光伏发电与公用电网互补自动切换系统的研究与设计

李雅丽，薛同莲

（南通大学杏林学院 理学院，江苏 南通226007）

0 引 言

世界性的能源紧缺和全球性的环境及气候变化问题，使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括太阳能、风能、生物质能、水能、地热能、海洋能等，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势必将成为21世纪最有希望大规模应用的清洁能源之一。太阳能光伏发电不消耗煤炭、石油等不可再生资源，也不排放任何污染，推广和使用太阳能光伏电源，对于节能减排、改善生态环境意义重大。太阳能发电是一种间歇性的电源，受到日出和日落、晴天和阴天等环境因素影响，在阴天和雨天因其发电不足，导致不能连续供电，直接影响用户的生产和生活。为了弥补太阳能发电受环境影响的不足，克服其发电的间歇性，本论文设计了一种基于户型光伏发电与公用电网互补自动切换系统，使太阳能光伏发电成为公用电网的有效组成部分。本系统由信号比较和开关控制两部分电路组成。信号比较电路用于检测蓄电池最低工作电压，当检测到蓄电池的输出电压低于最低工作电压，系统就自动切换到公用电网，由公用电网供电；当检测到蓄电池的输出电压高于或等于最低工作电压时，系统就自动切换到太阳能发电系统，由太阳能发电供电。

1 太阳能光伏发电系统

1.1 太阳能光伏发电系统的组成

光伏发电系统是由太阳能电池方阵﹑蓄电池组﹑充放电控制器﹑太阳跟踪控制系统等设备组成。太阳能电池方阵的作用是吸收光能，使电池两端出现异号电荷的积累，产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势。蓄电池组是用于贮存太阳能电池方阵产生的电能并可随时向负载供电。太阳能电池序列将太阳能转换为直流电能，给蓄电池组充电，由蓄电池组给直流负载供电，而能量变换器将光伏发电获得的直流电能转换成恒压恒频交流电能，供交流负载用电，是太阳能利用的关键技术。

1.2 光伏发电系统分类

光伏发电按照与电力系统的关系可分类为：独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。独立光伏供电系统中光伏阵列产生的电能仅供系统内的负荷所用，不与外界供电网络相连。并网光伏发电系统是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络，并网系统中光伏方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。随着光伏发电技术的发展，独立光伏发电系统已经广泛应用到人们的日常生活当中。

1.3 光伏发电系统中的储能设备

太阳能发电是一种间歇性的电源，每天24 h，一年365 d，不能全时满足负荷需求，因此储能设备是光伏发电系统中的一个必备而且关键的设备。在独立的设备光伏发电系统中，蓄电池一边储存太阳能电池板产生的电能，同时又向负载电器提供电能，故蓄电池处于一边充电一边放电的动态工作状态。虽然铅酸蓄电池的能量密度低，但是它的技术成熟程度和性价比是最高的，因此目前独立太阳能发电系统的储能单元主要采用阀控式密封铅酸蓄电池组。光伏发电是绿色能源，但是铅酸蓄电池对环境存在污染隐患，所以铅酸电池的使用寿命显得至关重要。除环境因素外，影响铅蓄电池寿命的还有蓄电池是否合理充放电，以及放电深度等直接因素。我国“光明工程”项目中的家用系统使用的电池只进行20%～30%的放电，蓄电池放电深度达到其满容量的20%～30%时，就应及时充电或者停止放电，否则会影响蓄电池的寿命。

据此测算，100 Ah／12 V的蓄电池，当放电深度达到20%时，其终止电压为10.8 V，100 Ah／6 V的蓄电池终止电压为5.4 V［2］。电池放电电压下降至终止电压时，表明蓄电池极板硫酸盐化，不能继续放电，否则会影响电池的寿命。

2 自动切换系统的设计

2.1 自动切换系统的电路设计

本文设计的基于户型光伏发电与公用电网互补自动切换系统电路，由信号比较电路和开关控制电路组成，如图1所示。比较电路是由U1A和U2B两个运算放大器组成，开关控制电路是由两个三极管Q1和Q2，两个二极管D1和D2，两个继电器K1和K2组成。

2.2 自动切换电路的工作原理

将蓄电池的终止电压设置为10.8 V，当蓄电池输出电压大于10.8 V时，U1 A的同相输入端（3号引脚）电压大于反相输入端（2号引脚）电压，输出端（1号引脚）输出为高电平，三极管Q1导通，继电器K1有电流通过，并开始工作，继电器吸合。U2B的同相输入端（5号引脚）电压小于反相输入端（6号引脚）电压，输出端（7号引脚）输出为低电平，三极管Q2不导通，继电器K2没有电流通过，处于原始状态，因此，光伏发电系统为家用电器供电；当蓄电池输出电压低于10.8 V时，U1A的同相输入端（3号引脚）电压小于反相输入端（2号引脚）电压，输出端（1号引脚）输出为低电平，三极管Q1不导通，继电器K1没有电流通过，处于原始状态。U2B的同相输入端（5号引脚）电压大于反相输入端（6号引脚）电压，输出端（7号引脚）输出为高电平，三极管Q2导通，继电器K2有电流通过，并开始工作，继电器吸合，因此，公用电网为家用电器供电。

图1 自动切换电路

3 电路的仿真

用Multisi m8仿真软件，对电路进行仿真。打开Multisi m8，按照图1所示选择元器件并连接电路。为了清晰地看到仿真结果，用一个正弦波信号发生器来代替市电作为输入，用另一个方波信号发生器来代替逆变作为输入，同时，在负载端接一示波器，这样就能清晰地判断出是哪个输入端为电路输入信号。

当蓄电池为系统供电时，显示器显示方波，如图2所示。当太阳能发电不足，蓄电池输出电压低于10.8 V时，自动切换电路切换到市电为负载供电，显示器显示正弦波，即如图3所示。

图2 显示电压波形一

图3 显示电压波形二

4 结束语

基于户型光伏发电与公用电网互补自动切换系统用于太阳能光伏发电系统，对蓄电池可以起到保护作用，延长蓄电池的使用寿命，降低光伏发电系统的成本和对环境二次污染的隐患；解决了太阳能光伏发电的间歇性问题，保证了生产生活用电的持续性问题，对推广太阳能光伏发电有着积极的作用。

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