用户型光伏发电与市电互补自动切换系统设计

武世敏 徐维昌 李明滨 王燕昌

(宁夏大学机械工程学院1,宁夏 银川 750021;宁夏大学数学计算机学院2,宁夏 银川 750021;宁夏大学新能源研究中心3,宁夏 银川 750021;宁夏大学物理电气信息学院4,宁夏 银川 750021)

用户型光伏发电与市电互补自动切换系统设计

武世敏1徐维昌2李明滨3王燕昌4

(宁夏大学机械工程学院1,宁夏 银川 750021;宁夏大学数学计算机学院2,宁夏 银川 750021;宁夏大学新能源研究中心3,宁夏 银川 750021;宁夏大学物理电气信息学院4,宁夏 银川 750021)

太阳能光伏发电被认为是当今世界极具发展前景的新能源技术之一。对独立光伏发电系统而言,需要铅酸蓄电池为负载提供电能。为了保护蓄电池同时又保证负载正常、安全、可靠地运行,对用户型光伏发电与市网无缝互补自动切换装置进行了设计。该系统装置由电压信号检测、电压信号比较和外围控制电路3部分组成。系统通过比较被检测的电池板两端电压和最低工作电压(可设定)的大小关系,实现市电和光伏发电系统无缝互补和自动切换。系统结构简单、成本低廉,具有广泛的应用价值。

自动切换系统 光伏发电 市电 单片机 无缝互补 蓄电池

Storage battery

0 引言

随着人类可持续发展的要求和化石燃料的日趋枯竭,太阳能作为一种可再生能源,因其洁净无污染、资源丰富等优点受到了全世界各国的广泛关注。其中,太阳能光伏发电更是对太阳能资源进行有效利用的一种重要方式。由于光伏发电具有不稳定性,即获得的能源同四季、昼夜及阴晴下雨等气象条件有很大的依赖关系[1-3]。在连续的阴天或雨天发电量不足时,会影响负载工作甚至导致过放而亏损蓄电池。为了保护蓄电池同时又保证负载正常安全可靠的运行,本文设计了一种基于户型独立光伏发电与市网互补自动无缝切换装置。该系统装置由电压信号检测、电压信号比较和外围控制电路3部分组成。系统通过比较被检测电池板两端电压和最低工作电压,实现市电和光伏发电无缝互补和自动切换。即当检测到光伏板两端输出的电压连续两次高于设定值时,系统通过单片机控制自动切换到光伏发电系统。反之,当检测到光伏板两端连续两次输出电压低于设定电压时,系统通过单片机控制自动切换到市网。该系统结构简单、成本低廉,具有广泛的应用价值,能够充分、安全、可靠地利用资源。

1 自动切换系统设计原则

理论上,采用太阳能光伏发电与市电互补自动切换的光伏系统,可靠性、持续性都得到大大的提高。它克服了由于太阳光照不足造成的负载不能正常工作的问题[4],同时保证了短时间内市电紧急停电的情况下负载设备安全、可靠、无间断地正常运行。太阳能光伏发电和市电互补的供电系统,本应该优先使用太阳能光伏发电,当蓄电池即将过放时切换市电。但是有一种极端情况,即在连续的阴雨天气后,蓄电池接近过放状态,同时由于连续的阴雨造成市电设施短时间抢修而停电,后续的负载是不可间断的气象监测设备。因此,选择优先使用市电。该设计针对宁夏大学新能源研究中心2 kW小型屋顶电站系统,负载设备为气象监测站和太阳能热水联检设备等。考虑到以上情况,该设计选择在正常光照时切换至太阳能光伏发电,自发自用,多余的电能存储到蓄电池。当连续长时间辐照度不足时,切换至市电,保存蓄电池的电量,以备紧急情况下气象监测数据中断。

2 自动切换系统配置

光伏发电系统的组成主要包括光伏阵列、蓄电池、控制器、逆变器和外围自动跟踪装置等。光伏阵列是系统的产能环节,主要作用是通过“光生伏特效应”将太阳能转化为直流电能。蓄电池组作为系统的储能环节,用于贮存光伏阵列产生的电能并可随时向负载供电。控制器是光伏发电系统的重要组成部分,其作用是在保证光伏阵列安全工作的前提下,使光伏阵列的工作效率最高,同时为蓄电池选取最佳的工作方式,避免过充和过放电情况的发生,尽可能延长其使用寿命。由于太阳能光伏发电系统直接产生的是直流电,而大多用户电器设备都是交流负载,因此必须要使用逆变器,将光伏阵列或蓄电池输出的直流电转变为交流电。外围自动跟踪装置通过调整时角或方位角来提高发电效率。各个环节都是有效利用太阳能的关键技术[5]。光伏系统配置示意图如图1所示。

图1 光伏系统配置示意图Fig.1 Schematic diagram of PV system configuration

太阳能光伏阵列由20块太阳能光伏板组成,单块外形尺寸为1 172 mm×660 mm×35 mm。每4块太阳能光伏板串联后再并联,组成整个光伏阵列。电池组件方阵安装在楼顶,采用优质型钢支架固定。铅酸蓄电池共16块,每4块先串联后再并联。系统采用的铅酸蓄电池具有内阻低、自放电小、使用温度范围宽等优点,可在-30～45℃范围内长时间使用[6-7]。控制器选用型号为JC4850脉宽调制控制器。系统产生的电能主要提供楼顶气象检测设备、热水器联检设备以及电脑和照明用电等。系统主要设备参数如表1所示。

表1 系统主要设备参数Tab.1 Parameters of main equipment in the system

3 自动切换系统的设计

3.1 外围控制电路设计

切换系统的外围控制电路主要由1个普通继电器KM1、2个时间继电器KT1和KT2、2个电源指示灯(指示灯L1指示为市电供电,颜色为红色;指示灯L2指示为太阳能供电,颜色为绿色)、2个低压断路器(QF1额定电流20 A,QF2额定电流20 A)、5个二极管(D1～D5)和1个单片机控制的继电器触头K1组成。外围控制电路如图2所示。

图2 外围控制电路Fig.2 Peripheral control circuit

3.2 切换系统工作原理

本设计采用AT89C52为主控芯片,外部采用ADC0832作为电压采集芯片。但是被测外部电压信号范围为0～22 V,采样芯片无法直接对其进行采样。因此,首先要将信号通过电阻分压处理,把待测电压分为原来的1/10,待测电压变换成幅值等于ADC0832芯片允许范围0～5 V内的信号,从而符合ADC芯片的输入要求[8-9]。电压采样完成,经单片机处理后,采样电压乘以10则恢复至以前的待测电压。将恢复的检测电压值通过AT89C52主控芯片和设定值进行比较并判断。如果在10 min内检测电压连续两次高于设定值18.0 V,则表明连续10 min以上有太阳光照射。此时通过控制特定的I/O口,电位变成低电平,导通PNP三极管,使继电器线圈导通。继电器工作端切换到常开端,此时K1闭合,外围电路中的继电器KM1、KT1、KT2的线圈得电,KM1常闭触头断开、常开触头闭合。由于继电器在断开、闭合时具有时间差,为防止监测设备重启,采用二极管D1、D2提供毫秒级的瞬时电压,待太阳能逆变电供上后,时间继电器KT1断开,此时绿色指示灯L2亮,表明已切换至太阳能光伏为负载供电。

反之,如果检测电压连续两次都低于设定值,则表明连续10 min以上电池板被遮挡。此时通过控制特定的I/O口,电位变成高电平,切断PNP三极管,使继电器线圈断电,继电器工作端切换到常闭端。图2中K1断开,外围电路中的继电器KM1、KT1、KT2的线圈都失电, KM1常闭触头闭合、常开触头断开。同理,采用二极管D3、D4提供毫秒级的瞬时电压,等市电供上之后,时间继电器KT2断开,此时红色指示灯L1亮,表明已切换至市电为负载供电。其他情况则保持原有状态继续采集数据。系统控制流程如图3所示。

图3 系统控制流程图Fig.3 Control flowchart of the system

3.3 Proteus模拟仿真

根据控制流程图,将所用的芯片、三极管、继电器、信号指示灯等按照要求合理连接,并在Proteus界面[10]绘制模拟电路图。通过设置改变接电池板+级的电压值,观察两个红绿不同颜色指示灯的显示情况,判断该设计的可行性。

当把接电池板正极的一端电压设定值低于18.0 V,延时10 min后,所绘制的模拟电路图中红灯亮,说明接入的是市电。当把接电池板正极电压设定高于18.0 V,延时10 min后,同一模拟电路图中绿灯亮,说明系统已切换到太阳能光伏发电逆变端供电。

4 试验效果

将设计的系统接入楼顶设备,正常光照的晴天,绿指示灯一直显示为亮,用数字式万用表测得输出的电压为220 V。人为地将电池板遮挡10 min后,绿指示灯灭而红指示灯亮,表明系统切换至市电,用数字式万用表测得输出端电压在236～240 V范围波动。

多次操作结果表明,系统能准确地自动切换,而楼顶负载设备一直正常运行,没有出现重启现象。系统自安装至今,运行可靠、安全,动作敏捷,具有一定的推广应用价值。

5 结束语

基于单片机的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,不仅对蓄电池可以起到保护作用,而且延长了蓄电池的使用寿命,降低了光伏发电系统的后续维护成本。同时,解决了太阳能光伏发电系统对负载供电的间歇性和不稳定性等不足,保证了楼顶监测设备用电地持续性,对进一步开发、推广太阳能光伏发电有着积极的作用和重大的意义。

[1] 李雅丽,薛同莲.光伏发电与公用电网互补自动切换系统的研究与设计[J].通信电源技术,2012,29(1):12-16.

[2] 项新建,胡剑挺.双电源自动切换系统的设计[J].浙江科技学院学报,2007,19(4):277-280.

[3] 王爱国,赵鹏,杨东林.基于太阳能的双电源供电与自动切换系统[J].河北大学学报,2013,33(1):96-101.

[4] 袁世建,胥平,尚海涛.市电自动切换在独立光伏系统中的应用[J].阳光技术,2009(5):54-55.

[5] 陈杨波,郑和.离网光伏系统中市电切换的应用[J].机电信息, 2009(24):102-103.

[6] 韩旭同,王中训.高效太阳能发电系统的设计[J].自动化仪表, 2013,13(2):52-55.

[7] 张青春.太阳能光伏转换智能控制器的设计[J].仪表技术, 2011(4):1-6.

[8] 吴丹,赵东魁,于新.AT89C2051单片机在模拟电压检测中的应用[J].黑龙江电子技术,1999(7):40-42.

[9] 周雷,吕广才,谭伟东.一种基于单片机的太阳能电池发电量监控系统[J].黑龙江科技信息,2009(36):38.

[10] 周灵彬,张靖武.PROTEUS的单片机教学与应用仿真[J].单片机与嵌入式系统应用,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

宁夏科技攻关基金资助项目(编号:ykx-11-296)。

修改稿收到日期:2014-01-14。

武世敏(1990-),男,现为宁夏大学机械工程专业在读硕士研究生;主要从事新能源的研究。

[10]乔川,李斯阳.1.5 MW双馈风力发电机组偏航控制系统[J].控制工程,2011,18(S1):153-156.