Design of the Automatic Switching Device

for Grid-disconnected Photovoltaic Power Generation System

王子文1　徐維昌2　李明濱3　慕　松1　王燕昌4

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1，寧夏 銀川　750021；寧夏大學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2，寧夏 銀川　750021；

寧夏大學(xué)新能源研究中心3，寧夏 銀川　750021；寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院4，寧夏 銀川　750021)

離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)自動(dòng)切換裝置設(shè)計(jì)

Design of the Automatic Switching Device

for Grid-disconnected Photovoltaic Power Generation System

王子文1徐維昌2李明濱3慕松1王燕昌4

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1，寧夏 銀川750021；寧夏大學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2，寧夏 銀川750021；

寧夏大學(xué)新能源研究中心3，寧夏 銀川750021；寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院4，寧夏 銀川750021)

摘要：針對(duì)目前光伏發(fā)電效率較低，無(wú)法完全滿足人們對(duì)電力需求的現(xiàn)狀，提出了市電和光伏發(fā)電共同為居民供電的供電方式?？紤]到市電和光伏發(fā)電供電方式不盡相同，對(duì)光伏發(fā)電和市電原理進(jìn)行了系統(tǒng)學(xué)習(xí)，確定了市電和光伏發(fā)電供電方式間切換的可能性?？紤]到光伏發(fā)電受太陽(yáng)光照強(qiáng)度、時(shí)間等因素影響較大，提出了基于51單片機(jī)控制系統(tǒng)的離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和市電的自動(dòng)切換控制方式。按照本設(shè)計(jì)對(duì)寧夏大學(xué)新能源研究中心2 kW離網(wǎng)發(fā)電供電系統(tǒng)進(jìn)行改造，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的正確性及可行性。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電自動(dòng)切換繼電器單片機(jī)Protues模糊控制

Abstract：At present, the efficiency of photovoltaic (PV) power generation is low, it is impossible to meet people’s demand for power, thus the combined power supply mode with both utility power and PV power is proposed. Considering the power supply mode of utility power and PV power is not the same, the principle of PV power generation and utility power are studied systematically, to determine the possibility of switching between utility power supply mode and PV power supply mode. PV power generation is greatly affected by solar light intensity, time and other factors, thus the automatic switching control system based on 51 single chip machine for grid-disconnected PN power generation system and utility power is proposed. In accordance with this design, the 2 kW grid-disconnected power generation and supply system in the new energy research center of Ningxia University is retrofitted, the system is operating with good effects; the correctness and feasibility of the design are verified.

Keywords：Photovoltaic power generationAutomatic switchingRelaySingle chip machineProtuesFuzzy control

0引言

當(dāng)前，人類面臨著化石燃料消耗殆盡、環(huán)境污染嚴(yán)重等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重影響著人類的可持續(xù)發(fā)展。在此背景下，太陽(yáng)能作為一種新型可再生能源，以其潔凈無(wú)污染、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)受到了全世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。其中光伏發(fā)電是其主要發(fā)展方向[1]。由于太陽(yáng)光的不穩(wěn)定性以及時(shí)間等因素的限制，光伏發(fā)電具有一定程度的不穩(wěn)定性。

目前,光伏發(fā)電的太陽(yáng)利用效率較低，無(wú)法完全滿足人們對(duì)電力的需求[2]。因此，光伏發(fā)電需與市電相結(jié)合，共同為用戶提供用電，最大限度、最為高效地利用能源。由于光伏發(fā)電和市電的電源供應(yīng)方式并不相同，因此要求在不同的時(shí)段進(jìn)行光伏發(fā)電和市電電源供應(yīng)的切換，避免兩種供電方式相沖突，損壞器件。

在此背景下，本文設(shè)計(jì)了一種基于戶型獨(dú)立光伏發(fā)電與市網(wǎng)互補(bǔ)自動(dòng)無(wú)縫切換裝置。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為主控元件，電磁繼電器作為執(zhí)行元件，完成光伏發(fā)電和市電的無(wú)縫切換。

1自動(dòng)切換系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

目前光伏發(fā)電中，太陽(yáng)能利用效率較低，無(wú)法一直滿足用電設(shè)備對(duì)電力的需求。另外，由于光伏發(fā)電受天氣影響較大，在陰天下雨及夜間，光伏發(fā)電量較小，在此情況下如繼續(xù)向用電設(shè)備供電，將消耗光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)蓄電池的存儲(chǔ)電能。如遇到連續(xù)陰雨天氣，蓄電池極可能過(guò)放，將嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命，影響整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的長(zhǎng)期使用[3]。因此,設(shè)計(jì)要求：在光照條件較好的白天，利用光伏發(fā)電系統(tǒng)為用電器提供電力，夜間及光照條件較差的陰雨天氣使用市電。另外在市電斷電情況下，無(wú)論天氣情況如何，都應(yīng)立即啟用光伏發(fā)電系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)依托寧夏大學(xué)新能源研究中心2 kW小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，以下所有試驗(yàn)、數(shù)據(jù)均根據(jù)該試驗(yàn)系統(tǒng)所得。

2自動(dòng)切換系統(tǒng)配置

一般的電路切換由普通開(kāi)關(guān)繼電器開(kāi)關(guān)完成。在這種電路切換過(guò)程中，開(kāi)關(guān)由一種狀態(tài)變成另外一種狀態(tài)，中間有一時(shí)間間隙。該時(shí)間間隙若大于用電設(shè)備復(fù)位時(shí)間，則會(huì)造成用電設(shè)備熱斷電。這將嚴(yán)重?fù)p害用電設(shè)備的使用壽命,對(duì)于檢測(cè)性儀器，則會(huì)影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[4]。本設(shè)計(jì)旨在通過(guò)軟件和硬件相結(jié)合的方法，補(bǔ)償這一繼電器切換時(shí)間間隙，完成市電供電電路和太陽(yáng)能供電電路的無(wú)縫切換。寧夏大學(xué)新能源研究中心2 kW小型離網(wǎng)型電站光伏系統(tǒng)配置[5]如圖1所示。

圖1　光伏系統(tǒng)配置圖

系統(tǒng)光伏發(fā)電部分主要由20塊外形尺寸為1 172 mm×660 mm ×35 mm的太陽(yáng)能光伏板組成，每塊光伏板額定發(fā)電電壓為12 V。其中，每4塊太陽(yáng)能板串聯(lián)，然后5組太陽(yáng)能板并聯(lián)組成光伏陣列。蓄能裝置為16塊鉛酸蓄電池，其中每4塊串聯(lián)，然后4組電池并聯(lián)。相關(guān)元器件主要參數(shù)如表1所示。正常工作情況下，該發(fā)電系統(tǒng)工作過(guò)程為：光伏陣列為蓄電池組充電,當(dāng)外部交流用電設(shè)備開(kāi)啟，蓄電池作為電源，為逆變器提供直流電，直流電經(jīng)逆變器作用，逆變?yōu)橛秒娖魇褂玫?20 V交流電[6]。寧夏大學(xué)新能源研究中心2 kW小型光伏發(fā)電系統(tǒng)用電設(shè)備為臺(tái)式計(jì)算機(jī)、氣象站檢測(cè)設(shè)備等。

表1　主要系統(tǒng)配置參數(shù)

3自動(dòng)切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1　切換系統(tǒng)的外圍控制電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，考慮到硬件執(zhí)行速度較快、工作穩(wěn)定性較好、抗干擾能力較強(qiáng)等因素，我們選用繼電器(共3種：普通單刀雙擲繼電器、得電延時(shí)時(shí)間繼電器和失電延時(shí)時(shí)間繼電器)作為市電供電電路和太陽(yáng)能供電電路無(wú)縫切換的外圍執(zhí)行器件。設(shè)計(jì)外圍執(zhí)行電路接線圖如圖2所示[7]。

圖2　外圍控制電路接線圖

圖2中，K為單刀雙擲繼電器，KT1為得電延時(shí)時(shí)間繼電器；KT2為失電延時(shí)時(shí)間繼電器。太陽(yáng)能電源串聯(lián)K常閉觸點(diǎn)，且KT1的常閉觸點(diǎn)并聯(lián)單刀雙擲繼電器K常閉觸點(diǎn)兩端；市電串聯(lián)KT2的常開(kāi)觸點(diǎn)，且KT2常開(kāi)觸點(diǎn)并聯(lián)繼電器K常開(kāi)觸點(diǎn)兩端。

當(dāng)繼電器失電時(shí)，用電設(shè)備由太陽(yáng)能電源供電；繼電器得電時(shí)，用電設(shè)備由市電供電。當(dāng)繼電器由失電狀態(tài)變?yōu)榈秒姞顟B(tài)時(shí)，由于KT1具有得電延時(shí)功能，該延時(shí)過(guò)程便補(bǔ)償了K切換的時(shí)間間隔。當(dāng)繼電器由得電狀態(tài)變?yōu)槭щ姞顟B(tài)時(shí)，由于KT2具有失電延時(shí)功能，該延時(shí)過(guò)程同樣補(bǔ)償了K切換的時(shí)間間隔。由此理論實(shí)現(xiàn)了兩種電源的無(wú)縫切換。

一般情況下，光伏系統(tǒng)始終有電。若以光伏系統(tǒng)為繼電器線圈供電，當(dāng)市電斷電，達(dá)到市電供電條件時(shí)，由于線圈有電，線圈仍會(huì)動(dòng)作，此時(shí)用電設(shè)備便會(huì)斷電。為避免上述情況出現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中所有繼電器線圈均由市電供電。由于不同型號(hào)的繼電器動(dòng)作時(shí)間不同，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間。本設(shè)計(jì)中KT1、KT2延時(shí)時(shí)間分別設(shè)置為0.13 s、0.18 s。

3.2　模糊控制

模糊控制通過(guò)模糊邏輯和近似推理方法，把人的經(jīng)驗(yàn)形式化、模糊化，使之成為計(jì)算機(jī)可以接受的控制模型，由計(jì)算機(jī)代替人來(lái)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)控制。模糊控制是基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的控制，與系統(tǒng)的模型無(wú)關(guān)，有很好的魯棒性和控制規(guī)則靈活性，控制規(guī)則符合人的思維規(guī)律[8]。

光伏發(fā)電受輻照度、環(huán)境溫度、風(fēng)速等多元?dú)庀笠蛩氐挠绊戄^大，其出力具有明顯的間歇性和隨機(jī)波動(dòng)性，直接影響發(fā)電過(guò)程中光伏板兩極間電壓。另外，時(shí)間因素也直接影響著天氣因素。例如，夜間無(wú)光照，且環(huán)境溫度較低，這段時(shí)間內(nèi)光伏板出力為0，不需要進(jìn)行頻繁的電壓檢測(cè)。

根據(jù)以上兩點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中模糊控制電源切換系統(tǒng)選用兩輸入單輸出模糊控制器，以光伏板兩極間電壓和時(shí)間作為輸入，繼電器動(dòng)作信號(hào)為輸出。通過(guò)隸屬函數(shù)實(shí)現(xiàn)繼電器動(dòng)作信號(hào)的模糊化，從而實(shí)現(xiàn)繼電器的穩(wěn)定、準(zhǔn)確動(dòng)作。軟件控制流程圖如圖3所示[9]。

圖3　控制流程圖

本設(shè)計(jì)選用AT89C52為主控芯片，以PCF8591AD/DA轉(zhuǎn)換芯片采集光伏板兩極間電壓，采用DS1607時(shí)鐘芯片確定單片機(jī)工作時(shí)間段。單個(gè)光伏板兩極間電壓曲線如圖4所示。

圖4　單個(gè)光伏板兩極間電壓曲線

由圖4可知，一組(4塊)太陽(yáng)能電池板冬季正常天氣情況下，日間最大電壓達(dá)到80 V左右，平均每塊光伏板兩極間電壓為20 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PCF8591允許電壓信號(hào)(5 V)。為避免數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片損壞，需在數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片采集電壓信號(hào)前對(duì)所采集電壓進(jìn)行降壓處理——串聯(lián)1個(gè)20 kΩ可變電阻，取滑動(dòng)部分壓降，滑動(dòng)部分電阻設(shè)為50 Ω[10]。此外，由圖4可知，光伏發(fā)電過(guò)程中出力情況隨機(jī)性較大，較不穩(wěn)定，容易對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片造成沖擊，且外部干擾信號(hào)也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集造成較大影響。為此，需在A/D轉(zhuǎn)換芯片信號(hào)輸入輸出間并聯(lián)1個(gè)30 pF的穩(wěn)壓電容，以穩(wěn)定電壓。

由于數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片本身原因，當(dāng)輸入穩(wěn)定電壓信號(hào)時(shí)，其模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出值仍存在較大隨機(jī)性。如果僅通過(guò)少次的數(shù)據(jù)采集，其輸出結(jié)果仍存在較大的誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)誤動(dòng)作。為此，本設(shè)計(jì)檢測(cè)過(guò)程采用多次測(cè)量、取平均值法作為最終檢測(cè)依據(jù)。軟件編程中，以6 s為一個(gè)掃描周期，每分鐘采集一次數(shù)據(jù)，然后對(duì)100組數(shù)據(jù)求解平均值，以平均值作為判斷依據(jù)。例如，若平均值大于3 V，說(shuō)明單塊電池板10 min內(nèi)平均電壓大于12 V，此時(shí)滿足太陽(yáng)能供電條件；若平均電壓小于3 V，則不滿足太陽(yáng)能供電條件。通過(guò)試驗(yàn)，在添加濾波電容和以采集電壓平均值作為檢測(cè)依據(jù)后，相對(duì)于無(wú)穩(wěn)壓電容、單次電壓采集判斷，此方法對(duì)數(shù)據(jù)的判斷更為準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。

考慮到夜間不需采集電壓信息，我們?cè)O(shè)定夜間單片機(jī)處于休眠狀態(tài)，不執(zhí)行程序掃描和繼電器動(dòng)作。本設(shè)計(jì)中，增設(shè)DS1607時(shí)鐘芯片，用于提供時(shí)間信息。經(jīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得，設(shè)定早上7點(diǎn)至下午18點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)單片機(jī)正常工作，其他時(shí)間單片機(jī)處于休眠狀態(tài)。

時(shí)鐘程序的加入，保證了本設(shè)計(jì)裝置在天亮和天黑等臨界狀態(tài)下的正常穩(wěn)定工作，較好地避免了臨界條件下控制系統(tǒng)頻繁動(dòng)作對(duì)各元器件的損害，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命，節(jié)約了電力資源。

3.3　Proteus模擬仿真

根據(jù)控制流程圖以及外圍控制電路，在Proteus中選取相應(yīng)元器件或可替代元器件,Proteus仿真原理如圖5所示[11]。

圖5中，太陽(yáng)能和市電均由5 V電源替代，以LED晶體管作為負(fù)載。為保證晶體管正常工作，在電源線路中串聯(lián)1個(gè)230 Ω的電阻。觀察各元器件是否按設(shè)定程序動(dòng)作，以及LED是否正常、穩(wěn)定工作。經(jīng)調(diào)試，在仿真過(guò)程中，向單片機(jī)加載程序后，各元器件均按程序設(shè)定情況執(zhí)行動(dòng)作,說(shuō)明設(shè)計(jì)思路、外圍控制電路、程序設(shè)計(jì)均正確，切實(shí)可行。

圖5　Proteus仿真原理圖

當(dāng)實(shí)物制作完成，運(yùn)用到市電和太陽(yáng)能電源切換過(guò)程中后，系統(tǒng)運(yùn)行仍不太穩(wěn)定。經(jīng)分析，由于所有元器件均置于同一配電柜內(nèi)，繼電器K、KT1、KT2等強(qiáng)干擾源對(duì)單片機(jī)的正常工作造成極大影響。為保證系統(tǒng)正常工作，我們將弱電部分和強(qiáng)電部分隔離開(kāi)，并且中間添加一光耦隔離繼電器。調(diào)整后系統(tǒng)穩(wěn)定性得到極大提高。使用過(guò)程中，計(jì)算機(jī)、氣象檢測(cè)設(shè)備等用電設(shè)備工作正常，均未出現(xiàn)斷電、重啟等現(xiàn)象。系統(tǒng)自安裝至今，運(yùn)行可靠、安全,動(dòng)作敏捷，適合推廣。

4結(jié)束語(yǔ)

將離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)自動(dòng)切換裝置應(yīng)用到離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，不僅可以充分發(fā)揮太陽(yáng)能和市電在不同時(shí)段的優(yōu)勢(shì)，并且對(duì)蓄電池具有一定保護(hù)作用，降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的后期維護(hù)成本。系統(tǒng)對(duì)進(jìn)一步推廣太陽(yáng)能光伏發(fā)電有著積極的作用和重大的意義，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

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中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502019

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：11262018)。

修改稿收到日期：2014-03-12。

第一作者王子文(1991-)，男，現(xiàn)為寧夏大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事太陽(yáng)能利用方面的研究。