离网型光伏发电系统自动切换装置设计

2015-03-09DesignoftheAutomaticSwitchingDevice

自动化仪表 2015年2期

关键词：宁夏大学市电继电器

Design of the Automatic Switching Device

for Grid-disconnected Photovoltaic Power Generation System

王子文1　徐维昌2　李明滨3　慕　松1　王燕昌4

(宁夏大学机械工程学院1，宁夏银川　750021；宁夏大学数学计算机学院2，宁夏银川　750021；

宁夏大学新能源研究中心3，宁夏银川　750021；宁夏大学物理电气信息学院4，宁夏银川　750021)

离网型光伏发电系统自动切换装置设计

Design of the Automatic Switching Device

for Grid-disconnected Photovoltaic Power Generation System

王子文1徐维昌2李明滨3慕松1王燕昌4

(宁夏大学机械工程学院1，宁夏银川750021；宁夏大学数学计算机学院2，宁夏银川750021；

宁夏大学新能源研究中心3，宁夏银川750021；宁夏大学物理电气信息学院4，宁夏银川750021)

摘要：针对目前光伏发电效率较低，无法完全满足人们对电力需求的现状，提出了市电和光伏发电共同为居民供电的供电方式。考虑到市电和光伏发电供电方式不尽相同，对光伏发电和市电原理进行了系统学习，确定了市电和光伏发电供电方式间切换的可能性。考虑到光伏发电受太阳光照强度、时间等因素影响较大，提出了基于51单片机控制系统的离网光伏发电系统和市电的自动切换控制方式。按照本设计对宁夏大学新能源研究中心2 kW离网发电供电系统进行改造，系统运行效果良好，验证了本设计的正确性及可行性。

关键词：光伏发电自动切换继电器单片机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

当前，人类面临着化石燃料消耗殆尽、环境污染严重等诸多问题，严重影响着人类的可持续发展。在此背景下，太阳能作为一种新型可再生能源，以其洁净无污染、资源丰富等优点受到了全世界各国的广泛关注。其中光伏发电是其主要发展方向[1]。由于太阳光的不稳定性以及时间等因素的限制，光伏发电具有一定程度的不稳定性。

目前,光伏发电的太阳利用效率较低，无法完全满足人们对电力的需求[2]。因此，光伏发电需与市电相结合，共同为用户提供用电，最大限度、最为高效地利用能源。由于光伏发电和市电的电源供应方式并不相同，因此要求在不同的时段进行光伏发电和市电电源供应的切换，避免两种供电方式相冲突，损坏器件。

在此背景下，本文设计了一种基于户型独立光伏发电与市网互补自动无缝切换装置。本设计以单片机作为主控元件，电磁继电器作为执行元件，完成光伏发电和市电的无缝切换。

1自动切换系统设计原则

目前光伏发电中，太阳能利用效率较低，无法一直满足用电设备对电力的需求。另外，由于光伏发电受天气影响较大，在阴天下雨及夜间，光伏发电量较小，在此情况下如继续向用电设备供电，将消耗光伏发电系统内蓄电池的存储电能。如遇到连续阴雨天气，蓄电池极可能过放，将严重影响蓄电池的使用寿命，影响整个光伏发电系统的长期使用[3]。因此,设计要求：在光照条件较好的白天，利用光伏发电系统为用电器提供电力，夜间及光照条件较差的阴雨天气使用市电。另外在市电断电情况下，无论天气情况如何，都应立即启用光伏发电系统。

本设计依托宁夏大学新能源研究中心2 kW小型光伏发电系统，以下所有试验、数据均根据该试验系统所得。

2自动切换系统配置

一般的电路切换由普通开关继电器开关完成。在这种电路切换过程中，开关由一种状态变成另外一种状态，中间有一时间间隙。该时间间隙若大于用电设备复位时间，则会造成用电设备热断电。这将严重损害用电设备的使用寿命,对于检测性仪器，则会影响检测数据的准确性[4]。本设计旨在通过软件和硬件相结合的方法，补偿这一继电器切换时间间隙，完成市电供电电路和太阳能供电电路的无缝切换。宁夏大学新能源研究中心2 kW小型离网型电站光伏系统配置[5]如图1所示。

图1　光伏系统配置图

系统光伏发电部分主要由20块外形尺寸为1 172 mm×660 mm ×35 mm的太阳能光伏板组成，每块光伏板额定发电电压为12 V。其中，每4块太阳能板串联，然后5组太阳能板并联组成光伏阵列。蓄能装置为16块铅酸蓄电池，其中每4块串联，然后4组电池并联。相关元器件主要参数如表1所示。正常工作情况下，该发电系统工作过程为：光伏阵列为蓄电池组充电,当外部交流用电设备开启，蓄电池作为电源，为逆变器提供直流电，直流电经逆变器作用，逆变为用电器使用的220 V交流电[6]。宁夏大学新能源研究中心2 kW小型光伏发电系统用电设备为台式计算机、气象站检测设备等。

表1　主要系统配置参数

3自动切换系统的设计

3.1　切换系统的外围控制电路设计

在本设计中，考虑到硬件执行速度较快、工作稳定性较好、抗干扰能力较强等因素，我们选用继电器(共3种：普通单刀双掷继电器、得电延时时间继电器和失电延时时间继电器)作为市电供电电路和太阳能供电电路无缝切换的外围执行器件。设计外围执行电路接线图如图2所示[7]。

图2　外围控制电路接线图

图2中，K为单刀双掷继电器，KT1为得电延时时间继电器；KT2为失电延时时间继电器。太阳能电源串联K常闭触点，且KT1的常闭触点并联单刀双掷继电器K常闭触点两端；市电串联KT2的常开触点，且KT2常开触点并联继电器K常开触点两端。

当继电器失电时，用电设备由太阳能电源供电；继电器得电时，用电设备由市电供电。当继电器由失电状态变为得电状态时，由于KT1具有得电延时功能，该延时过程便补偿了K切换的时间间隔。当继电器由得电状态变为失电状态时，由于KT2具有失电延时功能，该延时过程同样补偿了K切换的时间间隔。由此理论实现了两种电源的无缝切换。

一般情况下，光伏系统始终有电。若以光伏系统为继电器线圈供电，当市电断电，达到市电供电条件时，由于线圈有电，线圈仍会动作，此时用电设备便会断电。为避免上述情况出现，本设计中所有继电器线圈均由市电供电。由于不同型号的继电器动作时间不同，可根据实际情况设置不同的延时时间。本设计中KT1、KT2延时时间分别设置为0.13 s、0.18 s。

3.2　模糊控制

模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的经验形式化、模糊化，使之成为计算机可以接受的控制模型，由计算机代替人来进行有效的实时控制。模糊控制是基于经验规则的控制，与系统的模型无关，有很好的鲁棒性和控制规则灵活性，控制规则符合人的思维规律[8]。

光伏发电受辐照度、环境温度、风速等多元气象因素的影响较大，其出力具有明显的间歇性和随机波动性，直接影响发电过程中光伏板两极间电压。另外，时间因素也直接影响着天气因素。例如，夜间无光照，且环境温度较低，这段时间内光伏板出力为0，不需要进行频繁的电压检测。

根据以上两点，本设计中模糊控制电源切换系统选用两输入单输出模糊控制器，以光伏板两极间电压和时间作为输入，继电器动作信号为输出。通过隶属函数实现继电器动作信号的模糊化，从而实现继电器的稳定、准确动作。软件控制流程图如图3所示[9]。

图3　控制流程图

本设计选用AT89C52为主控芯片，以PCF8591AD/DA转换芯片采集光伏板两极间电压，采用DS1607时钟芯片确定单片机工作时间段。单个光伏板两极间电压曲线如图4所示。

图4　单个光伏板两极间电压曲线

由图4可知，一组(4块)太阳能电池板冬季正常天气情况下，日间最大电压达到80 V左右，平均每块光伏板两极间电压为20 V，远远大于PCF8591允许电压信号(5 V)。为避免数模转换芯片损坏，需在数模转换芯片采集电压信号前对所采集电压进行降压处理——串联1个20 kΩ可变电阻，取滑动部分压降，滑动部分电阻设为50 Ω[10]。此外，由图4可知，光伏发电过程中出力情况随机性较大，较不稳定，容易对数模转换芯片造成冲击，且外部干扰信号也会对数据采集造成较大影响。为此，需在A/D转换芯片信号输入输出间并联1个30 pF的稳压电容，以稳定电压。

由于数模转换芯片本身原因，当输入稳定电压信号时，其模数转换输出值仍存在较大随机性。如果仅通过少次的数据采集，其输出结果仍存在较大的误差，导致系统误动作。为此，本设计检测过程采用多次测量、取平均值法作为最终检测依据。软件编程中，以6 s为一个扫描周期，每分钟采集一次数据，然后对100组数据求解平均值，以平均值作为判断依据。例如，若平均值大于3 V，说明单块电池板10 min内平均电压大于12 V，此时满足太阳能供电条件；若平均电压小于3 V，则不满足太阳能供电条件。通过试验，在添加滤波电容和以采集电压平均值作为检测依据后，相对于无稳压电容、单次电压采集判断，此方法对数据的判断更为准确，系统运行更加稳定。

考虑到夜间不需采集电压信息，我们设定夜间单片机处于休眠状态，不执行程序扫描和继电器动作。本设计中，增设DS1607时钟芯片，用于提供时间信息。经监测数据分析得，设定早上7点至下午18点时间段内单片机正常工作，其他时间单片机处于休眠状态。

时钟程序的加入，保证了本设计装置在天亮和天黑等临界状态下的正常稳定工作，较好地避免了临界条件下控制系统频繁动作对各元器件的损害，延长了系统的使用寿命，节约了电力资源。

3.3　Proteus模拟仿真

根据控制流程图以及外围控制电路，在Proteus中选取相应元器件或可替代元器件,Proteus仿真原理如图5所示[11]。

图5中，太阳能和市电均由5 V电源替代，以LED晶体管作为负载。为保证晶体管正常工作，在电源线路中串联1个230 Ω的电阻。观察各元器件是否按设定程序动作，以及LED是否正常、稳定工作。经调试，在仿真过程中，向单片机加载程序后，各元器件均按程序设定情况执行动作,说明设计思路、外围控制电路、程序设计均正确，切实可行。

图5　Proteus仿真原理图

当实物制作完成，运用到市电和太阳能电源切换过程中后，系统运行仍不太稳定。经分析，由于所有元器件均置于同一配电柜内，继电器K、KT1、KT2等强干扰源对单片机的正常工作造成极大影响。为保证系统正常工作，我们将弱电部分和强电部分隔离开，并且中间添加一光耦隔离继电器。调整后系统稳定性得到极大提高。使用过程中，计算机、气象检测设备等用电设备工作正常，均未出现断电、重启等现象。系统自安装至今，运行可靠、安全,动作敏捷，适合推广。

4结束语

将离网型光伏发电系统自动切换装置应用到离网型光伏发电系统中，不仅可以充分发挥太阳能和市电在不同时段的优势，并且对蓄电池具有一定保护作用，降低了光伏发电系统的后期维护成本。系统对进一步推广太阳能光伏发电有着积极的作用和重大的意义，具有较大的实用价值。

参考文献

[1] 李雅丽，薛同莲.光伏发电与公用电网互补自动切换系统的研究与设计[J].通信电源技术，2012,29(1)：12-16.

[2] 夏小燕.大范围太阳光线跟踪传感器及跟踪方法的研究[D].南京：河海大学，2007.

[3] 王敏.电动车电池保养六技巧[J].电动自动车，2010(8)：46.

[4] 鲁瑛.电网瞬间断电对用电设备的影响[J].电气工程与自动化，2011(15)：22-23.

[5] 吴小进.光伏阵列及并网逆变器关键技术研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[6] 陈杨波，郑和.离网光伏系统中市电切换的应用[J].机电信息，2009,24:102-103.

[7] 刘金琨.智能控制[M].北京：电子工业出版社(信息与管理工程版)，2011：32-49.

[8] 韩旭同，王中训.高效太阳能发电系统的设计[J].自动化仪表，2013，13(2):52-55.

[9] 张青春.太阳能光伏转换智能控制器的设计[J].仪表技术，2011(4)：1-6.