办公用光伏直流供电系统研究

王慧，吴疆，袁建华，高厚磊

(1.山东大学 电气工程学院，山东 济南 250061;2.苏州供电公司，江苏 苏州 215000;3.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

在日常生活中，很多电器设备都是由直流供电或者可以转换为由直流供电的。随着这些设备的不断增加，直流供电的优势不断显现，人们开始重新关注直流供电的前景。在交流供电模式下，它们多使用适配器(AC/DC)或充电器为其提供相应直流电压等级的电源，这样不仅增加了设备投入而且降低了电能的利用效率。太阳能光伏发电是一种将太阳能转化为直流电的发电方式，为了适应传统供电模式供电的需要，一般要将其逆变为交流电为负载供电。但是，随着直流负载的增多，我们完全可以直接利用光伏直流为其提供供电电压，这样就可以节省光伏逆变的硬件成本和电能损耗。文献［1］指出随着光伏发电等直流发电技术的发展，直流供电和直流负荷不断增多将是未来电力发展的一个方向。文献［2］说明了相对于交流供电而言直流供电可以大大减少用电设备交直流转换的次数，有利于减少电能损耗，提高电能的利用率，仅此一项就能减少10%-20%的能耗。文献［3］针对车载直流电源环境下笔记本供电设计了一种基于开关电源的DC/DC适配器，具有一定的实用性。

1 光伏发电的特点

光伏发电是分布式发电的一个重要发展环节，它的特点非常鲜明。从能源的角度来说，太阳能不仅总量巨大，取之不尽用之不竭，而且清洁环保，无污染 ;从发电设备上来说，光伏发电设备由太阳能电池板、蓄电池、逆变器等静止模块构成，便于维护，而且不产生噪声;从建设安装的角度来说，光伏发电设备规模可大可小，可就近安装，可以节省输配电设备，而且施工周期短，节省施工费用。

太阳能光伏发电依靠光伏电池把太阳能转化为电能，太阳能光伏电池的P-U(功率-电压)输出特性见图1。

由图1可以看出，光伏电池是一种直流电源。在不同的光照强度下，随着输出电压的变化，其输出功率是不断变化的，因此它是一种不稳定的直流电源。为了实现光伏并网和独立运行，我们一般要对其进行DC/DC变换，然后进行DC/AC逆变。在控制策略上一般采用最大功率(MPPT)跟踪控制，使光伏电池工作在最大功率点附近［4］。最大功率跟踪(MPPT)实质［5］上是一个动态自寻优过程，通过对当前输出功率与前一时刻功率的比较，舍小存大，再检测，再比较，周而复始，从而使得阵列动态工作在最大功率。目前常用的MPPT算法有定电压跟踪法(CVT)、扰动观察法、电导增量法、模糊逻辑控制等算法［6］。

随着国家对太阳能光伏发电发展的大力支持，光伏建筑一体化正在快速发展。所谓光伏建筑一体化是指将光伏系统与建筑相结合，利用太阳能发电来提供建筑自身用电或并网为电网供电［7］。由于缺乏直流家用电器，在家庭中使用直流供电系统还有很长的路要走。但是在直流负荷集中的区域，如:办公楼等场所，可以考虑采用光伏直流取代传统交流对直流负荷进行供电。

2 常用数码电器后级供电电路分析

不同的直流负载具有不同的供电电压的要求。下面我们将就笔记本电脑、台式电脑、手机、数码相机、MP3等不同负载的供电电压要求进行分析。

2.1 笔记本电脑的供电电压

通过对国内笔记本电脑市场占有率较高的联想、惠普、戴尔、宏基、华硕等品牌系列产品的适配器输出电压调查发现，绝大多数适配器的输出电压标示为18.5 V、19 V或20 V，少数较旧或已经停产机型有16 V或15 V。

由于笔记本电脑为比较精密的设备，并且电脑内部各功能模块所需要的供电电压也有所不同，如CPU、显卡、DDR2内存等模块供电电压一般为1.2 V-2 V、1 V、1.8 V。

当笔记本电脑有适配器接入时，将通过适配器向系统供电，如果电池未满充则通过充电电路对电池充电，同电源控制电路相连的几个子模块都会从适配器获得供电电压，由于笔记本电脑各模块所需电压精度较高，同时需要较完善的保护，一般采用专用电源芯片对各模块提供精确电压及保护。其供电电路如图2所示［8］。

图2中各模块功能如下:充电控制电路的作用是对锂电池进行充电管理，对锂电池进行切换工作;系统供电电路主要为主板上的控制、逻辑芯片提供工作电压，还可以作为待机电源;芯片组供电电路则为笔记本电脑南北桥芯片提供电能;内存供电控制芯片、显卡供电控制芯片、CPU供电电路主要为相应的供电模块提供合乎要求的电能。

经过对上述供电电路通常所采用的几十种控制芯片的调查发现，其所采用的芯片，以 MAX系列芯片为主，此外还有LTC系列等，它们都具有很宽的输入电压范围，其最低工作电压都在8 V以下，最大工作电压都在25 V及以上，某些型号能达到36 V甚至更高。

调查还发现，笔记本电脑内部芯片一般都采用PWM脉波调制稳压，因此输入电压等级的变化不至于导致较大功耗的产生。而且笔记本电脑应用的电容器、MOSFET都有很高的耐压值，通常为几百伏。

桑烟不断冒出，慢慢的，整个往生塔都笼罩在了盘旋着的烟雾中。这些烟雾从每一颗骷髅头的嘴边刮过，发出阵阵呜咽的声响。呜咽声中，夹杂着另外一些奇特的声响，像海螺内起伏着的海潮，像大雾中耳廓旁的鸣音，又像九重天上，来自神明的梵唱。

结论:笔记本的电源接口芯片通常具有很宽的电压输入范围，输入电压在一定范围内的差异一般不会影响其工作的稳定性。

图2 笔记本电脑后级供电电路框图

2.2 台式电脑后级供电电路

台式电脑主机一般采用专用开关电源供电，开关电源后级输出电压等级一般为+3.3 V、+5 V、-5 V、+12 V、-12 V、+5 VSB。其供电结构框图如图3所示。电脑液晶显示器内部也是由直流实现供电，其后级供电电压一般为+12 V。从以上分析来看，只要配备单输入、多输出DC/DC变换电路为台式电脑提供+3.3 V、+5 V、-5 V、+12 V、-12 V直流电，则台式电脑可以使用直流供电。由于台式电脑内部很多器件需要一定的工作电流，特别是CPU，它通常工作在大电流电路状态［9］，因此+3.3 V、+5 V、+12 V电源需提供较大供电电流。

图3 台式电脑供电电路图

2.3 手机、数码相机、MP3等后级供电电路

手机、数码相机和MP3等可充电设备一般使用一块锂电池作为电源，锂电池的标称电压为3.7 V，其工作电压范围一般为3.0 V ～4.2 V。

锂电池由于其活性强，能量密度高，对其有比较严格的充放电管理要求。大多数锂电池充电电路使用市面上带有充电管理的集成芯片，外加少量外围器件构成，。所采用集成芯片都具有一定的电压输入范围，如MAX886、MAX888，其输入电压范围为2.7 V ～ 12 V［10］。以手机为例，其充供电框图如图4所示。

图4 手机供电电路图

从以上分析和图4可以发现，一般充电数码设备其内部都有电源管理芯片，其输入电压有一定的允许范围。这就为设计统一的DC/DC充电设备提供了便利。

3 办公用光伏直流网及其控制策略

基于以上分析，对于绝大多数笔记本电脑，可以考虑用同一个电压等级为其供电;对于手机、数码相机、MP3等使用一节锂电池作为电源的可充电设备，亦可以设计通用的适配器为其供电。对于台式电脑等其他设备，其供电电压等级过于复杂，亦需要专门的DC/DC变换器。基于光伏发电的直流供电网设计图如图5所示。

如图5所示，光伏直流的供电系统由光伏电池模块，蓄电池模块和作为备用的大电网共同组成。由于直流负载无需无功功率，因此直`流母线电压的大小与各模块提供的有功功率多少的变化趋势是一致的。

图5 直流电网结构图

3.1 PV模块控制策略

PV模块作为主模块为系统提供电能，通过DC/DC电路实现在稳压与MPPT模式之间的自动转换，当PV模块所提供的功率大于负荷功率时，PV模块供电稳定直流母线电压UdcN，同时经Boost-BUCK电路向蓄电池充电;当PV模块不足以提供足够大的功率时，PV将通过对输出功率P和电压V的判定搜索最大功率点，使其工作在MPPT模式下，系统电能的缺额将由其它部分补给。其控制原理图如图6所示。

图6 PV模块控制原理图

3.2 蓄电池模块控制策略

3.3 交直流变换器控制策略

图7 蓄电池模块控制原理图

为了增强直流系统的供电可靠性，本系统中还设有联接直流母线和交流电网的AC/DC变换器。当直流系统电能不足时，由交流电网逆变向系统供电，维持直流母线电压稳定。其控制流程图如图8所示。

图8 交直流变换器控制原理图

3.4 逆变器控制策略

为了兼顾对交流系统的供电，该系统设置了直流-交流逆变环节。可以在能量充足的情况下不依赖交流大电网，独立提供电能对交流负荷供电。其控制流程图如图9所示。

图9 逆变器控制原理图

3.5 直流母线电控制策略压

综上所述，本文所述光伏直流系统中包含PV模块、蓄电池模块、AC/DC模块和逆变模块，其中PV模块、蓄电池模块和AC/DC模块根据能量平衡原理，在负荷功率不同的情况下协调工作维持直流母线电压稳定。其在不同情况下的工作状态如下:

(1)当光照充足时，PV模块作为主供电模块向系统提供电压支持，维持母线电压稳定，电能由母线流向系统负荷及蓄电池，AC/DC模块处于关断状态;

(2)PV模块供能不足时，蓄电池首先检测到母线电压下降，如果其不处于欠压状态，则Boost电路启动工作，由PV和蓄电池共同维持母线电压稳定，此时PV工作在MPPT状态，AC/DC模块关断。

(3)当PV模块和蓄电池不能为系统提供足够的电能时，AC/DC检测到母线电压下降启动，此时由这三模块协调工作共同维持母线电压稳定。

图7中，直流母线额定电压为360 V，当对于对电压要求比较低的负荷，如:LED灯，可以通过直流母线直接对其供电，而对于电脑等网络设备，由于其对供电系统的要求比较苛刻，要求供电系统提供高质量的电源［11］，因此，即时直流母线电压等级合适也不建议直接供电，最好通过专门的稳压器或DC/DC变换器对其供电。

4 样机实验结果

图10 光伏直流系统样机

本文所述系统基于MATLAB下建立了仿真模型，并开发出了样机(见图10)。样机分为太阳能光伏板、控制板、功率板和蓄电池组四个部分。太阳能光伏板的最大输出功率为 6.4 kW，四组并联，实验时采用了其中一组，因此其最大输出功率为 1.6 kW，其开路电压随光照的不同在250 V左右上下波动;控制板采用TMS320F28335作为主控芯片;功率板的IPM模块采用三菱公司的PM75B4LB060;蓄电池采用松下 LCP12100ST (12 V 100A/H)十块串联，因此其正常电压波动范围为120 V-138 V，实验时，采用了大功率放电电阻作为放电负载。

图11 直流母线电压、PV模块电流、蓄电池充电电流波形和逆变器输出的交流电流波形

图11所示为光照充足，PV模块作为主供电单元，稳定直流母线电压，同时向系统供电时，母线电压波形，PV模块电流波形、蓄电池充电电流波形和逆变模块输出的交流电流波形。由图11可见，直流母线电压能够稳定在360 V，上下波动不大(3.9 V)，光伏电池能够比较平稳的输出电流(此状态下其功率大约为1.2 kW)，蓄电池能够获得比较平稳的充电电流(由于设置蓄电池放电电流为正方向，因此充电显示为负值)，交流模块也能够输出平稳的交流电流。

本样机通过DC/DC模块对LED灯，笔记本电脑等的供电作了测试，实验证明，只要电压符合要求，能够实现相应负载的平稳工作。

5 结束语

本文通过对日常办公用直流负载的供电系统研究，结合开发的仿真模型和样机实际验证，说明通过直流系统直接对这些负载供电具有较高的可行性。样机系统设计合理，能够实现直流电压的稳定，能够输出稳定的直流电流和交流电流，在直流负载比较集中的办公场所使用，有望提高电能的使用效率，具有较高的实用价值。

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