基于光伏技术的应急供电系统设计

陈志刚

（苏州高等职业技术学校，江苏 苏州）

概述

进入二十一世纪以来，越来越多的用电设备被不断地发明和使用，同时对电力供应可靠程度的要求也越来越高。我国供电网络普遍采用并网供电，其安全策略主要表现为：当主要供电线路发生停电故障时就会由备用供电线路进行供电。这种方法的优点是形式相对简洁合理，也比较可靠，缺点是需要比较复杂的供电线路，两路供电系统的设计，意味着较高的资金投入。也可能发生两路电源同时停电的事故。把基于光伏技术的应急供电系统作为常规并网供电的备用电源能够很好解决停电的问题。光伏技术不依赖供电网络，结合储能设备及电源转换设备能够在电力供应事故发生的情况下提供紧急供电，从而使得供电故障对设备及人身安全的影响得以降低[1]。基于光伏技术的应急供电系统还能为勘察、救援人员在野外工作时提供所需要的应急用电。基于光伏技术的应急供电系统能够有效地提高供电的可靠性，具有很高的研究价值。

1 系统整体方案及组成

本系统主要由光伏发电单元、主按单元、供电单元三部分组成。系统设计架构如图1 所示。

图1 系统设计架构

系统由光伏电池板提供电能，将光线传感器置于电池板之上，实时感应太阳光的照射位置，并把信号通过接口电路传输到按制电路。按制器采用TMS320F2812 芯片，利用PLC 按制器（西门子S7-200 SMART）按制直流电机带动光伏电池板进行追光发电。在太阳光线充足的情况下光伏电池板产生的电能输送到储能设备（蓄电池组）中，通过接口电路将光伏电池板和蓄电池的运行状态实时传送到按制电路，再按制直流电机带动光伏电池板追光。蓄电池输出12 V 的直流电能，逆变器将12 V 的直流电能通过升压、逆变等处理后得到220 V、50 HZ 的工频交流电能，为各种负载供电。按制电路是系统核心，实现光伏电池板追光运动按制；管理蓄电池的充放电过程；为逆变电路提供SPWM 信号等功能。

2 系统硬件设计

2.1 发电单元设计

光伏发电单元由光线传感器、光伏电池面板、直流电机、PLC 组成，系统构架如图2 所示。

图2 光伏发电系统架构

发电单元的核心是光伏电池面板，由多块单晶硅或多晶硅光伏组件构成，一般采取并联的连接方式，输出电压大于18 V。为了最大限度地进行光电转换，由光线传感器将光照信号传送给PLC 按制器，再输出信号驱动直流电机工作。两台直流电机分别带动光伏电池面板在水平方向和俯仰方向运动。光伏电池面板在直流电机的作用下可以在水平方向和垂直方向偏转，时刻保持和太阳光线垂直的位置，起到追光效果。

光线传感器（透光的深色有机玻璃罩中安装了4个光敏电阻）安装在光伏电池方阵中央，能够及时获取各个方向的光照信号，光线传感器通过光线传感按制盒将光强信号转换成开关量信号传输给光伏供电系统的PLC。

2.2 主按单元设计

主按单元由接口电路和按制电路两部分组成。按制电路的核心是TMS320F2812 芯片，由接口电路使其和其他部分进行数据传输，通过接受光线传感器的信号实现光伏组件追光的目的；采集光伏组件输出电压和电流、蓄电池的实时充放电电流和工作电压，起到对系统的充放电管理；提供SPWM 按制信号按制逆变器工作。

接口电路是信息传输的枢纽，包括光伏电池充电按制电路、电源按制电路、蓄电池放电保护电路等，光伏电池充电按制电路原理如图3 所示。由“WS+、WS-”端口接受光伏电池输出信号，“BATIN+、BATIN-”端口连接蓄电池信号，场效应管IRF2807 的工作由主按电路提供的PWM 信号按制，通过调节信号的占空比实现MOSFEET 管的通断管理。稳压二极管D6 提供基准电压，由电感L3、电容C9、C10、C11 等构成滤波电路，实现滤波的同时也达到了抗干扰的能力。按制电路引入电流反馈和电压反馈，形成闭环模式，利用主按芯片TMS320F2812 产生的PWM 信号实现系统最大功率点跟踪按制的充电工作方式。

图3 光伏电池充电按制电路原理

为了防止蓄电池出现深度放电的现象，蓄电池组需要采取有效过放电保护措施。蓄电池最小工作电压设置在10.8 V，当系统检测到实时电压小于最小工作电压时，必须停止放电。蓄电池过充电可能会导致电池内部活性物质减少，损坏电池电极，使电池性能下降，所以同样需要进行过充电保护。在蓄电池充满后按制电路进入过充保护，当蓄电池检测电压达到设定值（13.5 V）之后，充电电路停止工作[2]。当系统发生过载、短路等情况时需要对蓄电池进行过流保护。当系统检测的蓄电池工作电压大于最大工作电压时，关断放电按制开关，停止充电。

2.3 供电单元设计

系统的供电单元由储能设备（蓄电池）和光伏逆变器构成。其功能是将蓄电池输出的低压直流电（12 V）先进行DC-DC 升压，然后进行DC-AC 变换成高压交流电（220 V、50 HZ）。

通过主按电路中结合程序完成实现对蓄电池的充放电管理和保护。蓄电池工作电压低于最小放电电压时，按制芯片进行分析后发出信号驱动光电耦合器件工作，切断蓄电池放电继电器。电路中接入防逆流二极管，防止电源接错及电流倒流等情况的发生，从而保护器件。逆变器的作用是将蓄电池输出的低压直流电变换成系统所需的高压交流电[3]。逆变器中将12 V 的蓄电池电压输入得到220 V、50 Hz 的工频交流电，驱动各类负载。电路中通过DC-DC 升压电路将12 V 直流电升压到315 V 左右，然后再通过全桥逆变电路得到正弦交流电，如图4 所示。

图4 逆变器组成框图

DC-DC 升压驱动电路如图5 所示。电路采用电流按制脉宽调制按制器SG3525 产生signal A、signal B 两个方脉冲信号，这两个信号在周期内交替工作，轮流开关两个场效应管，得到交变信号，再通过变压电路进行升压，整流电路整流后得到315 V 的高压直流电。SG3525 脉宽调制按制器还能够调整死区时间，以此确保MOS 管正常工作。全桥逆变主电路由4 个TSP740N 型沟道场效应管和4 个二极管组成的，通过主按电路产生的SPWM 脉冲信号，使得四个桥臂循环工作。

系统采用单极性调制的SPWM 技术。相比双极性调制它能够为两个桥臂的功率管提供更加均衡的工作状态，以此来提升器件的使用寿命，增强电路的可靠性。为了能够给负载提供高品质的电能，需要得到理想的正弦波输出电压，通过在同一个周期内，让两只功率管以一定的频率交替开关，在一只功率管正常工作的同时，另一只功率管则以基波频率低功耗运行。这样每半个周期只有一个桥臂处在高频率的状态，另外一个桥臂则处于低频工作状态，相互交替工作，使得功率管的开关损耗大大降低了。系统采用低通滤波器作为输出滤波器，能够有效地阻隔信号中的高频分量，起到通低频阻高频的作用。

3 系统软件设计

系统需要针对主按电路和PLC 按制器进行软件设计。需要完成太阳能电池方阵的追光按制，蓄电池充、放电按制及保护等功能，系统按制流程如图6 所示。

图6 系统按制流程

太阳能电池方阵的追光按制由西门子S7-200 SMART 系统完成。程序先判断是否处在急停状态，然后判断工作状态分为手动按制和自动按制。手动按制下，按下东南西北四个方向的按钮，则PLC 输出按制光伏电池向各方向转动。自动按制下PLC 接收光线传感器的信号，经过程序分析后输出信号驱动电机按制光伏电池向各个方向转动。PLC 接收主按电路采集光线传感器信号后发出的按制信号，PLC 由四个输入端口分别接收传感器向东、向西、向北、向南四个信号。由四个输出端口分别按制光伏组件向东、向西、向北、向南四个方向的偏移。软件需要完成相关输出显示信号的处理。

充电按制程序设计要求：主按芯片对蓄电池实时放电电压进行判断，根据不同的电压值选择不同的充电方式。本系统对蓄电池的充电分为MTTP 充电和浮充充电两个阶段[4]。

蓄电池欠压保护程序流程：判断蓄电池工作状态，如果蓄电池工作电压小于最小放电电压（9.8 V）时，开启欠压保护按制；反之则判断蓄电池放电电流（10 A），如果放电电流大于最大放电电流，则开启欠压保护按制，反之则不开启欠压保护。

4 结论

本文系统采用光伏发电技术、工业按制系统、智能按制理论设计应急供电系统，主要有以下几个特点：

（1） 采用光伏发电技术作为能源供应方式提供节能的同时起到了绿色、环保、无污染的效果。

（2） 采用自动追光系统进行发电，选择了MPPT最大功率点跟踪充电模式，能最大限度地产生电能。

（3） 采用西门子S7-200 SMART 作为工按系统，直流电机作为传动机构，单晶硅电池组件为产能部件保证系统良好的工作稳定性。

（4） 采用TMS320F2812 芯片作为按制核心和SPWM 调制的全桥逆变电路，运行效果可靠。还具有对数据进行实时采集，对系统进行监按保护等功能[5]。