離網型光伏發電系統自動切換裝置設計

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

(寧夏大學機械工程學院1，寧夏 銀川　750021；寧夏大學數學計算機學院2，寧夏 銀川　750021；

寧夏大學新能源研究中心3，寧夏 銀川　750021；寧夏大學物理電氣信息學院4，寧夏 銀川　750021)

離網型光伏發電系統自動切換裝置設計

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

(寧夏大學機械工程學院1，寧夏 銀川750021；寧夏大學數學計算機學院2，寧夏 銀川750021；

寧夏大學新能源研究中心3，寧夏 銀川750021；寧夏大學物理電氣信息學院4，寧夏 銀川750021)

摘要：針對目前光伏發電效率較低，無法完全滿足人們對電力需求的現狀，提出了市電和光伏發電共同為居民供電的供電方式。考慮到市電和光伏發電供電方式不盡相同，對光伏發電和市電原理進行了系統學習，確定了市電和光伏發電供電方式間切換的可能性。考慮到光伏發電受太陽光照強度、時間等因素影響較大，提出了基于51單片機控制系統的離網光伏發電系統和市電的自動切換控制方式。按照本設計對寧夏大學新能源研究中心2 kW離網發電供電系統進行改造，系統運行效果良好，驗證了本設計的正確性及可行性。

關鍵詞：光伏發電自動切換繼電器單片機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

當前，人類面臨著化石燃料消耗殆盡、環境污染嚴重等諸多問題，嚴重影響著人類的可持續發展。在此背景下，太陽能作為一種新型可再生能源，以其潔凈無污染、資源豐富等優點受到了全世界各國的廣泛關注。其中光伏發電是其主要發展方向[1]。由于太陽光的不穩定性以及時間等因素的限制，光伏發電具有一定程度的不穩定性。

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

在此背景下，本文設計了一種基于戶型獨立光伏發電與市網互補自動無縫切換裝置。本設計以單片機作為主控元件，電磁繼電器作為執行元件，完成光伏發電和市電的無縫切換。

1自動切換系統設計原則

目前光伏發電中，太陽能利用效率較低，無法一直滿足用電設備對電力的需求。另外，由于光伏發電受天氣影響較大，在陰天下雨及夜間，光伏發電量較小，在此情況下如繼續向用電設備供電，將消耗光伏發電系統內蓄電池的存儲電能。如遇到連續陰雨天氣，蓄電池極可能過放，將嚴重影響蓄電池的使用壽命，影響整個光伏發電系統的長期使用[3]。因此,設計要求：在光照條件較好的白天，利用光伏發電系統為用電器提供電力，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，無論天氣情況如何，都應立即啟用光伏發電系統。

本設計依托寧夏大學新能源研究中心2 kW小型光伏發電系統，以下所有試驗、數據均根據該試驗系統所得。

2自動切換系統配置

一般的電路切換由普通開關繼電器開關完成。在這種電路切換過程中，開關由一種狀態變成另外一種狀態，中間有一時間間隙。該時間間隙若大于用電設備復位時間，則會造成用電設備熱斷電。這將嚴重損害用電設備的使用壽命,對于檢測性儀器，則會影響檢測數據的準確性[4]。本設計旨在通過軟件和硬件相結合的方法，補償這一繼電器切換時間間隙，完成市電供電電路和太陽能供電電路的無縫切換。寧夏大學新能源研究中心2 kW小型離網型電站光伏系統配置[5]如圖1所示。

圖1　光伏系統配置圖

系統光伏發電部分主要由20塊外形尺寸為1 172 mm×660 mm ×35 mm的太陽能光伏板組成，每塊光伏板額定發電電壓為12 V。其中，每4塊太陽能板串聯，然后5組太陽能板并聯組成光伏陣列。蓄能裝置為16塊鉛酸蓄電池，其中每4塊串聯，然后4組電池并聯。相關元器件主要參數如表1所示。正常工作情況下，該發電系統工作過程為：光伏陣列為蓄電池組充電,當外部交流用電設備開啟，蓄電池作為電源，為逆變器提供直流電，直流電經逆變器作用，逆變為用電器使用的220 V交流電[6]。寧夏大學新能源研究中心2 kW小型光伏發電系統用電設備為臺式計算機、氣象站檢測設備等。

表1　主要系統配置參數

3自動切換系統的設計

3.1　切換系統的外圍控制電路設計

在本設計中，考慮到硬件執行速度較快、工作穩定性較好、抗干擾能力較強等因素，我們選用繼電器(共3種：普通單刀雙擲繼電器、得電延時時間繼電器和失電延時時間繼電器)作為市電供電電路和太陽能供電電路無縫切換的外圍執行器件。設計外圍執行電路接線圖如圖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為得電延時時間繼電器；KT2為失電延時時間繼電器。太陽能電源串聯K常閉觸點，且KT1的常閉觸點并聯單刀雙擲繼電器K常閉觸點兩端；市電串聯KT2的常開觸點，且KT2常開觸點并聯繼電器K常開觸點兩端。

當繼電器失電時，用電設備由太陽能電源供電；繼電器得電時，用電設備由市電供電。當繼電器由失電狀態變為得電狀態時，由于KT1具有得電延時功能，該延時過程便補償了K切換的時間間隔。當繼電器由得電狀態變為失電狀態時，由于KT2具有失電延時功能，該延時過程同樣補償了K切換的時間間隔。由此理論實現了兩種電源的無縫切換。

一般情況下，光伏系統始終有電。若以光伏系統為繼電器線圈供電，當市電斷電，達到市電供電條件時，由于線圈有電，線圈仍會動作，此時用電設備便會斷電。為避免上述情況出現，本設計中所有繼電器線圈均由市電供電。由于不同型號的繼電器動作時間不同，可根據實際情況設置不同的延時時間。本設計中KT1、KT2延時時間分別設置為0.13 s、0.18 s。

3.2　模糊控制

模糊控制通過模糊邏輯和近似推理方法，把人的經驗形式化、模糊化，使之成為計算機可以接受的控制模型，由計算機代替人來進行有效的實時控制。模糊控制是基于經驗規則的控制，與系統的模型無關，有很好的魯棒性和控制規則靈活性，控制規則符合人的思維規律[8]。

光伏發電受輻照度、環境溫度、風速等多元氣象因素的影響較大，其出力具有明顯的間歇性和隨機波動性，直接影響發電過程中光伏板兩極間電壓。另外，時間因素也直接影響著天氣因素。例如，夜間無光照，且環境溫度較低，這段時間內光伏板出力為0，不需要進行頻繁的電壓檢測。

根據以上兩點，本設計中模糊控制電源切換系統選用兩輸入單輸出模糊控制器，以光伏板兩極間電壓和時間作為輸入，繼電器動作信號為輸出。通過隸屬函數實現繼電器動作信號的模糊化，從而實現繼電器的穩定、準確動作。軟件控制流程圖如圖3所示[9]。

圖3　控制流程圖

本設計選用AT89C52為主控芯片，以PCF8591AD/DA轉換芯片采集光伏板兩極間電壓，采用DS1607時鐘芯片確定單片機工作時間段。單個光伏板兩極間電壓曲線如圖4所示。

圖4　單個光伏板兩極間電壓曲線

由圖4可知，一組(4塊)太陽能電池板冬季正常天氣情況下，日間最大電壓達到80 V左右，平均每塊光伏板兩極間電壓為20 V，遠遠大于PCF8591允許電壓信號(5 V)。為避免數模轉換芯片損壞，需在數模轉換芯片采集電壓信號前對所采集電壓進行降壓處理——串聯1個20 kΩ可變電阻，取滑動部分壓降，滑動部分電阻設為50 Ω[10]。此外，由圖4可知，光伏發電過程中出力情況隨機性較大，較不穩定，容易對數模轉換芯片造成沖擊，且外部干擾信號也會對數據采集造成較大影響。為此，需在A/D轉換芯片信號輸入輸出間并聯1個30 pF的穩壓電容，以穩定電壓。

由于數模轉換芯片本身原因，當輸入穩定電壓信號時，其模數轉換輸出值仍存在較大隨機性。如果僅通過少次的數據采集，其輸出結果仍存在較大的誤差，導致系統誤動作。為此，本設計檢測過程采用多次測量、取平均值法作為最終檢測依據。軟件編程中，以6 s為一個掃描周期，每分鐘采集一次數據，然后對100組數據求解平均值，以平均值作為判斷依據。例如，若平均值大于3 V，說明單塊電池板10 min內平均電壓大于12 V，此時滿足太陽能供電條件；若平均電壓小于3 V，則不滿足太陽能供電條件。通過試驗，在添加濾波電容和以采集電壓平均值作為檢測依據后，相對于無穩壓電容、單次電壓采集判斷，此方法對數據的判斷更為準確，系統運行更加穩定。

考慮到夜間不需采集電壓信息，我們設定夜間單片機處于休眠狀態，不執行程序掃描和繼電器動作。本設計中，增設DS1607時鐘芯片，用于提供時間信息。經監測數據分析得，設定早上7點至下午18點時間段內單片機正常工作，其他時間單片機處于休眠狀態。

時鐘程序的加入，保證了本設計裝置在天亮和天黑等臨界狀態下的正常穩定工作，較好地避免了臨界條件下控制系統頻繁動作對各元器件的損害，延長了系統的使用壽命，節約了電力資源。

3.3　Proteus模擬仿真

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

圖5中，太陽能和市電均由5 V電源替代，以LED晶體管作為負載。為保證晶體管正常工作，在電源線路中串聯1個230 Ω的電阻。觀察各元器件是否按設定程序動作，以及LED是否正常、穩定工作。經調試，在仿真過程中，向單片機加載程序后，各元器件均按程序設定情況執行動作,說明設計思路、外圍控制電路、程序設計均正確，切實可行。

圖5　Proteus仿真原理圖

當實物制作完成，運用到市電和太陽能電源切換過程中后，系統運行仍不太穩定。經分析，由于所有元器件均置于同一配電柜內，繼電器K、KT1、KT2等強干擾源對單片機的正常工作造成極大影響。為保證系統正常工作，我們將弱電部分和強電部分隔離開，并且中間添加一光耦隔離繼電器。調整后系統穩定性得到極大提高。使用過程中，計算機、氣象檢測設備等用電設備工作正常，均未出現斷電、重啟等現象。系統自安裝至今，運行可靠、安全,動作敏捷，適合推廣。

4結束語

將離網型光伏發電系統自動切換裝置應用到離網型光伏發電系統中，不僅可以充分發揮太陽能和市電在不同時段的優勢，并且對蓄電池具有一定保護作用，降低了光伏發電系統的后期維護成本。系統對進一步推廣太陽能光伏發電有著積極的作用和重大的意義，具有較大的實用價值。

參考文獻

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[10]周靈彬，張靖武.PROTEUS的單片機教學與應用仿真[J].單片機與嵌入式系統應用，2008(1)：76-79.

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502019

國家自然科學基金資助項目(編號：11262018)。

修改稿收到日期：2014-03-12。

第一作者王子文(1991-)，男，現為寧夏大學機械設計及自動化專業在讀碩士研究生；主要從事太陽能利用方面的研究。