武世敏 徐維昌 李明濱 王燕昌

(寧夏大學機械工程學院1,寧夏 銀川 750021;寧夏大學數(shù)學計算機學院2,寧夏 銀川 750021;寧夏大學新能源研究中心3,寧夏 銀川 750021;寧夏大學物理電氣信息學院4,寧夏 銀川 750021)

用戶型光伏發(fā)電與市電互補自動切換系統(tǒng)設計

武世敏1徐維昌2李明濱3王燕昌4

(寧夏大學機械工程學院1,寧夏 銀川 750021;寧夏大學數(shù)學計算機學院2,寧夏 銀川 750021;寧夏大學新能源研究中心3,寧夏 銀川 750021;寧夏大學物理電氣信息學院4,寧夏 銀川 750021)

太陽能光伏發(fā)電被認為是當今世界極具發(fā)展前景的新能源技術之一。對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)而言,需要鉛酸蓄電池為負載提供電能。為了保護蓄電池同時又保證負載正常、安全、可靠地運行,對用戶型光伏發(fā)電與市網(wǎng)無縫互補自動切換裝置進行了設計。該系統(tǒng)裝置由電壓信號檢測、電壓信號比較和外圍控制電路3部分組成。系統(tǒng)通過比較被檢測的電池板兩端電壓和最低工作電壓(可設定)的大小關系,實現(xiàn)市電和光伏發(fā)電系統(tǒng)無縫互補和自動切換。系統(tǒng)結構簡單、成本低廉,具有廣泛的應用價值。

自動切換系統(tǒng) 光伏發(fā)電 市電 單片機 無縫互補 蓄電池

Storage battery

0 引言

隨著人類可持續(xù)發(fā)展的要求和化石燃料的日趨枯竭,太陽能作為一種可再生能源,因其潔凈無污染、資源豐富等優(yōu)點受到了全世界各國的廣泛關注。其中,太陽能光伏發(fā)電更是對太陽能資源進行有效利用的一種重要方式。由于光伏發(fā)電具有不穩(wěn)定性,即獲得的能源同四季、晝夜及陰晴下雨等氣象條件有很大的依賴關系[1-3]。在連續(xù)的陰天或雨天發(fā)電量不足時,會影響負載工作甚至導致過放而虧損蓄電池。為了保護蓄電池同時又保證負載正常安全可靠的運行,本文設計了一種基于戶型獨立光伏發(fā)電與市網(wǎng)互補自動無縫切換裝置。該系統(tǒng)裝置由電壓信號檢測、電壓信號比較和外圍控制電路3部分組成。系統(tǒng)通過比較被檢測電池板兩端電壓和最低工作電壓,實現(xiàn)市電和光伏發(fā)電無縫互補和自動切換。即當檢測到光伏板兩端輸出的電壓連續(xù)兩次高于設定值時,系統(tǒng)通過單片機控制自動切換到光伏發(fā)電系統(tǒng)。反之,當檢測到光伏板兩端連續(xù)兩次輸出電壓低于設定電壓時,系統(tǒng)通過單片機控制自動切換到市網(wǎng)。該系統(tǒng)結構簡單、成本低廉,具有廣泛的應用價值,能夠充分、安全、可靠地利用資源。

1 自動切換系統(tǒng)設計原則

理論上,采用太陽能光伏發(fā)電與市電互補自動切換的光伏系統(tǒng),可靠性、持續(xù)性都得到大大的提高。它克服了由于太陽光照不足造成的負載不能正常工作的問題[4],同時保證了短時間內市電緊急停電的情況下負載設備安全、可靠、無間斷地正常運行。太陽能光伏發(fā)電和市電互補的供電系統(tǒng),本應該優(yōu)先使用太陽能光伏發(fā)電,當蓄電池即將過放時切換市電。但是有一種極端情況,即在連續(xù)的陰雨天氣后,蓄電池接近過放狀態(tài),同時由于連續(xù)的陰雨造成市電設施短時間搶修而停電,后續(xù)的負載是不可間斷的氣象監(jiān)測設備。因此,選擇優(yōu)先使用市電。該設計針對寧夏大學新能源研究中心2 kW小型屋頂電站系統(tǒng),負載設備為氣象監(jiān)測站和太陽能熱水聯(lián)檢設備等?？紤]到以上情況,該設計選擇在正常光照時切換至太陽能光伏發(fā)電,自發(fā)自用,多余的電能存儲到蓄電池。當連續(xù)長時間輻照度不足時,切換至市電,保存蓄電池的電量,以備緊急情況下氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)中斷。

2 自動切換系統(tǒng)配置

光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成主要包括光伏陣列、蓄電池、控制器、逆變器和外圍自動跟蹤裝置等。光伏陣列是系統(tǒng)的產(chǎn)能環(huán)節(jié),主要作用是通過“光生伏特效應”將太陽能轉化為直流電能。蓄電池組作為系統(tǒng)的儲能環(huán)節(jié),用于貯存光伏陣列產(chǎn)生的電能并可隨時向負載供電。控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分,其作用是在保證光伏陣列安全工作的前提下,使光伏陣列的工作效率最高,同時為蓄電池選取最佳的工作方式,避免過充和過放電情況的發(fā)生,盡可能延長其使用壽命。由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)直接產(chǎn)生的是直流電,而大多用戶電器設備都是交流負載,因此必須要使用逆變器,將光伏陣列或蓄電池輸出的直流電轉變?yōu)榻涣麟?。外圍自動跟蹤裝置通過調整時角或方位角來提高發(fā)電效率。各個環(huán)節(jié)都是有效利用太陽能的關鍵技術[5]。光伏系統(tǒng)配置示意圖如圖1所示。

圖1 光伏系統(tǒng)配置示意圖Fig.1 Schematic diagram of PV system configuration

太陽能光伏陣列由20塊太陽能光伏板組成,單塊外形尺寸為1 172 mm×660 mm×35 mm。每4塊太陽能光伏板串聯(lián)后再并聯(lián),組成整個光伏陣列。電池組件方陣安裝在樓頂,采用優(yōu)質型鋼支架固定。鉛酸蓄電池共16塊,每4塊先串聯(lián)后再并聯(lián)。系統(tǒng)采用的鉛酸蓄電池具有內阻低、自放電小、使用溫度范圍寬等優(yōu)點,可在-30～45℃范圍內長時間使用[6-7]?？刂破鬟x用型號為JC4850脈寬調制控制器。系統(tǒng)產(chǎn)生的電能主要提供樓頂氣象檢測設備、熱水器聯(lián)檢設備以及電腦和照明用電等。系統(tǒng)主要設備參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要設備參數(shù)Tab.1 Parameters of main equipment in the system

3 自動切換系統(tǒng)的設計

3.1 外圍控制電路設計

切換系統(tǒng)的外圍控制電路主要由1個普通繼電器KM1、2個時間繼電器KT1和KT2、2個電源指示燈(指示燈L1指示為市電供電,顏色為紅色;指示燈L2指示為太陽能供電,顏色為綠色)、2個低壓斷路器(QF1額定電流20 A,QF2額定電流20 A)、5個二極管(D1～D5)和1個單片機控制的繼電器觸頭K1組成。外圍控制電路如圖2所示。

圖2 外圍控制電路Fig.2 Peripheral control circuit

3.2 切換系統(tǒng)工作原理

本設計采用AT89C52為主控芯片,外部采用ADC0832作為電壓采集芯片。但是被測外部電壓信號范圍為0～22 V,采樣芯片無法直接對其進行采樣。因此,首先要將信號通過電阻分壓處理,把待測電壓分為原來的1/10,待測電壓變換成幅值等于ADC0832芯片允許范圍0～5 V內的信號,從而符合ADC芯片的輸入要求[8-9]。電壓采樣完成,經(jīng)單片機處理后,采樣電壓乘以10則恢復至以前的待測電壓。將恢復的檢測電壓值通過AT89C52主控芯片和設定值進行比較并判斷。如果在10 min內檢測電壓連續(xù)兩次高于設定值18.0 V,則表明連續(xù)10 min以上有太陽光照射。此時通過控制特定的I/O口,電位變成低電平,導通PNP三極管,使繼電器線圈導通。繼電器工作端切換到常開端,此時K1閉合,外圍電路中的繼電器KM1、KT1、KT2的線圈得電,KM1常閉觸頭斷開、常開觸頭閉合。由于繼電器在斷開、閉合時具有時間差,為防止監(jiān)測設備重啟,采用二極管D1、D2提供毫秒級的瞬時電壓,待太陽能逆變電供上后,時間繼電器KT1斷開,此時綠色指示燈L2亮,表明已切換至太陽能光伏為負載供電。

反之,如果檢測電壓連續(xù)兩次都低于設定值,則表明連續(xù)10 min以上電池板被遮擋。此時通過控制特定的I/O口,電位變成高電平,切斷PNP三極管,使繼電器線圈斷電,繼電器工作端切換到常閉端。圖2中K1斷開,外圍電路中的繼電器KM1、KT1、KT2的線圈都失電, KM1常閉觸頭閉合、常開觸頭斷開。同理,采用二極管D3、D4提供毫秒級的瞬時電壓,等市電供上之后,時間繼電器KT2斷開,此時紅色指示燈L1亮,表明已切換至市電為負載供電。其他情況則保持原有狀態(tài)繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)控制流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖Fig.3 Control flowchart of the system

3.3 Proteus模擬仿真

根據(jù)控制流程圖,將所用的芯片、三極管、繼電器、信號指示燈等按照要求合理連接,并在Proteus界面[10]繪制模擬電路圖。通過設置改變接電池板+級的電壓值,觀察兩個紅綠不同顏色指示燈的顯示情況,判斷該設計的可行性。

當把接電池板正極的一端電壓設定值低于18.0 V,延時10 min后,所繪制的模擬電路圖中紅燈亮,說明接入的是市電。當把接電池板正極電壓設定高于18.0 V,延時10 min后,同一模擬電路圖中綠燈亮,說明系統(tǒng)已切換到太陽能光伏發(fā)電逆變端供電。

4 試驗效果

將設計的系統(tǒng)接入樓頂設備,正常光照的晴天,綠指示燈一直顯示為亮,用數(shù)字式萬用表測得輸出的電壓為220 V。人為地將電池板遮擋10 min后,綠指示燈滅而紅指示燈亮,表明系統(tǒng)切換至市電,用數(shù)字式萬用表測得輸出端電壓在236～240 V范圍波動。

多次操作結果表明,系統(tǒng)能準確地自動切換,而樓頂負載設備一直正常運行,沒有出現(xiàn)重啟現(xiàn)象。系統(tǒng)自安裝至今,運行可靠、安全,動作敏捷,具有一定的推廣應用價值。

5 結束語

基于單片機的光伏發(fā)電與公用電網(wǎng)互補自動切換系統(tǒng)用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),不僅對蓄電池可以起到保護作用,而且延長了蓄電池的使用壽命,降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的后續(xù)維護成本。同時,解決了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對負載供電的間歇性和不穩(wěn)定性等不足,保證了樓頂監(jiān)測設備用電地持續(xù)性,對進一步開發(fā)、推廣太陽能光伏發(fā)電有著積極的作用和重大的意義。

[1] 李雅麗,薛同蓮.光伏發(fā)電與公用電網(wǎng)互補自動切換系統(tǒng)的研究與設計[J].通信電源技術,2012,29(1):12-16.

[2] 項新建,胡劍挺.雙電源自動切換系統(tǒng)的設計[J].浙江科技學院學報,2007,19(4):277-280.

[3] 王愛國,趙鵬,楊東林.基于太陽能的雙電源供電與自動切換系統(tǒng)[J].河北大學學報,2013,33(1):96-101.

[4] 袁世建,胥平,尚海濤.市電自動切換在獨立光伏系統(tǒng)中的應用[J].陽光技術,2009(5):54-55.

[5] 陳楊波,鄭和.離網(wǎng)光伏系統(tǒng)中市電切換的應用[J].機電信息, 2009(24):102-103.

[6] 韓旭同,王中訓.高效太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設計[J].自動化儀表, 2013,13(2):52-55.

[7] 張青春.太陽能光伏轉換智能控制器的設計[J].儀表技術, 2011(4):1-6.

[8] 吳丹,趙東魁,于新.AT89C2051單片機在模擬電壓檢測中的應用[J].黑龍江電子技術,1999(7):40-42.

[9] 周雷,呂廣才,譚偉東.一種基于單片機的太陽能電池發(fā)電量監(jiān)控系統(tǒng)[J].黑龍江科技信息,2009(36):38.

[10] 周靈彬,張靖武.PROTEUS的單片機教學與應用仿真[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2008(1):76-79.

Design of the Automatic Complementary Switching System for User Type Photovoltaic Power Generation and Utility Power Grid

Nowadays,solar photovoltaic power generation is considered as one of the new energy technologies having very promising prospects in the world.For stand-alone photovoltaic power generation system,lead-acid storage batteries are needed for supplying electric energy to the load.To protect batteries while ensuring load running normally,safely and reliably,the seamless complementary automatic switching device for user type photovoltaic power generation and utility power grid is designed.The systematic device is composed of three parts,i.e.,voltage signal detection,voltage signal comparison,and peripheral control circuit.Through comparing the magnitude relationship of the detected voltage on both ends of the panels and the minimum operating voltage(settable),seamless complementary and automatic switching for utility power grid and photovoltaic power generation system can be implemented by the system.The system features simple structure,low cost,and possesses wide application value.

Automatic switching system Photovoltaic power generation Utility power Single chip machine Seamless complementary

TM761

A

寧夏科技攻關基金資助項目(編號:ykx-11-296)。

修改稿收到日期:2014-01-14。

武世敏(1990-),男,現(xiàn)為寧夏大學機械工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事新能源的研究。

[10]喬川,李斯陽.1.5 MW雙饋風力發(fā)電機組偏航控制系統(tǒng)[J].控制工程,2011,18(S1):153-156.