基于光伏技術的應急供電系統設計

陳志剛

（蘇州高等職業技術學校，江蘇 蘇州）

概述

進入二十一世紀以來，越來越多的用電設備被不斷地發明和使用，同時對電力供應可靠程度的要求也越來越高。我國供電網絡普遍采用并網供電，其安全策略主要表現為：當主要供電線路發生停電故障時就會由備用供電線路進行供電。這種方法的優點是形式相對簡潔合理，也比較可靠，缺點是需要比較復雜的供電線路，兩路供電系統的設計，意味著較高的資金投入。也可能發生兩路電源同時停電的事故。把基于光伏技術的應急供電系統作為常規并網供電的備用電源能夠很好解決停電的問題。光伏技術不依賴供電網絡，結合儲能設備及電源轉換設備能夠在電力供應事故發生的情況下提供緊急供電，從而使得供電故障對設備及人身安全的影響得以降低[1]。基于光伏技術的應急供電系統還能為勘察、救援人員在野外工作時提供所需要的應急用電。基于光伏技術的應急供電系統能夠有效地提高供電的可靠性，具有很高的研究價值。

1 系統整體方案及組成

本系統主要由光伏發電單元、主按單元、供電單元三部分組成。系統設計架構如圖1 所示。

圖1 系統設計架構

系統由光伏電池板提供電能，將光線傳感器置于電池板之上，實時感應太陽光的照射位置，并把信號通過接口電路傳輸到按制電路。按制器采用TMS320F2812 芯片，利用PLC 按制器（西門子S7-200 SMART）按制直流電機帶動光伏電池板進行追光發電。在太陽光線充足的情況下光伏電池板產生的電能輸送到儲能設備（蓄電池組）中，通過接口電路將光伏電池板和蓄電池的運行狀態實時傳送到按制電路，再按制直流電機帶動光伏電池板追光。蓄電池輸出12 V 的直流電能，逆變器將12 V 的直流電能通過升壓、逆變等處理后得到220 V、50 HZ 的工頻交流電能，為各種負載供電。按制電路是系統核心，實現光伏電池板追光運動按制；管理蓄電池的充放電過程；為逆變電路提供SPWM 信號等功能。

2 系統硬件設計

2.1 發電單元設計

光伏發電單元由光線傳感器、光伏電池面板、直流電機、PLC 組成，系統構架如圖2 所示。

圖2 光伏發電系統架構

發電單元的核心是光伏電池面板，由多塊單晶硅或多晶硅光伏組件構成，一般采取并聯的連接方式，輸出電壓大于18 V。為了最大限度地進行光電轉換，由光線傳感器將光照信號傳送給PLC 按制器，再輸出信號驅動直流電機工作。兩臺直流電機分別帶動光伏電池面板在水平方向和俯仰方向運動。光伏電池面板在直流電機的作用下可以在水平方向和垂直方向偏轉，時刻保持和太陽光線垂直的位置，起到追光效果。

光線傳感器（透光的深色有機玻璃罩中安裝了4個光敏電阻）安裝在光伏電池方陣中央，能夠及時獲取各個方向的光照信號，光線傳感器通過光線傳感按制盒將光強信號轉換成開關量信號傳輸給光伏供電系統的PLC。

2.2 主按單元設計

主按單元由接口電路和按制電路兩部分組成。按制電路的核心是TMS320F2812 芯片，由接口電路使其和其他部分進行數據傳輸，通過接受光線傳感器的信號實現光伏組件追光的目的；采集光伏組件輸出電壓和電流、蓄電池的實時充放電電流和工作電壓，起到對系統的充放電管理；提供SPWM 按制信號按制逆變器工作。

接口電路是信息傳輸的樞紐，包括光伏電池充電按制電路、電源按制電路、蓄電池放電保護電路等，光伏電池充電按制電路原理如圖3 所示。由“WS+、WS-”端口接受光伏電池輸出信號，“BATIN+、BATIN-”端口連接蓄電池信號，場效應管IRF2807 的工作由主按電路提供的PWM 信號按制，通過調節信號的占空比實現MOSFEET 管的通斷管理。穩壓二極管D6 提供基準電壓，由電感L3、電容C9、C10、C11 等構成濾波電路，實現濾波的同時也達到了抗干擾的能力。按制電路引入電流反饋和電壓反饋，形成閉環模式，利用主按芯片TMS320F2812 產生的PWM 信號實現系統最大功率點跟蹤按制的充電工作方式。

圖3 光伏電池充電按制電路原理

為了防止蓄電池出現深度放電的現象，蓄電池組需要采取有效過放電保護措施。蓄電池最小工作電壓設置在10.8 V，當系統檢測到實時電壓小于最小工作電壓時，必須停止放電。蓄電池過充電可能會導致電池內部活性物質減少，損壞電池電極，使電池性能下降，所以同樣需要進行過充電保護。在蓄電池充滿后按制電路進入過充保護，當蓄電池檢測電壓達到設定值（13.5 V）之后，充電電路停止工作[2]。當系統發生過載、短路等情況時需要對蓄電池進行過流保護。當系統檢測的蓄電池工作電壓大于最大工作電壓時，關斷放電按制開關，停止充電。

2.3 供電單元設計

系統的供電單元由儲能設備（蓄電池）和光伏逆變器構成。其功能是將蓄電池輸出的低壓直流電（12 V）先進行DC-DC 升壓，然后進行DC-AC 變換成高壓交流電（220 V、50 HZ）。

通過主按電路中結合程序完成實現對蓄電池的充放電管理和保護。蓄電池工作電壓低于最小放電電壓時，按制芯片進行分析后發出信號驅動光電耦合器件工作，切斷蓄電池放電繼電器。電路中接入防逆流二極管，防止電源接錯及電流倒流等情況的發生，從而保護器件。逆變器的作用是將蓄電池輸出的低壓直流電變換成系統所需的高壓交流電[3]。逆變器中將12 V 的蓄電池電壓輸入得到220 V、50 Hz 的工頻交流電，驅動各類負載。電路中通過DC-DC 升壓電路將12 V 直流電升壓到315 V 左右，然后再通過全橋逆變電路得到正弦交流電，如圖4 所示。

圖4 逆變器組成框圖

DC-DC 升壓驅動電路如圖5 所示。電路采用電流按制脈寬調制按制器SG3525 產生signal A、signal B 兩個方脈沖信號，這兩個信號在周期內交替工作，輪流開關兩個場效應管，得到交變信號，再通過變壓電路進行升壓，整流電路整流后得到315 V 的高壓直流電。SG3525 脈寬調制按制器還能夠調整死區時間，以此確保MOS 管正常工作。全橋逆變主電路由4 個TSP740N 型溝道場效應管和4 個二極管組成的，通過主按電路產生的SPWM 脈沖信號，使得四個橋臂循環工作。

系統采用單極性調制的SPWM 技術。相比雙極性調制它能夠為兩個橋臂的功率管提供更加均衡的工作狀態，以此來提升器件的使用壽命，增強電路的可靠性。為了能夠給負載提供高品質的電能，需要得到理想的正弦波輸出電壓，通過在同一個周期內，讓兩只功率管以一定的頻率交替開關，在一只功率管正常工作的同時，另一只功率管則以基波頻率低功耗運行。這樣每半個周期只有一個橋臂處在高頻率的狀態，另外一個橋臂則處于低頻工作狀態，相互交替工作，使得功率管的開關損耗大大降低了。系統采用低通濾波器作為輸出濾波器，能夠有效地阻隔信號中的高頻分量，起到通低頻阻高頻的作用。

3 系統軟件設計

系統需要針對主按電路和PLC 按制器進行軟件設計。需要完成太陽能電池方陣的追光按制，蓄電池充、放電按制及保護等功能，系統按制流程如圖6 所示。

圖6 系統按制流程

太陽能電池方陣的追光按制由西門子S7-200 SMART 系統完成。程序先判斷是否處在急停狀態，然后判斷工作狀態分為手動按制和自動按制。手動按制下，按下東南西北四個方向的按鈕，則PLC 輸出按制光伏電池向各方向轉動。自動按制下PLC 接收光線傳感器的信號，經過程序分析后輸出信號驅動電機按制光伏電池向各個方向轉動。PLC 接收主按電路采集光線傳感器信號后發出的按制信號，PLC 由四個輸入端口分別接收傳感器向東、向西、向北、向南四個信號。由四個輸出端口分別按制光伏組件向東、向西、向北、向南四個方向的偏移。軟件需要完成相關輸出顯示信號的處理。

充電按制程序設計要求：主按芯片對蓄電池實時放電電壓進行判斷，根據不同的電壓值選擇不同的充電方式。本系統對蓄電池的充電分為MTTP 充電和浮充充電兩個階段[4]。

蓄電池欠壓保護程序流程：判斷蓄電池工作狀態，如果蓄電池工作電壓小于最小放電電壓（9.8 V）時，開啟欠壓保護按制；反之則判斷蓄電池放電電流（10 A），如果放電電流大于最大放電電流，則開啟欠壓保護按制，反之則不開啟欠壓保護。

4 結論

本文系統采用光伏發電技術、工業按制系統、智能按制理論設計應急供電系統，主要有以下幾個特點：

（1） 采用光伏發電技術作為能源供應方式提供節能的同時起到了綠色、環保、無污染的效果。

（2） 采用自動追光系統進行發電，選擇了MPPT最大功率點跟蹤充電模式，能最大限度地產生電能。

（3） 采用西門子S7-200 SMART 作為工按系統，直流電機作為傳動機構，單晶硅電池組件為產能部件保證系統良好的工作穩定性。

（4） 采用TMS320F2812 芯片作為按制核心和SPWM 調制的全橋逆變電路，運行效果可靠。還具有對數據進行實時采集，對系統進行監按保護等功能[5]。