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5．电力电子与控制 太阳电池是一种典型的非线性半导体有源器件，其输出特性是一组以太阳光照度为参变数的具有下垂特性的曲线族。为了充分利用太阳电池的输出能量，就必须控制太阳电池的工作点，尽可能提高太阳电池的光电转换效率; 此外，还必须根据用电对象的需要，采用高效的电力电子装置，对太阳电池输出的能量形式进行转换。 光伏（PV）系统中涉及的电力电子与控制技术包括以下内容：DC-DC及DC-AC变换技术、计算机控制及远程监控技术、太阳电池最大功率点跟踪技术。 其中，DC-DC变换技术主要用于蓄电池的充放电控制；DC-AC变换技术，即：逆变器技术，用于离网型的交流独立电站和并网型的发电系统；计算机控制及远程监控技术、太阳电池最大功率点跟踪技术是结合计算机、自动控制原理、自动检测、远程通讯及电子技术等学科为一体的高新技术。通过应用这些技术所制作的能量转换及控制设备，把光伏组件、蓄能装置、负载、或电网等联结起来构成一个光伏电站系统，为负载提供电力。本章重点介绍太阳能充放电控制器、逆变器、光伏系统中广泛采用的最大功率跟踪（MPPT）技术，最后简要介绍光伏系统中常用的遥控遥测技术。 5.1. 充放电控制器 充放电控制器是离网型光伏发电系统中最基本的控制电路，也是必不可少的电路，任何一个离网型光伏发电系统，不论系统大小，如：小到一个太阳能手电筒、草坪灯，大到一个几千瓦甚至几百千瓦的太阳能光伏电站系统，都要用到充放电控制器。当然，大系统（如：太阳能电站）用的控制器与小系统（如：太阳能手电筒）用的控制器,其控制电路的硬件或软件复杂程度是不一样的，但其基本原理是一样的。某些时候你看到的光伏发电系统，可能没有控制器而只有逆变器，实际上这是将控制器与逆变器合二为一的一种做法。本节重点就独立型光伏系统和混合型光伏系统中用到的控制器进行论述，并网系统中用到的控制器将结合5.2 节中并网逆变器的技术进行论述。控制器中涉及到的最大功率跟踪（MPPT）技术放到5.3 节详细论述。 5.1.1. 控制器的基本原理 如图5-1示的电路是一个最基本的充放电控制器原理图。 在该电路原理图中，由光伏组件、蓄电池、控制器电路和负载组成了一个基本的光伏应用系统。这里的开关K1、K2分别为充电开关和放电开关，它们均属于控制器电路的一部分，K1、K2的开合由控制电路根据系统充放电状态来决定：当蓄电池充满时断开充电开关K1，否则闭合；当蓄电池过放时断开放电开关K2，否则闭合。开关K1、K2是广义上的开关，它包括各种开关元件，如：各种电子开关、机械式开关等。电子开关如：小功率三极管、达林顿管、功率场效应管（MOSFET）、固态继电器、晶闸管（IGBT、GTO）等；机械式开关如：继电器、交直流接触器等，根据不同的系统要求选用不同的开关元件或电器[1]。 在图5-1中涉及的控制电路指的是一个广义的控制电路，是控制器电路的核心。它可以是各种形式的电路来担当这个角色。如：应用在太阳能草坪灯上的控制电路就是用几支三极管、电阻、电容、电感构成的电压比较升压充放电电路、光控电路；应用在太阳能路灯或移动电源上的控制电路就是用集成运放构成的电压滞回比较器电路来充当控制核心，或者是采用单片机（MCU）作为控制电路的核心，来对开关K1、K2进行逻辑控制；更大的系统，象各种太阳能光伏电站（如：独立型、并网型、混合型），其充放电控制器的核心就采用单片机（MCU）或者数字信号处理（DSP）芯片，甚至是工业控制计算机等，除了基本的充放电控制功能外，还具有友好的人机显示界面、遥控遥测功能、以及复杂的控制算法等等。 上面提到的控制核心电路中，有采用单片机(MCU)的,还有DSP甚至工业控制计算机的，不仅涉及到复杂的硬件而且还涉及到与硬件相适应的软件技术和控制算法。这不仅要求硬件设计要从电路设计到器件选择必须做到最优、可靠和抗干扰能力强，而且控制算法与软件设计也必须是严密简洁的，有较强的抗干扰能力和容错自恢复能力，这些要求对光伏电站的可靠运行至关重要，否则使用中将会产生难以预料的后果。另外，在实际的光伏应用系统中，小系统和消费类电子产品中由集成运放和分列元件构成的控制电路比较多，中小系统采用集成运放构成的电压比较器电路和单片机的控制器电路比较多，大系统（如：各种光伏电站）中DSP的优势比较明显，DSP的处理能力强、速度快，在MPPT中更具优势[2] [3]。 以上图5-1仅仅是控制器电路的基本原理图，实际的应用系统远远不只这些，实际系统中控制器还有很多附加电路（如：电流电压采样电路、温度测量电路等），并且还涉及很多控制策略、算法（如：系统优化、可靠性、MPPT、如何提高蓄电池的充放电性能等多方面）。但不论系统大小、多么复杂，其基本原理是一样的，即：直接耦合控制方式和MP