光伏發電與公用電網互補自動切換系統的研究與設計

李雅麗，薛同蓮

（南通大學杏林學院 理學院，江蘇 南通226007）

0 引 言

世界性的能源緊缺和全球性的環境及氣候變化問題，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、風能、生物質能、水能、地熱能、海洋能等，而太陽能以其儲量巨大、安全、清潔等優勢必將成為21世紀最有希望大規模應用的清潔能源之一。太陽能光伏發電不消耗煤炭、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，對于節能減排、改善生態環境意義重大。太陽能發電是一種間歇性的電源，受到日出和日落、晴天和陰天等環境因素影響，在陰天和雨天因其發電不足，導致不能連續供電，直接影響用戶的生產和生活。為了彌補太陽能發電受環境影響的不足，克服其發電的間歇性，本論文設計了一種基于戶型光伏發電與公用電網互補自動切換系統，使太陽能光伏發電成為公用電網的有效組成部分。本系統由信號比較和開關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，當檢測到蓄電池的輸出電壓低于最低工作電壓，系統就自動切換到公用電網，由公用電網供電；當檢測到蓄電池的輸出電壓高于或等于最低工作電壓時，系統就自動切換到太陽能發電系統，由太陽能發電供電。

1 太陽能光伏發電系統

1.1 太陽能光伏發電系統的組成

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

1.2 光伏發電系統分類

光伏發電按照與電力系統的關系可分類為：獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統。獨立光伏供電系統中光伏陣列產生的電能僅供系統內的負荷所用，不與外界供電網絡相連。并網光伏發電系統是光伏陣列產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電之后直接接入市電網絡，并網系統中光伏方陣所產生電力除了供給交流負載外，多余的電力反饋給電網。隨著光伏發電技術的發展，獨立光伏發電系統已經廣泛應用到人們的日常生活當中。

1.3 光伏發電系統中的儲能設備

太陽能發電是一種間歇性的電源，每天24 h，一年365 d，不能全時滿足負荷需求，因此儲能設備是光伏發電系統中的一個必備而且關鍵的設備。在獨立的設備光伏發電系統中，蓄電池一邊儲存太陽能電池板產生的電能，同時又向負載電器提供電能，故蓄電池處于一邊充電一邊放電的動態工作狀態。雖然鉛酸蓄電池的能量密度低，但是它的技術成熟程度和性價比是最高的，因此目前獨立太陽能發電系統的儲能單元主要采用閥控式密封鉛酸蓄電池組。光伏發電是綠色能源，但是鉛酸蓄電池對環境存在污染隱患，所以鉛酸電池的使用壽命顯得至關重要。除環境因素外，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”項目中的家用系統使用的電池只進行20%～30%的放電，蓄電池放電深度達到其滿容量的20%～30%時，就應及時充電或者停止放電，否則會影響蓄電池的壽命。

據此測算，100 Ah／12 V的蓄電池，當放電深度達到20%時，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，表明蓄電池極板硫酸鹽化，不能繼續放電，否則會影響電池的壽命。

2 自動切換系統的設計

2.1 自動切換系統的電路設計

本文設計的基于戶型光伏發電與公用電網互補自動切換系統電路，由信號比較電路和開關控制電路組成，如圖1所示。比較電路是由U1A和U2B兩個運算放大器組成，開關控制電路是由兩個三極管Q1和Q2，兩個二極管D1和D2，兩個繼電器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置為10.8 V，當蓄電池輸出電壓大于10.8 V時，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不導通，繼電器K2沒有電流通過，處于原始狀態，因此，光伏發電系統為家用電器供電；當蓄電池輸出電壓低于10.8 V時，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不導通，繼電器K1沒有電流通過，處于原始狀態。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果，用一個正弦波信號發生器來代替市電作為輸入，用另一個方波信號發生器來代替逆變作為輸入，同時，在負載端接一示波器，這樣就能清晰地判斷出是哪個輸入端為電路輸入信號。

當蓄電池為系統供電時，顯示器顯示方波，如圖2所示。當太陽能發電不足，蓄電池輸出電壓低于10.8 V時，自動切換電路切換到市電為負載供電，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 結束語

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

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