光伏發(fā)電與公用電網(wǎng)互補(bǔ)自動切換系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李雅麗，薛同蓮

（南通大學(xué)杏林學(xué)院 理學(xué)院，江蘇 南通226007）

0 引 言

世界性的能源緊缺和全球性的環(huán)境及氣候變化問題，使得人類不得不盡快尋找新的清潔能源和可再生資源。其中包括太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、水能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿?，而太陽能以其儲量巨大、安全、清潔等?yōu)勢必將成為21世紀(jì)最有希望大規(guī)模應(yīng)用的清潔能源之一。太陽能光伏發(fā)電不消耗煤炭、石油等不可再生資源，也不排放任何污染，推廣和使用太陽能光伏電源，對于節(jié)能減排、改善生態(tài)環(huán)境意義重大。太陽能發(fā)電是一種間歇性的電源，受到日出和日落、晴天和陰天等環(huán)境因素影響，在陰天和雨天因其發(fā)電不足，導(dǎo)致不能連續(xù)供電，直接影響用戶的生產(chǎn)和生活。為了彌補(bǔ)太陽能發(fā)電受環(huán)境影響的不足，克服其發(fā)電的間歇性，本論文設(shè)計(jì)了一種基于戶型光伏發(fā)電與公用電網(wǎng)互補(bǔ)自動切換系統(tǒng)，使太陽能光伏發(fā)電成為公用電網(wǎng)的有效組成部分。本系統(tǒng)由信號比較和開關(guān)控制兩部分電路組成。信號比較電路用于檢測蓄電池最低工作電壓，當(dāng)檢測到蓄電池的輸出電壓低于最低工作電壓，系統(tǒng)就自動切換到公用電網(wǎng)，由公用電網(wǎng)供電；當(dāng)檢測到蓄電池的輸出電壓高于或等于最低工作電壓時(shí)，系統(tǒng)就自動切換到太陽能發(fā)電系統(tǒng)，由太陽能發(fā)電供電。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能電池方陣﹑蓄電池組﹑充放電控制器﹑太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。太陽能電池方陣的作用是吸收光能，使電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，產(chǎn)生“光生電壓”，這就是“光生伏特效應(yīng)”。在光生伏特效應(yīng)的作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢。蓄電池組是用于貯存太陽能電池方陣產(chǎn)生的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電。太陽能電池序列將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電能，給蓄電池組充電，由蓄電池組給直流負(fù)載供電，而能量變換器將光伏發(fā)電獲得的直流電能轉(zhuǎn)換成恒壓恒頻交流電能，供交流負(fù)載用電，是太陽能利用的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

光伏發(fā)電按照與電力系統(tǒng)的關(guān)系可分類為：獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立光伏供電系統(tǒng)中光伏陣列產(chǎn)生的電能僅供系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷所用，不與外界供電網(wǎng)絡(luò)相連。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是光伏陣列產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入市電網(wǎng)絡(luò)，并網(wǎng)系統(tǒng)中光伏方陣所產(chǎn)生電力除了供給交流負(fù)載外，多余的電力反饋給電網(wǎng)。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到人們的日常生活當(dāng)中。

1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲能設(shè)備

太陽能發(fā)電是一種間歇性的電源，每天24 h，一年365 d，不能全時(shí)滿足負(fù)荷需求，因此儲能設(shè)備是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)必備而且關(guān)鍵的設(shè)備。在獨(dú)立的設(shè)備光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池一邊儲存太陽能電池板產(chǎn)生的電能，同時(shí)又向負(fù)載電器提供電能，故蓄電池處于一邊充電一邊放電的動態(tài)工作狀態(tài)。雖然鉛酸蓄電池的能量密度低，但是它的技術(shù)成熟程度和性價(jià)比是最高的，因此目前獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)的儲能單元主要采用閥控式密封鉛酸蓄電池組。光伏發(fā)電是綠色能源，但是鉛酸蓄電池對環(huán)境存在污染隱患，所以鉛酸電池的使用壽命顯得至關(guān)重要。除環(huán)境因素外，影響鉛蓄電池壽命的還有蓄電池是否合理充放電，以及放電深度等直接因素。我國“光明工程”項(xiàng)目中的家用系統(tǒng)使用的電池只進(jìn)行20%～30%的放電，蓄電池放電深度達(dá)到其滿容量的20%～30%時(shí)，就應(yīng)及時(shí)充電或者停止放電，否則會影響蓄電池的壽命。

據(jù)此測算，100 Ah／12 V的蓄電池，當(dāng)放電深度達(dá)到20%時(shí)，其終止電壓為10.8 V，100 Ah／6 V的蓄電池終止電壓為5.4 V［2］。電池放電電壓下降至終止電壓時(shí)，表明蓄電池極板硫酸鹽化，不能繼續(xù)放電，否則會影響電池的壽命。

2 自動切換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 自動切換系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于戶型光伏發(fā)電與公用電網(wǎng)互補(bǔ)自動切換系統(tǒng)電路，由信號比較電路和開關(guān)控制電路組成，如圖1所示。比較電路是由U1A和U2B兩個(gè)運(yùn)算放大器組成，開關(guān)控制電路是由兩個(gè)三極管Q1和Q2，兩個(gè)二極管D1和D2，兩個(gè)繼電器K1和K2組成。

2.2 自動切換電路的工作原理

將蓄電池的終止電壓設(shè)置為10.8 V，當(dāng)蓄電池輸出電壓大于10.8 V時(shí)，U1 A的同相輸入端（3號引腳）電壓大于反相輸入端（2號引腳）電壓，輸出端（1號引腳）輸出為高電平，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器K1有電流通過，并開始工作，繼電器吸合。U2B的同相輸入端（5號引腳）電壓小于反相輸入端（6號引腳）電壓，輸出端（7號引腳）輸出為低電平，三極管Q2不導(dǎo)通，繼電器K2沒有電流通過，處于原始狀態(tài)，因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)為家用電器供電；當(dāng)蓄電池輸出電壓低于10.8 V時(shí)，U1A的同相輸入端（3號引腳）電壓小于反相輸入端（2號引腳）電壓，輸出端（1號引腳）輸出為低電平，三極管Q1不導(dǎo)通，繼電器K1沒有電流通過，處于原始狀態(tài)。U2B的同相輸入端（5號引腳）電壓大于反相輸入端（6號引腳）電壓，輸出端（7號引腳）輸出為高電平，三極管Q2導(dǎo)通，繼電器K2有電流通過，并開始工作，繼電器吸合，因此，公用電網(wǎng)為家用電器供電。

圖1 自動切換電路

3 電路的仿真

用Multisi m8仿真軟件，對電路進(jìn)行仿真。打開Multisi m8，按照圖1所示選擇元器件并連接電路。為了清晰地看到仿真結(jié)果，用一個(gè)正弦波信號發(fā)生器來代替市電作為輸入，用另一個(gè)方波信號發(fā)生器來代替逆變作為輸入，同時(shí)，在負(fù)載端接一示波器，這樣就能清晰地判斷出是哪個(gè)輸入端為電路輸入信號。

當(dāng)蓄電池為系統(tǒng)供電時(shí)，顯示器顯示方波，如圖2所示。當(dāng)太陽能發(fā)電不足，蓄電池輸出電壓低于10.8 V時(shí)，自動切換電路切換到市電為負(fù)載供電，顯示器顯示正弦波，即如圖3所示。

圖2 顯示電壓波形一

圖3 顯示電壓波形二

4 結(jié)束語

基于戶型光伏發(fā)電與公用電網(wǎng)互補(bǔ)自動切換系統(tǒng)用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，對蓄電池可以起到保護(hù)作用，延長蓄電池的使用壽命，降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本和對環(huán)境二次污染的隱患；解決了太陽能光伏發(fā)電的間歇性問題，保證了生產(chǎn)生活用電的持續(xù)性問題，對推廣太陽能光伏發(fā)電有著積極的作用。

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