定律。 直散分离原理：

大地表面（即水平面）和方阵面（即倾斜面）上所接收到的辐射量均符合直散分离原理，只不过大地表面所接收到的辐射量没有地面反射分量，而太阳电池方阵面上所接收到的辐射量包括地面反射分量：

Qp = Sp+Dp QT = ST+DT+RT Qp: 水平面总辐射 Sp: 水平面直接辐射 Dp: 水平面散射辐射 QT : 倾斜面总辐射 ST: 倾斜面直接辐射 DT: 倾斜面地面反射

布格-朗伯定律:

SD’= S0Fm

S0 ：太阳常数 1350W/m2 SD’：直接辐射强度 F: 大气透明度

m: 大气质量 m=1/Sin? ? P/P0

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?: 太阳高度角 Po: 标准大气压 Sin? = Sin?Sin?+Cos ?Cos ?Cos?

?: 太阳赤纬角

?=23.5Sin(360*(284+N)/365)

?： 当地纬度 （0 － 90? ）

?： 时角（地球自转一周360度，24小时） 15度/小时 或 4分钟/度

余弦定律: Sp’ = SD’ Sin?

ST’ = SD’COS? DT’ = Dp’(1+CosZ)/2 RT’ = Qp’(1-CosZ)/2 QT = ST+DT+RT

⑵ 太阳电池发电系统的设计(以某高山气象站为例)：

当地气象地理条件：由当地气象部门提供前10年的平均数据。 纬度: 北纬 30-45 度 经度: 东经 90-120 度 海拔: 1000-4000 米 最长阴雨天: 3 天

水平面全年总辐射量为:165千卡/厘米2。

太阳电池方阵面上的总辐射为180千卡/厘米2。

负载情况

编号 1 2 3 4 5 负载名称 遥测仪(自动站) 微机、打印机 照 明 通信设备 合 计 负载功率 (瓦) AC30W AC330W AC80W AC100W 540W 每日工作时间 (小时) 24 6 5 12 每日耗电 (瓦时) 720 1980 400 1200 4300 电源系统容量设计步骤:

① 太阳电池组件的选型：

太阳电池选用秦皇岛华美光伏电源系统有限公司的组件 型号为：33D1312X310 开路电压：21V

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短路电流：2.4A 峰值电压：17V 峰值电流：2.235A 峰值功率：38 Wp

② 计算等效的峰值日照时数：

全年峰值日照时数为: 18000030.0116=2088 小时 0.0116为将辐射量(卡/cm2)换算成峰值日照时数的换算系数: 峰值日照定义: 100毫瓦/cm2=0.1瓦/cm2

1 卡=4.18焦耳=4.18瓦秒 1小时=3600秒 则: 1卡/cm2=4.18瓦秒/卡/(3600秒/小时30.1瓦/cm2)=0.0116 小时cm2/卡 于是: 180000卡/cm2年30.0116 小时cm2/卡=2088小时/年 平均每日峰值日照时数为：2088÷365＝5.72 小时/日

③ 根据系统工作电压等级确定太阳电池组件的串联数： 系统工作电压一般选择原则：户用系统为12VDC或24VDC；通信系统为48VDC； 电力系统为110VDC；大型电站为220VDC％或更高。

每块标准组件峰值电压为17V，设计为对12V蓄电池充电，4块组件串联对48V蓄电池充电，因此，所需太阳电池的串联数为4块。

④ 计算每日负载耗电量为：4300Wh÷48V＝89.6Ah

⑤ 计算所需太阳电池的总充电电流为：

89.6Ah31.02/(5.72h30.930.8)＝22.19A 其中： 0.9: 蓄电池的充电效率 0.8: 逆变器效率

1.02: 20年内太阳电池衰降，方阵组合损失，尘埃遮挡等综合系数。

⑥ 计算所需太阳电池的并联数为： 22.19A÷2.235A/块＝10块

⑦ 计算所需太阳电池的总功率为：

（1034）块338峰瓦/块＝1520 峰瓦 ⑧ 计算所需蓄电池容量：

蓄电池选用江苏双登全密封阀控式工业用铅酸蓄电池 89.6Ah/天33天(连续阴雨天数)÷0.68＝400Ah 0.68:蓄电池放电深度。

选用 GFM-400型蓄电池(10小时放电率的额定容量为400安时)24只（48V）。 上面的计算可以由设计软件在几分钟之内完成，下面给出一个计算实例： 深圳中兴通信工程太阳能系统容量计算（负荷容量:1000瓦,站址:苏丹） 序号 项目 单位 数量 备注 Cal/cm2 180000 1 年水平面总辐射量 2 年太阳电池板倾斜面总辐Cal/cm2 207000

12

射量 3 年1000峰瓦太阳电池发KWh 电量 4 日1000峰瓦太阳电池发WpHr 电量 V 5 系统电压(DC) 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

2401 6.58 48 (总辐射量*0.0116) (年发电量/365天) 根据电路系统要求决定系统电压大小 V 组件峰值电压 17.5 根据组件具体情况填写电压大小 A 组件峰值电流 2 根据组件具体情况填写电流大小 Wp 组件峰值功率 38 根据组件具体情况填写Wp大小 组件串联 个 4 视系统电压大小决定串联个数 W 负荷容量 1000 负荷平均每天工作时间 小时 24 Wh 日负荷消耗Wh电量 24000 (负荷容量W*负荷日工作时间) % 逆变器效率 1 无逆变器 Ah 日负荷消耗Ah电量 500.0 日负荷消费电量W/系统电压/逆变效率 A 需要太阳电池的电流量 99.75 日负荷Ah/日WpHr/充电效率*PV综合损失率 需要太阳电池组件的并联个 50 需要太阳电池的电流量/组件数 峰值电流 Wp 需要太阳电池组件功率 7581 V 蓄电池电压 48 最长阴雨天 天数 3 % 蓄电池放电深度 0.8 Ah 需要的蓄电池容量 1875 Ah 48V/2000Ah 选定蓄电池容量 2000 Wh 选定蓄电池容量 96000 系统蓄电池单价 元/Wh 1.2 系统蓄电池价格 元 115200 系统太阳电池单价 元/Wp 45 含支架 系统太阳电池费用 元 341161 控制器价格 元 20000 输入12路每路20A， 输出2路每路20A 逆变器价格 元 其他 元 合计 元 476361 13

三．光伏电源充放电控制器：

1．控制器的功能：

（1） 高压（HVD）断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连

接的功能。

（2） 欠压（LVG）告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制

器应能自动发出声光告警信号。

（3） 低压（LVD）断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连结负载，可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。有时，采用低压报警代替自动切断。 （4）保护功能：

① 防止任何负载短路的电路保护。

② 防止充电控制器内部短路的电路保护。

③ 防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。

④ 防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。 ⑤ 在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。

（5）温度补偿功能：当蓄电池温度低于２５℃时，蓄电池应要求较高的充电

电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。 通常铅酸蓄电池的温度补赏系数为 －5mv/oC/CELL 。

2．控制器的基本技术参数：

（1） 太阳电池输入路数：1――12路 （2） 最大充电电流： （3） 最大放电电流：

（4） 控制器最大自身耗电不得超过其额定充电电流的1% （5）通过控制器的电压降不得超过系统额定电压的5% （6）输入输出开关器件：继电器或MOSFET模块 （7）箱体结构：台式、壁挂式、柜式 （8）工作温度范围：－15?C — ＋55 ℃ （9）环境湿度：90％

3．控制器的分类：

光伏充电控制器基本上可分为五种类型：并联型、串联型、脉宽调制型、智能型和最大功率跟踪型。 （1〕 并联型控制器： 当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。因为这种方式消

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耗热能，所以一般用于小型、低功率系统，例如电压在１２伏、２０安以内的系统。这类控制器很可靠，没有如继电器之类的机械部件。 （2〕 串联型控制器： 利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容易制造连续通电电流在４５安以上的串联控制器。 （3〕 脉宽调制型控制器：它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。 （4〕 智能型控制器： 采用带CPU的单片机（如 Intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离/接通控制。对中、大型光伏电源系统，还可通过单片机的RS232接口配合MODEM调制解调器进行远距离控制。 （5〕 最大功率跟踪型控制器： 将太阳电池的电压U和电流I检测后相乘得到功率P，然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断，通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳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。

4．控制器的基本电路和工作原理：

⑴ 单路并联型充放电控制器：

D1＋太阳电池方阵开关器件蓄电池检测控制电路D2－负载T1BX开关器件T2

并联型充放电控制器充电回路中的开关器件T1是并联在太阳电池方阵的输出端，当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，开关器件T1导通，同时二极管D1截止，则太阳电池方阵的输出电流直接通过T1短路泄放，不再对蓄电池进行充电，从而保证蓄电池不会出现过充电，起到“过充电保护”作用。

D1为防“反充电二极管”，只有当太阳电池方阵输出电压大于蓄电池电压时，D1才能导通，反之D1截止，从而保证夜晚或阴雨天气时不会出现蓄电池向太阳电池方阵反向充电，起到“放反向充电保护”作用。

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开关器件T2为蓄电池放电开关，当负载电流大于额定电流出现过载或负载短路时，T2关断，起到“输出过载保护”和“输出短路保护”作用。同时，当蓄电池电压小于“过放电压”时，T2也关断，进行“过放电保护”。

D2为“防反接二极管”，当蓄电池极性接反时，D2导通使蓄电池通过D2短路放电，产生很大电流快速将保险丝BX烧断，起到“防蓄电池反接保护”作用。

检测控制电路随时对蓄电池电压进行检测，当电压大于“充满切离电压”时使T1导通进行“过充电保护”； 当电压小于“过放电压”时使T2关断进行“过放电保护”。

⑵ 串联型充放电控制器：

串联型充放电控制器和并联型充放电控制器电路结构相似，唯一区别在于开关器件T1的接法不同，并联型T1并联在太阳电池方阵输出端，而串联型T1是串联在充电回路中。当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，T1关断，使太阳电池不再对蓄电池进行充电，起到“过充电保护”作用。

其它元件的作用和串联型充放电控制器相同，不再赘述。

D1＋太阳电池方阵蓄电池检测控制电路D2－负载开关器件T2BX开关器件T13．检测控制电路的组成和工作原理：

蓄电池电压＋R1G1R2G2-A1+W1过压检测控制+A2-W2欠压检测控制检测控制电路包括过压检测控制和欠压检测控制两部分。

检测控制电路是由带回差控制的运算放大器组成。A1为过压检测控制电路，A1的同相输入端由W1提供对应“过压切离”的基准电压，而反相输入端接被测蓄电池，当蓄电池电压大于“过压切离电压”时，A1输出端G1为低电平，关断开关

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器件T1，切断充电回路，起到过压保护作用。当过压保护后蓄电池电压又下降至小于“过压恢复电压”时，A1的反相输入电位小于同相输入电位，则其输出端G1由低电平跳变至高电平，开关器件T1由关断变导通，重新接通充电回路。“过压切离门限”和“过压恢复门限”由W1和R1配合调整。

A2为欠压检测控制电路，其反相端接由W2提供的欠压基准电压，同相端接蓄电池电压（和过压检测控制电路相反），当蓄电池电压小于“欠压门限电平”时，A2输出端G2为低电平，开关器件T2关断，切断控制器的输出回路，实现“欠压保护”。欠压保护后，随着电池电压的升高，当电压又高于“欠压恢复门限”时，开关器件T2重新导通，恢复对负载供电。“欠压保护门限”和“欠压恢复门限”由W2和R2配合调整。

5．小型单路充放电控制器产品实例：

⑴ 功 能 及 特 点:

太 阳 能 电 源 自 动 控 制 器 是 控 制 太 阳 能 电 池 给 蓄 电 池 充 电、 蓄 电 池 给 负 载 供 电 的 盒 式 控 制 器。 它 采 用 双 路 太 阳 能 电 池 对蓄 电 池 充 电, 充 电 电 流 随 蓄 电 池 的 充 满 逐 路 断 开, 而 随 着 蓄 电 池 的 放 电 又 逐 路 接通 恢 复 充 电。 它 同 时 对 蓄 电 池 的 放 电 进 行 切 断 和 恢 复 使 用 的 控 制, 这 既 符 合 蓄 电 池 的 理 想 充 放 电 特 性, 又 提 高 了 太 阳 能 电 池 的 利 用 率 和 充 电 效 率。 此 设 备 具 有 防 反 充 保 护 ; 防 负 载 短 路 保 护 ; 防 负 载、 太 阳 电 池 组 件 或 蓄 电 池 极 性 反 接 保 护 和 防 雷 击 保 护。

⑵ 主要技术指标:

系统电压： DC 12V

太 阳 能 电 池额 定 充 电 电 流 ：5 A 。 蓄 电 池标 称 电 压 ： 12 V 。

蓄 电 池 充 满 电 压 ： 14.8 V； 充 满 恢 复 电 压 ： 13.5 V 蓄 电 池 过 放 电 压 ：10.8 V； 过 放 恢 复 电 压 ： 13 V 输 出 电 压 ： 10.8 -- 14.8 V 额 定 输 出 电 流 ： 5 ?

⑶ 控制器电路工作原理：

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① 蓄电池充满检测及充满恢复电路：

A3和A4为控制板充满检测电路，当蓄电池电压高于14.8V时， 经运算放大器电平比较后使U2C－8和U2D-14先后由低电平上跳至高电平,发出蓄电池充满切离信号 M 和N; 经T1—T4驱动电磁继电器J1—J2动作，使继电器J1—J2的常闭接点Z1—Z2断开,切断两路太阳电池方阵对蓄电池的充电回路; 直到蓄电池电压低于26.1—26.3V时经运算放大器电平比较后使U2C－8和U2D-14先后由高电平下跳至低电平, 发出蓄电池充满恢复信号m和n，接通两路太阳电池充电回路又重新恢复对蓄电池进行充电。

② 蓄电池欠压检测及告警电路：

U2B为控制板欠压检测电路，当蓄电池电压低于21.5时， U2B－7输出由低电平上跳至高电平,发出蓄电池欠压信号 L ，经T5推动后使LED3发光二极管点亮，发出欠压告警信号,同时继电器J3的常闭接点Z3动作,断开蓄电池到负载的放电回路；直到蓄电池电压高于26.8V解除欠压告警信号L, LED3熄灭, 同时接通继电器J3的常闭接点Z3 ,恢复负载放电回路的接通。

⑷ 安装及操作使用

2用导线将四副连接插头分别与两路太阳电池、蓄电池和负载相连接。注意正极接红线，负极接黑线。

2将四副插头、插座正确连接，顺序为：①先接蓄电池，②再接太阳电池，③最后接负载。注意:必须按上述顺序连接! ⑸ 故障排除指导

2当蓄电池电压在正常范围内而控制器没有输出，请检查更换控制器侧面的保险(5A)。

2当设备遭到雷击时， 可打开盒盖， 更换电路板上的两只蓝色(或黄色)的压敏电阻。换好后可继续使用。

2如果出现充满指示灯频繁地点亮熄灭, 这种情况大多是由于蓄电池出现 故障, 可换用一块新的蓄电池重新开机。

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6．普通型柜式充放电控制器产品实例：

???JKCK-48V/50A型光伏电源控制器 ⑴ 功能和控制器主电路：

JKCK-48V/50A型光伏电源控制器是用于太阳能电源系统中，控制太阳能电池给蓄电池充电以及蓄电池给负载供电的电子设备。控制器主电路图如下：

控制板A1A2K7SGDDQ1SGDGQ2SGDQ3SGDQ4SGDQ5SQ6 K1 K2D3 K3 K4 K5 K6D1D2D3D4+ D5DC-DC电源D6E蓄电池F1F2F3F4F5F6 RL- JKCK-48/50A 光伏电源控制器主电路图⑵ 主要技术指标：

① 太阳能电池：额定输入功率为2500Wp，6路方阵输入，最大充电电流为50A。 ② 蓄电池：标称电压 48V。 ③ 输出： 48V/40A。

④ 防反充：晚上或阴雨天气时，阻断蓄电池电流倒流向太阳能电池。

⑤ 充满控制：当蓄电池电压上升到 56.4V(±0.5V)时，进行充满控制，将太阳能电池方阵逐路切离充电回路, 充满恢复电压为 52V(±0.5V)。

⑥ 欠压指示及告警：当蓄电池电压下降到 44V(±0.5V)时，进行过放指示并蜂鸣器告警。通知用户应立即给蓄电池充电，否则蓄电池将过放电，从而影响蓄电池的寿命, 欠压恢复电压为 48V(±0.5V)。 ⑶ 太阳能光伏电源系统结构框图：

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太阳电池方阵1太阳电池方阵2太阳电池方阵6JKCK48V/50A太阳能电源控制器蓄 电 池 组(48V)48V 负 载太阳能电源系统框图⑷ 工作原理：

JKCK-48V/50型太阳能电源控制器，接入6路太阳能电池方阵，给标称为48V的蓄电池组充电，输出为48V/40A。

当蓄电池电压上升到56.4V(±0.5V)时，进行充满控制，将太阳能电池方阵逐路切离充电回路。充满1~充满6指示被切离充电回路的方阵组数（充满1表示第一路被切离，充满2表示第二路被切离，充满3表示第三路被切离，充满4表示第四路被切离，充满5表示第五路和第六路被切离，充满6表示第六路被切离）。当蓄电池电压下降到52V(±0.5V)时，重新将方阵逐路重新接入充电回路，相应的指示灯灭。

当蓄电池电压下降到44V(±0.5V)时，进行过放指示，面板上过放指示灯亮，同时蜂鸣器告警。当蓄电池电压回升到48V(±0.5V)时，过放指示灯灭。 ⑸ 控制器面板及布局说明：

① 面板说明(见下面控制器布局连线图)：

太阳能充电电流表：显示太阳能电池方阵向蓄电池充电的充电电流。 蓄电池电压表(100V)：显示蓄电池电压。

输出电流表(20A)：显示蓄电池向负载的供电电流。

充满1~充满6指示灯：充满指示灯指示被切离充电回路的方阵路数。 欠压指示灯：当蓄电池电压下降到44V时，欠压指示灯亮。 ② 布局说明(见图3.3)：

空气开关：K1为第1路太阳能电池方阵的正极输入端和开关。 K2为第2路太阳能电池方阵的正极输入端和开关。 K3为第3路太阳能电池方阵的正极输入端和开关。 K4为第4路太阳能电池方阵的正极输入端和开关。 K5为第5路太阳能电池方阵的正极输入端和开关。 K6为第6路太阳能电池方阵的正极输入端和开关。 K7为48V正极输出端和开关。

BX是主控制板保险，60A。 ⑹ 使用与维护：

① 打开机器包装，安装固定好机器，查看机内元器件是否松动。 ② 参看控制器布局连线图按步骤接线：

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◇将主控制板用保险BX(拔下，并将空气开关K1~K7打到关断状态。

◇将蓄电池的负极连至汇流条，蓄电池的正极连至下边的BX下端。前面板的蓄电池电压表应有指示。

◇将第1~6路太阳能电池方阵的正极连接到空气开关K1~K6的下端，负极连接到下边的汇流条。

◇将DC-48V负载的正极(48V端)连接到输出空气开关K7的下端，负极连接到下边的汇流条。

注意：(1)必须按照上述步骤，先连接蓄电池，再连接太阳能电池，最后连接负载。 (2)控制器内下边的汇流条为控制器的负端，供连接第1~6路太阳能电池方阵的负极、蓄电池组的负极以及负载的负极使用。 ③ 确认导线连接完全无误后，按上保险BX，合上空气开关K1~K6。初次开机时，在有日照的情况下前面板的太阳能充电电流表应有指示。再合上空气开关K7，待负载开机后，前面板的输出电流表应有指示。

④ 维护：JKCK-48V/40A型太阳能电源控制器为全自动控制设备，无需人工操作。如无电压输出，请检查空气开关K7是否合上、保险盒BX是否熔断。如控制器失去控制，请检查保险BX是否熔断。

太阳能电源控制器充电电流充满1充满2充满3蓄电池电压充满4充满5充满6放电电流欠压控制板开关电源Q1GDSQ2GDSQ3GDSQ4GDSQ5GDSQ6GDSK1K2K3K4K5K6BXK7D1D2D3D4D5D6+E48V_RL太阳能电源控制器布局连线图

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7．智能型壁挂式充放电控制器产品实例：

⑴ 功能：

JKZK光伏电源智能控制器是用于太阳能电源系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给负载供电的自动控制设备。该控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器,构成一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，该控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。 ⑵ 智能控制器主要技术指标： 系统工作电压：-48V 最大充电电流：100A 最大放电电流：50A

太阳电池输入路数：4路 蓄电池输入路数：2路

输入输出开关器件：继电器或MOSFET模块 箱体结构：壁挂式

工作温度范围：－15?C — ＋55 ℃ 环境湿度：90％

⑶ 智能控制器的功能和特点

① 采用先进的“强充(BOOST)/递减(TAPER)/浮充(FLOAT)自动转换充电方法”（参见控制器充电流程图），依据蓄电池组端电压的变化趋势自动控制6路太阳电池方阵的依次接通或切离，既可充分利用宝贵的太阳电池资源，又可保证蓄电池组安全而可靠的工作。

当电压系统出现蓄电池过充电、过放电及工作回路过电流等故障时，控制器可立即发出声光告警信号，并且切断主电路中的有关回路。 ② 蓄电池强充电/递减方式充电/浮充电自动转换

强充电转递减充电的上限电压可调范围： 54-68 V 浮充电保持电压的电压可调范围： 48-54 V (浮充电上限电压和下限电压之差：2-3V)

强迫进入强充电的电压可调范围： 48-60 V ③ 蓄电池过放电告警(声,光)：

蓄电池过放点的电压可调范围： 42-48 V 蓄电池过放恢复点的电压可调范围： 42-60 V ④ 过压自动保护：

蓄电池过压点的电压可调范围： 56-72 V 蓄电池过压恢复点的电压定在低于过压点4V处。

⑤ 控制门限的确定值可由键盘输入调整，进入调整需输入口令，以免非专职人

员误操作。

⑥ 采用高精度12位串行A/D转换器，对“当前状态参数”进行实时快速采集。

并存至掉电不丢失数据的EEPROM存储器中。该存储器还可保存前32天的“历史数据”。

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⑦ “当前数据”、“历史数据”及“控制设置参数”等可由434矩阵按键选

择， 并由1632字符液晶显示器显示工作状态及统计数据： ?太阳电池： 6路太阳电池方阵的充电电流 ?总充电电流： 0-100A

?蓄电池电压： 标称48V (0-80V) ?负载电压： 0-80V ?负载电流： 0-50A

?通信参数设置显示： 波特率 9600

?数据格式：8位数据位,1位终止位,无奇偶校验位 ?统计数据：

过去32天每天的充电电量： 1200AH 过去32天每天的放电电量： 1200AH

过去32天每天的最高蓄电池电压： 0-80V 过去32天每天的最低蓄电池电压： 0-80V ?充电控制设置显示(缺省值)：

强充电上限电压： 60V 递减电压下限： 56V 浮充电压上限： 56V 浮充电压下限： 54V 进入强充电压： 49.6V

状态转变延时： 1 分钟 ?输出控制设置显示：

蓄电池过放电电压： 44.8V 蓄电池过放恢复电压： 51.2V 蓄电池过压点:：64V

过放、过压切断输出前的延时时间：200 秒 注：（1）开机上电时显示蓄电池电压。

（2）当10分钟无键按下时，自动关闭液晶屏。

⑧ 通信功能：主站与每台控制器可以进行远距离数据传送

⑷ 控制器的组成及各部分的作用 ① 信号调理电路：

? 直流电压信号：如蓄电池端电压，太阳电池方阵开路电压，负载电压等。 其中太阳电池方阵电压测量时，由于该电源系统采用蓄电池正极接地方式，将导致太阳电池电压的测量在白天为负电压，晚上为正电压（对控制器参考地而言） 。

? 直流电流信号：如蓄电池充电电流，放电电流，太阳电池方阵电流等。 ? 温度信号：环境温度。

② 多路模拟开关和串行A/D模数转换器：

以上不同类型的模拟信号，不论是正负极性的直流电压，高至100A 的直流电流， 还是微弱信号的温度传感器， 经信号调理后统一变成5V的标准信号。但该控制器采用12位串行A/D模数转换器，每一时刻只能处理一路模拟输入信号，因此需经多路模拟开关， 由CPU发出选通地址，经串行A/D转换器依次转换为对应的12位二进制数字信号，送CPU 进行数据处理。

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因该控制器输出输入的开关量较多，占用大量的I/O口线，所以采用串行A/D只占用少量I/O口线，以便省出口线供其它开关量使用。此外，采用12位A/D，可提高采样信号的测量精度。

信号调理模数转换CPULCD显示EEPROMI/O扩 展 4 X 4 ?矩阵键盘太阳电池方阵RAM故障告警I/O开关电源串行通信接口智能控制器硬件组成 框图

③ CPU 、EEPROM、RAM、I/O单片微处理器：

本机采用ATMEL公司的单片机，具有集成度高、内存容量大、宽工作电压范围、运行速度快、低功耗等独特优点。它不需增加外围芯片即可独立构成一个完整的8位微处理器单片机，是近年来新推出的很有推广价值的新型芯片。

③ LCD液晶显示器：

采用16位*2行带背光字符型液晶显示器模块，具有字符显示清晰、 屏幕显示格式可灵活编程、背光亮度、对比度可控、耗电小等优点。为避免平时不需观察屏幕也一直开亮度显示，本控制器可定时查询，如果超过10分钟无按键操作，将自动关闭LCD显示器，以节约功耗，当需要显示时，按任意键可自动恢复显示。 ④ 4*4自定义矩阵键盘：

由于该机采集当前数据、历史数据和控制设置参数较多，而LCD 显示只有两行，每行显示16个字符，所以设计有4*4矩阵键盘，分别定义16个按键，通过选择不同的按键，可使LCD 显示器分屏显示蓄电池电压、负载电压、6路太阳电池方阵电压、充电电流、放电电流等参数，前32天的历史数据浏览和控制设置参数的改变，也可选择对应按键进行操作。

该键盘设计为防潮型薄膜键盘，厚度薄、尺寸小、密封性能好、按键通断可靠性高。

⑤ RS232异步串行通讯接口：

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对于偏远地区（高山、海岛、边疆等）的光伏电站，由于交通不便，技术和经济力量薄弱，为保证光伏系统长期可靠运行，本控制器设计有RS232异步串行通讯接口，可将下位机采集存储的“当前数据”、“历史数据”、“控制设置参数”串行传输至上位机。

⑸ 充电流程框图：

强充1全 通V1浮充81通5断>Vfd(56V)V2浮充92通4断56.8V?Vfd强充34通2断V3浮充103通3断Vfd54VV4>VfVfd54V强充52通4断56VV5浮充125通1断>Vfd54VV6浮充7全 断

注：（1） X＝1－6，X通X断表示6路太阳能电池方阵的工作状态 （2） V「1」－V「6」为递减充电方式的6个中间给定值

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（3） Vfx,Vfd为浮充电方式的最大电压和最小电压 （4） Vfz为强迫浮充电专强充电方式的设定电压 ⑹ 智能控制器使用方法

打开面板电源开关，LCD液晶显示屏显示开机工作时间。 ①“当前数据”的显示：

按下面板上自定义键盘的对应按键，LCD将对应显示“太阳电池方阵电压、电流”、“蓄电池电压”、“负载电压”、“充电电流”、放电电流“等数据。 ②“控制设置参数“的修改：

按下键盘的“控制设置键“，输入口令数字码后，再依次显示”最大强充电压“、“强充递减电压”、“浮充最大电压“、”浮充最小电压“、”强迫转强充电压“、”蓄电池温度补偿系数“、”状态改变延时时间“等原有数值。按下”加“ 或 ”减“键，可分别改变某设置参数，直到显示”存改变数据吗？“提示时，按 ”加“ 键表示存，按其它键表示不存。

③“负载设置参数“ 的修改：

依次按下 “负载设置键“，将分别显示 蓄电池”过压告警点“、”欠压告警点“、”欠压恢复点“、“状态改变延时时间”等参数的原来数值，同上，按 “加” 或 “减” 键分别改变参数后，待出现“存改变数据吗？”提示时，再按 “加”键存储记忆，按其它键则放弃修改。 ④“通讯设置参数“的修改：

按下“通讯设置键“，将显示现场光伏电站的”站号的原来值，同上。按“加”、“减” 键分别改变参数后，待出现“存改变数据吗？”提示时，再按 “加”键存储记忆，按其它键则放弃修改。 ⑤“历史数据”浏览：

按下“历史数据浏览键” LCD屏显示上月第一天“当天最大电压”、“当天最小电压”、“当天充电电量”、“当天放电电量”四个数。然后按“加” 或 “减”键，则分屏显示第二天、第三天??等历史数据。 ⑺ 智能控制器的维护与保养：

① 智能控制器的自检验功能：按下“系统自检”键后，再按“确认”键，

则LCD 显示出“充电状态号”、 “六个太阳电池方阵通断”、“蓄电池端电压” 等。由此可根据“控制设置参数”判断控制器电路工作是否正常。

② 本机为减小功耗，设计有定时自动灭屏程序，当超过10分钟无按键操作

时，LCD液晶显示器将自动关闭。此时不要误认为是机器故障，只要按下任一键，LCD即可恢复正常显示。

③ 如果按键后LCD仍不显示，则应检查右侧板内稳压电源板上的保险丝是

否烧断，若是则更换即可。

④ 注意，本机设计为蓄电池正极接地，应将蓄电池和太阳电池方阵的正极

共同接在右下方接到铜块上。

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四．直流－交流逆变器：

1．逆变器的功能：

逆变器是电力电子技术的一个重要应用方面。电力电子技术是电力、电子、自动控制、计算机及半导体等多种技术相互渗透与有机结合的综合技术。

众所周知，整流器的功能是将50HZ的交流电整流成为直流电。而逆变器与整流器恰好相反，它的功能是将直流电转换为交流电。这种对应于整流的逆向过程，被称之为 “逆变”。太阳能电池在阳光照射下产生直流电，然而以直流电形式供电的系统有很大的局限性。例如，日光灯、电视机、电冰箱、电风扇等均不能直接用直流电源供电，绝大多数动力机械也是如此。此外，当供电系统需要升高电压或降低电压时，交流系统只需加一个变压器即可，而在直流系统中升降压技术与装置则要复杂得多。因此，除特殊用户外，在光伏发电系统中都需要配备逆变器。逆变器还具备有自动调压或手动调压功能，可改善光伏发电系统的供电

质量。综上所述，逆变器已成为光伏发电系统中不可缺少的重要配套设备。

目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同（如１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ等），很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用交流系统。随着我国光伏发电市场的日趋成熟，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。

2．光伏发电系统对逆变器的技术要求：

采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变器四部分组成，而逆变器是其中关键部件。光伏发电系统对逆变器的技术要求如下：

（１）要求具有较高的逆变效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。

（２）要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。 （３）要求直流输入电压有较宽的适应范围。由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如１２Ｖ蓄电池，其端电压可在１０Ｖ～１６Ｖ之间变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。 （４）在中、大容量的光伏发电系统中，逆变器的输出应为失真度较小的正弦波。

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这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对供电品质有较高的要求。另外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免对公共电网的电力污染，也要求逆变器输出失真度满足要求的正弦波形。

3．逆变器的主要技术性能指标：

⑴ 额定输出电压：

在规定的输入直流电压允许的波动范围内，它表示逆变器应能输出的额定电压值。对输出额定电压值的稳定精度有如下规定：

① 在稳态运行时，电压波动范围应有一个限定，例如，其偏差不超过额定值的±3％或±5％。

② 在负载突变（额定负载的0％?50％?100％）或有其它干扰因素影响动态情况下，其输出电压偏差不应超过额定值的±8％或±10％。 ⑵ 逆变器应具有足够的额定输出容量和过载能力：

逆变器的选用，首先要考虑具有足够的额定容量，以满足最大负荷下设备对电功率的需求。额定输出容量表征逆变器向负载供电的能力。额定输出容量值高的逆变器可带更多的用电负载。但当逆变器的负载不是纯阻性时，也就是输出功率因数小于1时，逆变器的负载能力将小于所给出的额定输出容量值。 ⑶ 输出电压稳定度：

在独立光伏发电系统中均以蓄电池为储能设备。当标称电压为12V的蓄电池处于浮充电状态时，端电压可达13.5V，短时间过充状态可达15V。蓄电池带负荷放电终了时端电压可降至10.5V或更低。蓄电池端电压的起伏可达标称电压的30％左右。这就要求逆变器具有较好的调压性能，才能保证光伏发电系统以稳定的交流电压供电。

输出电压稳定度表征逆变器输出电压的稳压能力。多数逆变器产品给出的是输入直流电压在允许波动范围内该逆变器输出电压的偏差百分数，通常称为电压调整率。高性能的逆变器应同时给出当负载由0％→100％变化时，该逆变器输出电压的偏差百分数，通常称为负载调整率。性能良好的逆变器的电压调整率应≤±3％，负载调整率应≤±6％。 ⑷ 输出电压的波形失真度：

当逆变器输出电压为正弦波时，应规定允许的最大波形失真度（或谐波含量）。通常以输出电压的总波形失真度表示，其值不应超过5％。 ⑸ 额定输出频率：

逆变器输出交流电压的频率应是一个相对稳定的值，通常为工频50Hz。正常工作条件下其偏差应在±1％以内。 ⑹ 负载功率因数：

“负载功率因数”表征逆变器带感性负载或容性负载的能力。在正弦波条件下，负载功率因数为0.7－0.9(滞后)，额定值为0.9。

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⑺ 额定输出电流（或额定输出容量）：

它表示在规定的负载功率因数范围内，逆变器的额定输出电流。有些逆变器产品给出的是额定输出容量，其单位以VA或kVA表示。逆变器的额定容量是当输出功率因数为1（即纯阻性负载）时，额定输出电压与额定输出电流的乘积。 ⑻ 额定逆变输出效率：

整机逆变效率高是光伏发电用逆变器区别于通用型逆变器的一个显著特点。10千瓦级的通用型逆变器实际效率只有70％－80％，将其用于光伏发电系统时将带来总发电量20％－30％的电能损耗。光伏发电系统专用逆变器，在设计中应特别注意减少自身功率损耗，提高整机效率。这是提高光伏发电系统技术经济指标的一项重要措施。在整机效率方面对光伏发电专用逆变器的要求是：千瓦级以下逆变器额定负荷效率≥80％－85％，低负荷效率≥65％－75％；10千瓦级逆变器额定负荷效率≥85％－90％，低负荷效率≥70％－80％。

逆变器的效率值表征自身功率损耗的大小，通常以百分数表示。容量较大的逆变器还应给出满负荷效率值和低负荷效率值。千瓦级以下的逆变器效率应为80％－85％，10千瓦级的逆变器效率应为85％－90％。逆变器效率的高低对光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有着重要影响。 ⑼ 保护功能：

光伏发电系统正常运行过程中，因负载故障、人员误操作及外界干扰等原因而引起的供电系统过流或短路，是完全可能的。逆变器对外部电路的过电流及短路现象最为敏感，是光伏发电系统中的薄弱环节。因此，在选用逆变器时，必须要求具有良好的对过电流及短路的自我保护功能。这是目前提高光伏发电系统可靠性的关键所在。

① 过电压保护：对于没有电压稳定措施的逆变器，应有输出过电压的防护措施，以使负载免受输出过电压的损害。

② 过电流保护：逆变器的过电流保护，应能保证在负载发生短路或电流超过允许值时及时动作，使其免受浪涌电流的损伤。 ⑽ 起动特性：

它表征逆变器带负载起动的能力和动态工作时的性能。逆变器应保证在额定负载下可靠起动。高性能的逆变器可做到连续多次满负荷起动而不损坏功率器件。小型逆变器为了自身安全，有时采用软起动或限流起动。 ⑾ 噪声：

电力电子设备中的变压器、滤波电感、电磁开关及风扇等部件均会产生噪声。逆变器正常运行时，其噪声应不超过65dB。

4．逆变器的分类和电路结构：

有关逆变器分类的原则很多，例如：根据逆变器输出交流电压的相数，可分为单相逆变器和三相逆变器；根据输出波形的不同可分为方波逆变器和正弦波逆变器；根据逆变器使用的半导体器件类型不同，可分为晶体管逆变器、MOSFET模块及可关断晶闸管逆变器等；根据功率转换电路又可分为推挽电路、

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桥式电路和高频升压电路逆变器等。为了便于光伏电站选用逆变器，这里对方波逆变器、正弦波逆变器和几种功率转换电路作进一步简要说明。 ⑴ 方波逆变器：

方波逆变器输出的交流电压波形为50HZ方波。此类逆变器所使用的逆变线路也不完全相同，但共同的特点是线路比较简单，使用的功率开关管数量少。设计功率一般在几十瓦至几百瓦之间。方波逆变器的优点是：价格便宜，维修简单。缺点是：由于方波电压中含有大量高次谐波，在以变压器为负载的用电器中将产生附加损耗，对收音机和某些通信设备也有干扰。此外，这类逆变器中有的调压范围不够宽，有的保护功能不够完善，噪声也比较大。 ⑵ 正弦波逆变器：

这类逆变器输出的交流电压波形为正弦波，正弦波逆变器的优点是：输出波形好，失真度低，对通信设备无干扰，噪声也很低。此外，保护功能齐全，对电感性和电容型性负载适应性强。缺点是：线路相对复杂，对维修技术要求高，价格较贵。早期的正弦波逆变器多采用分立电子元件或小规模集成电路组成模拟式波形产生电路，直接用模拟50HZ正弦波切割几KHZ――几十KHZ的三角波产生一个SPWM正弦脉宽调制的高频脉冲波形，经功率转换电路、升压变压器和LC正弦化滤波器得到220V/50HZ单相正弦交流电压输出。但是这种模拟式正弦波逆变器电路结构复杂、电子元件数量多、整机工作可靠性低。随着大规模集成微电子技术的发展，专用SPWM波形产生芯片（如HEF4752、SA838等）和智能CPU芯片（如INTEL 8051、PIC16C73、INTEL80C196 MC等）逐渐取代小规模分立元件电路，组成数字式SPWM波形逆变器，使正弦波逆变器的技术性能和工作可靠性得到很大提高，已成为当前中、大型正弦波逆变器的优选方案。 ⑶ 几种功率转换电路的比较：

逆变器的功率转换电路一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，其主电路分别如图3.1、图3.2和图3.3所示。

图3.1所示的推挽电路，将升压变压器的中心抽头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电输出。由于功率晶体管共地连接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。

图3.2所示的全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率开关管Ｔ3、Ｔ6和Ｔ4、Ｔ5反相，Ｔ3和Ｔ4相位互差１８０°，调节Ｔ3和Ｔ4的输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有能使Ｔ5和Ｔ6共同导通的功能，因而具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会产生畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共态导通，在Ｔ3、Ｔ6及Ｔ4、Ｔ6之间必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。

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T1＋蓄电池B1波形产生电路驱动电路T2220V50HZ负载－ 图3.1 推挽式逆变器电路原理框图

T1T3B1＋蓄电池波形产生电路驱动电路T2220V50HZ负载－T4

图3.2 全桥式逆变器电路原理框图

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T1＋蓄电池B1－PWM方波产生电路驱动电路AT2T3T5220V50HZSPWM波形产生电路驱动电路BT4T6负载 图3.3 高频升压式逆变器电路原理框图

图3.3为高频升压电路，由于推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，而工频升压变压器体积大，效率低，价格也较贵，随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频升压变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变。这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构（T1、T2），但工作频率均在２０ＫＨｚ以上，升压变压器B1采用高频磁芯材料，因而体积小、重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电（一般均在250Ｖ以上），再通过工频全桥逆变电路（T3、T4、T5、T6）实现逆变。采用该电路结构，使逆变电路功率密度大大提高，逆变器的空载损耗也相应降低，效率得到提高。该电路的缺点是电路复杂，可靠性比上述两种电路偏低。

5．逆变器的波形产生电路：

⑴ 方波输出的逆变器波形产生电路：

方波输出的逆变器目前多采用如SG3525A、TL494等专用脉宽调制集成电路来产生占空比可变的PWM脉宽调制波形，并采用功率场效应管作为开关功率元件。由于SG3525具有直接驱功率场效应管的能力，并具有内部基准源和运算放大器和欠压保护功能，因此其控制性能更好。

① SG3525A 双端输出式SPWM 脉宽调制器专用芯片：

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Vc参考电压1513参考调压器Vref1.6V16欠压锁定或非11地12输入A接内部电路4Ct3同步RtCt放电振荡器输出Rt6振荡器触发器或非145输出BRd791补赏反相入同相入慢启动+＋比较器误差放大器－-RSS+＋－-PWM锁存器2Vref50uA810关闭5K5KSG3525 脉宽调制器专用芯片功能框图

? 振荡器及可调的死区时间：

振荡器的时标电容Ct单独设有放电电路，电容Ct通过外接电阻Rd至引脚7，

改变Rd就可以改变Ct的放电时间，也改变了死区时间Td 。 振荡器的振荡频率由下式确定： ? 慢启动电路：

1f?Ct?(0.7Rt?3Rd)2.5?Cm?650?10 慢启动电路是由外接电容Cm，并由内部50uA恒流源充电达到50％输出占空比的时间是：

? 输出限流和关断保护电路：

SG3525A 的10脚为关闭保护端。当10脚电位 V10 ＝0时，芯片正常工作；当V10 >0.7v时，芯片将进行限流操作；当V10 >1.4v时，将关断输出。 ? 图腾柱式输出级：当Vc(13脚)和Vi(15脚)接＋12－15V时，可使输出更快

地关断，用以驱动功率MOSFET。在状态转换过程中，由于晶体管存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重叠导通，在重叠处产生一个电流尖脉冲，其持续时间一般不会超过100ns。为此应在Vc(13脚)和地之间接一个0.1uf的电容将它滤掉。

? SG3525A 推荐工作条件：

Tm?

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电源电压(16脚)： 集电极电压(13脚)： 吸收/流出负载电流： 参考负载电流： 振荡器频率范围： 振荡器定时电阻： 振荡器定时电容： 死区时间电阻范围： ② TL494集成脉宽调制器

8――35 v 4.5――35 v 0――100 ma 0――20 ma

100HZ――400KHZ 2――150 KΩ 0.001――0.1 UF 0――500 Ω

输出方式控制C18E11365RtCt振荡器QT触发器Q911+＋4死区时间控制－-死区时间比较器C210E2+P W M＋－-比较器Vcc12+误差＋－-放大器1误差放大器2＋+－-欠压锁定参考调压器123反馈15167GND14同相入反相入反相入同相入Ref +5VTL494 PWM脉宽调制控制器内部结构框图⑵ 正弦波逆变器的波形产生：

正弦波输出的逆变器，其控制电路可采用微处理器控制，如INTEL公司生产的80C196MC、Microchip公司生产的PIC16C73等，这些单片机均具有多路PWM发生 ① PWM正弦波脉宽调制技术：

SPWM的控制策略：迄今为止，已有多种不同的SPWM控制策略被提出，如自然采样法、规则采样法、△调制法、滞环电流控制法和指定次谐波消除法等。

一般说来，模拟电路大多采用自然采样法，即将正弦参考波与三角载波接在一比较器的两个输入端，比较器的输出即为产生的SPWM信号。信号的开关时刻由两波形的交点确定。用此种方法可方便地产生高频SPWM信号，其优点是信号精确，电路简单。缺点是脉冲稳定性差，抗干扰能力差。

用微机软件实时产生SPWM信号是一种既方便又经济可靠的方法，它的稳定性及抗干扰能力均明显优于相应模拟控制电路。此外用微机软件可以方便地实现具有多种优良性能，而用模拟电路很难实现的复杂的SPWM控制策略。目前使用

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微机产生SPWM信号最常用的控制策略是“规则采样法”。与“自然采样法”相比，规则采样法用电平按正弦规律变化的阶梯波代替了正弦波作为参考信号。这种改进大大减轻了计算PWM脉宽的工作量，使通过实时运算产生PWM波成为可能。现在很多系统均采用规则采样法，通过查表或查表与运算相结合，实时产生需要的PWM脉冲。

由于受微机字长、运算速度等因素的影响，目前用微机产生PWM调制信号大多只能应用于控制精度不高、载波频率较低的场合。在高载波频率下产生PWM信号，计算机就显得力不从心。如目前在软开关逆变器中开关频率一般均在20KHz以上，这时PWM信号的载波周期小于50us，而在一个载波周期内PWM脉冲又分为三个间隔，这样每一个间隔就显得非常短。采用目前广泛应用的51或98系列单片机，执行一条指令的最短时间为1us或2us。在这样短的时间内通过实时运算完成产生PWM波，显得非常勉强。即使是采用纯查表法，在这样短的时间内，微机要完成响应定时器中断、给定时器送新的时间常数、送出PWM脉冲，也仍然是手忙脚乱。这时，微机除了生成PWM脉冲外，基本上已很难再做其它事情。因此在实现高频PWM技术时，有的文献介绍用双单片机，一片单片机专用于产生PWM信号(这对于单片机的资源显然是一种浪费)，另一片单片机温差实时监测与控制任务。有的则只好用独立的模拟电路或数字模拟混合电路构成PWM信号发生器。 ? 自然采样法：

直接用正弦波曲线和等腰三角波曲线相交点作为管子的开关点。

由于这种方法在一个三角波上的两个相交点与三角波的中心线不对称，所以难以用计算机进行实时控制与模拟。虽然也可以用查表法产生SPWM波形，但将占用大量的内存空间。 ? 规则采样法：

这种方法的着眼点是设法得到一系列等间距的SPWM脉冲，使各个脉冲对三角载波的中心线对称，从而便于用计算机进行实时波形产生。 ? 正负三角波的富氏级数展开式：

81Uc?π２（12sin1ωt?3123ωt?5125ωt?...........)式中：ω＝2πfc fc--为载波频率(20--100kHz)

? 正弦波的数学表达式： Us=1*sinωt

ω＝2πfs fs--为输出频率(50Hz) ② SPWM脉宽调制波形的产生：

如果需要输出正弦电压波形，可用一个正弦波(调制信号fs)切割一个等腰三角波(载波信号fc)，当正弦波幅度Us大于三角波幅度Uc时，SPWM输出为高电平“1”，当正弦波幅度Us小于三角波幅度Uc时，SPWM输出为高电平“0”。 SPWM输出为一两侧窄中间宽的等幅不等宽的脉冲序列，但各脉冲的中心线间是等距的，且脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比，即宽度按正弦规律变化，故称为SPWM脉宽调制。对于正弦波的负半周，可以用倒相技术或负值三角波来进行调制。

? 载波比：

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N?Fc三角波的频率?Fs正弦波的频率

当取N＝3的整倍数(3,9,15,21,27,33??)时，可保证逆变器输出波形的正、负半周始终保持完全对称，并能严格保持三相输出波形间具有120°的对称关系。 ? 调制度：

M?Us.m正弦参考波的幅值?Uc.m三角载波的幅值

③ 单极性SPWM脉宽调制波形：

UUcUs正半周倒相信号fs-调制信号负半周fc-载波信号tSPWM 驱动输出单极性SPWM脉宽调制波形（自然采样法）

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④ 双极性SPWM脉宽调制波形：

50Hz正弦波500Hz等腰三角波双极性SPWM脉宽调制波形(规则采样法)6．逆变器功率器件的选择：

逆变器的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管（GTR），功率场效应管（MOSFET），绝缘栅晶体管（IGBT）和可关断晶闸管（GTO）等。在小容量低压系统中使用较多的器件为MOSFET，因为MOSFET具有较低的通态压降和较高的开关频率； 在高压中容量系统中一般均采用IGBT模块，这是因为MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势；而在特大容量（100KVA以上）系统中，一般均采用GTO作为功率元件。

⑴ 功率器件的分类：

① GTR电力晶体管(Giant Transistor)：

GTR功率晶体管即双极型晶体管(bipolar transistor),所谓双极型是指其电流

由电子和空穴两种载流子形成的。一般采用达林顿复合结构。它的优点是：高电流密度和低饱和电压。它的缺点即MOSFET的优点(见下)。 ② MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tyansistor) 功率场效应模块(金属氧化物场效应管)：其优点是：

? 开关速度快：功率MOSFET又称VDMOS，是一种多子导电器件，参加导电的是多数载流子，没有少子存储现象，所以无固有存储时间，其开关速度仅取决于极间寄生电容，故开关时间极短(小于50－100ns),因而具有更高的工作频率(可达100KHz以上)。

? 驱动功率小：功率MOSFET是一种电压型控制器件，即通断均由栅极电压控制。完全开通一个功率MOSFET仅需要10－20毫微秒库仑的电荷，例如一个1安培、10毫微秒宽的方波脉冲，完全开通一个功率MOSFET仅需要10毫

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微秒的时间。另外还需注意的是在特定的下降时间内关断器件无需负栅脉冲。由于栅极与器件主体是电隔离的，因此功率增益高，所需要的驱动功率很小，驱动电路简单。

? 安全工作区域(SOA)宽：功率MOSFET无二次击穿现象，因此其SOA较同功率的GTR双极性晶体管大，且更稳定耐用，工作可靠性高。

? 过载能力强：功率MOSFET开启电压(阀值电压)一般为2－6v，因此具有很高的噪声容限和抗干扰能力。

? 并联容易：功率MOSFET的通态电阻具有正稳定系数(即通态电阻随结温升高而增加)，因而在多管并联时易于均流，对扩大整机容量有利。

? 功率MOSFET具有较好的线性，且对温度不敏感。因此开环增益高，放大器级数相对可减少。

? 器件参数一致性较好，批量生产离散率低。

? 功率MOSFET的缺点：导通电阻大，且随温度升高而增大。

⑵ 功率MOSFET的主要参数特性：

① 漏源击穿电压(V) V(BR)DSS ：是在UGS ＝0时漏极和源极所能承受的最大电压，它是结温的正温度系数函数。

② 漏极额定电流ID ：ID 是流过漏极的最大的连续电流，它主要受器件工作温度的限制。一般生产厂家给出的漏极额定电流是器件外壳温度Tc＝25℃时的值，所以在选择器件时要考虑充分的裕度，防止在器件温度升高时漏极额定电流降低而损坏器件。

③ 通态电阻RDS(ON) ：它是功率MOSFET导通时漏源电压与漏极电流的比率，它直接决定漏极电流。当功率MOSFET导通时，漏极电流流过通态电阻产生耗散功率，通态电阻值愈大，耗散功率愈大，越容易损坏器件。另外，通态电阻与栅极驱动电压UGS有关，UGS 愈高，RDS(ON) 愈小，而且栅源电压过低，抗干扰能力差，容易误关断；但过高的栅极电压会延缓开通和关断的充放电时间，即影响器件的开关特性。所以综合考虑，一般取UGS ＝12－15V为宜。

手册中给出的RDS(ON) 是指器件温度为25℃时的数值，实际上器件温度每升高1℃，RDS(ON) 将增大0.7%,为正温度系数。 ④ 最大耗散功率PD (W)：是器件所能承受的最大发热功率(器件温度为25℃时)。 ⑤ 热阻RΘjc (℃/W)：是结温和外壳温度差值相对于漏极电流所产生的热功率的比率。其中：θ－表示温度，J－表示结温，C－表示外壳。

⑥ 输入电容(包括栅漏极间电容CGD和栅源极间电容CGS) ：在驱动MOSFET中输入电容是一个非常重要的参数，必须通过对其充放电才能开关MOSFET，所以驱动电路的输出阻抗将严重影响MOSFET的开关速度。输出阻抗愈小，驱动电路对输入电容的充放电速度就越快，开关速度也就越快。温度对输入电容几乎没有影响，所以温度对器件开关速度影响很小。栅漏极间电容CGD 是跨接在输出和输入回路之间，所以称为米勒电容。

⑦ 栅极驱动电压UGS ：如果栅源电压超过20v，即使电流被限于很小值，栅源之间的硅氧化层仍很容易被击穿，这是器件损坏的最常见原因之一，因此，应该注意使栅源电压不得超过额定值。还应始终记住，即使所加栅极电压保持低于栅－源间最大额定电压，栅极连续的寄生电感和栅极电容耦合也会产生使氧化层损坏的振荡电压。通过栅漏自身电容，还可把漏极电路瞬变造成的过电压耦合过来。

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鉴于上述原因，应在栅－源间跨接一个齐纳稳压二极管，以对栅极电压提供可靠的嵌位。通常还采用一个小电阻或铁氧体来抑制不希望的振荡。

⑧ MOSFET的截止，不需要象双极晶体管那样，对驱动电路进行精心设计(如在栅极加负压)。因为MOSFET是多数载流子半导体器件，只要把加在栅极－源极之间的电压一撤消(即降到0v),它马上就会截止。(见参(2) P70)

⑨ 在工艺设计中，应尽量减小与MOSFET各管脚连线的长度，特别是栅极连线的长度。如果实在无法减小其长度，可以用铁氧体小磁环或一个小电阻和MOSFET的栅极串接起来，这两个元件尽量靠近MOSFET的栅极。最好在栅极和源极之间再接一个10K的电阻，以防栅极回路不慎断开而烧毁MOSFET。 ? 功率MOSFET内含一个与沟道平行的反向二极管，又称“体二极管”。

注意：这个二极管的反向恢复时间长达几us到几十us，其高频开关特性远不如功率MOSFET本身，使之在高频下的某些场合成了累赘。

⑶ IGBT(Isolated Gate Bipolar Transistor) 绝缘门极双极型晶体管：

通态电阻RDS(ON) 大是MOSFET的一大缺点，如在其漂移区中注入少子，引入大注入效应，产生电导调制，使其特征阻抗大幅度下降，这就是IGBT。在同等耐压条件下，IGBT的导通电阻只有MOSFET的1/10--1/30,,电流密度提高了10－20倍。但是引入了少子效应，形成两种载流子同时运行，使工作频率下降了许多。IGBT是MOSFET和GTR双极性晶体管的折衷器件，结构上和MOSFET很相似，但其工作原理更接近GTR，所以IGBT相当一个N沟道MOSFET驱动的PNP晶体管。特点：它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有MOSFET输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有GTR通态电压低、耐压高的优点。

器件名称 GTR MOSFET IGBT 驱动方式 电流 电压 电压 驱动功率 大 小 小 存储时间 5－20us 无 几乎无 开关速度 1－5us 0.1-0.5us 0.5-1us 高压化 容易 难 容易 大电流化 容易 难 容易 高速化 难 极容易 极容易 短路SOA 宽 宽 窄 饱和电压 极低 高 低 并联需均流电并联难易 可简单并联 可简单并联 阻 39

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