獨立運行的家用光伏儲能系統的設計和運行

葉莎，方鑫

(三峽大學，湖北 宜昌 443002)

獨立運行的家用光伏儲能系統的設計和運行

葉莎，方鑫

(三峽大學，湖北 宜昌 443002)

本文旨在保證光伏儲能系統在白天和夜晚的發電量能達到家用電器的的電力需求量，高達2kW(230V)。這個光伏儲能是由集成PV陣列、變換器、LC濾波器以及儲能電池和儲能電池的充電控制器構成的。該系統是基于評估白天和夜晚的電能需求量和負載曲線而設計出來的。在白天，從PV陣列中發出的電能供給電池和負載使用；在夜晚，則由電池給負載供電。通過對該系統的實施運行，記錄下了為不同負載供電情況下的輸出電壓波形。對在白天和夜晚使用濾波器和不使用濾波器的情況下都進行了完整的諧波分析。結果表明，本文所設計的光伏系統完全可以滿足家庭電器在白天和夜晚的用電需求。在不使用LC濾波器的情況下，變換器輸出電壓波形近似于矩形波，在白天和夜晚的總諧波失真值分別是38.85%和41.2%，這超出了IEEE的標準限度。而在加入了濾波器的情況下，變換器輸出的的電壓波形近似于正弦波，在白天和夜晚的電壓總諧波失真值分別是6.85%和7.2%，這符合IEEE諧波失真應在低壓級別(不超過2.3kV)的標準。

充電調節器；諧波；推挽式變換器；PV陣列

1 引言

獨立運行的光伏系統一般都建立在比較偏僻的地區，那些沒有大電網或者很難甚至不可能有其他任何能源供應的地方。在可靠性、使用壽命和運行成本上沒有任何能源系統能替代光伏發電系統。

伴隨著人口數量的持續增長，居民用電需求也隨之增大，太陽能作為一種可再生綠色健康的能源，使其成為獨立運行的電力系統的首選能源。

文獻[7]提出了一種2kW的獨立運行光伏系統，該家用光伏系統是由PV陣列、變換器和濾波器組成的。光伏陣列是由集成模塊向南傾斜15°安裝在屋頂上的。

本文旨在保證所設計的光伏儲能系統在白天和夜晚的發電量能達到家用電器的的電力需求量，高達2kW(230V)。這些家用電器包括住宅里的電冰箱(200W)、洗衣機(500W)、電風扇(500W)、電視機(300W)和電燈(450W)。所選的住宅有三個房間分別是客廳、浴室和廚房，總面積一共有175m2。通過對已經實施的光伏系統和儲能電池以及充電調節器的集成化來達到滿足家用電力需求量。該系統是基于評估白天和夜晚的電能需求量和負載曲線而設計出來的。通過對該系統的實施運行，記錄下了為不同負載供電情況下的輸出電壓波形。對在白天和夜晚使用濾波器和不使用濾波器的情況下都進行了完整的諧波分析。

圖1 獨立運行的家用光伏儲能系統

2 家用光伏儲能系統的說明與建立

2.1 PV模塊

上圖所示的PV陣列是由十八個光伏模塊組成，文獻[7]中已經給出了該PV模塊的I-V和P-V曲線圖，在PV模塊的數據表中得到，每個小模塊的開路電壓和短路電流分別約為44.4V和5.4A，而相應的實驗值分別為開路電壓41V，短路電流5A。數據表中的數據是在理想化的條件下得到的，沒有考慮氣候條件的影響，因此，與具體實驗得到的數據會有差別。在PV模塊的數據表中最大功率時的功率為175W，電壓為35V，電流為5A；對應的真實測量數據最大功率時的功率為110W，電壓為30V，電流為3.7A。標準數據表中的數據與測量數據的區別同樣也是由于前者忽略了氣候條件的影響所導致的。因此，18個模塊通過串并聯能夠滿足負載的電力需求和系統的能量損失。向充電調節器輸入的電壓應該低于100V，因此，PV陣列由9條支路并聯組成，每條支路連接兩個串聯的模塊。在此基礎上，PV陣列的輸出電流為45A(9*5=45A)，輸出電壓為70V(2*35=70V)。

2.2 屋頂和樓下的連接板

安裝在屋頂上連接PV模塊的電纜連接了兩個短路器，對系統起到了保護作用。PV模塊通過兩組進行連接，第一組是由十個模塊分5條支路并聯組成，每條支路連接兩個串聯的模塊。第二組是由8個模塊分4條支路并聯而成，每條支路連接兩個串聯的模塊。每一組通過兩條單磁心的電纜(1*25mm2)穿過兩個短路器連接到樓下的主面板。這兩個短路器是用來保護的，一個短路器在屋頂上的電纜那一端，另一個是在樓下電纜的那一段。

2.3 充電調節器單元

充電調節器的作用是監視電池的充電狀態，控制充電過程。它通過連接和斷開負載來充分利用電池并延長電池的壽命。

充電調節器是一種帶有微處理器的智能的充電調節器，這種微處理器有調節、控制和繪圖的功能。主要的能量轉換元件是由低能耗、壽命長的MOSFET組成的，它擁有極好的導電性，因此在充電調節器中只有極少的熱量產生。

2.4 儲能電池

獨立運行的光伏系統需要儲存能量，以保證在太陽光照射不足的情況下能給負載供電，例如在晚上和多云的天氣則需要通過儲能系統來提供電能。傳統的電池由于其直流特性能直接與PV發電端直接相連，而不需要轉換PV發電端所提供的能量，這使得傳統的電池成為PV發電系統最常用的電池。在電池的數量選擇上應該保證其能滿足家庭在晚上負載用電需求(最少10個小時)。每個電池的規格是根據每天的電能需求量來定的，電池規格為12V，230Ah。圖一中的系統使用的是蓄電池，一共有12個，通過3條支路并聯連接，每條支路連接4個串聯的電池，從儲能電池末端輸出的總電壓為48V。

2.5 逆變器和LC濾波器

逆變器將充電調節器中48～60V的直流電壓轉換為50Hz的交流電壓，在通過中心抽頭的變壓器將電壓升高到230V。如圖2所示，通過PIC微控制器產生5V的脈沖，再通過TLP250光耦合器放大脈沖來觸發變換器的開關SW1和SW2。圖2所示逆變器中的開關選用的是MOSFET(IRFP250M)。它們產生正的或負的輸出電壓波形。圖中100Ω的電阻是通過限制PIC微控制器的電流消耗來對其進行保護的。

推挽式變換器通過LC濾波器濾波得到一個正弦波的輸出。為了消除高頻率的開關紋波，則需要濾波器的截止頻率f0大約為1kHz。并且，特性阻抗要匹配負載阻抗ZL，以阻止涌入濾波電容的電流。有了這兩個條件，濾波元件值(電感L0電容C0)的計算公式如下：

(1)

(2)

得到L0和C0的值分別為68mH和55μF，2kW的逆變器和具有諧波抑制功能的濾波器的設計和實施已經在文獻[7]中寫到。

圖2 帶有中心抽頭變壓器的推挽式逆變器的原理圖

圖3 白天和夜晚的負載功率

圖4 白天和夜晚逆變器輸出電壓

圖5 白天和夜晚逆變器輸出電流

圖6 白天和夜晚PV輸出、充電調節器輸出、逆變器輸入電流

圖7 白天和夜晚電池輸入電流

3 結果和分析

以上設計的家用光伏儲能系統在白天和夜晚可以給負載提供2kW的電能。在白天，由PV陣列輸出的電能給儲能電池和負載供電；在晚上，由儲能電池給負載供電。圖3～圖7給出了負載的輸出電壓、輸出電流以及圖1所示系統的日夜電流曲線。

由圖3可以看出從上午10點到半夜負載消耗功率的變化。在一個周期內的輸出電壓是幾乎不變的，保持在額定電壓220±9%。由圖4可以看出逆變器的輸出電壓符合低壓配電系統的范圍。

圖5顯示了檢測期間負載的輸出電流，之所以輸出電流隨時間的變化而變化，從圖4可以看出是因為輸出電壓幾乎是恒定的。

圖6顯示的是PV輸出電流、充電調節器輸出電流和逆變器輸入電流。從PV模塊中產生的電流隨白天時間的變化曲線非常清晰，由于天氣因素的影響，每個小時的電流都不同。在下午6點，由于沒有有效的太陽輻射，PV模塊的電流降低到0。從圖6可以看出充電調節器電流跟隨PV模塊電流的變化而變化。逆變器輸入電流和輸出電流與負載電流相等。

圖7顯示了電池的輸入電流，它的極性取決于電池的充放電狀態(充電或者放電)。隨著負載消耗功率達到2kW以上(下午兩點時為2W)，由電池放電來彌補不足的PV輸出功率。在晚上，電池給負載提供電能，此時PV模塊的電流下降為0。

圖8和圖9顯示了系統中未使用濾波器的情況下一天的逆變器輸出電壓諧波譜。很顯然，所示波形高度扭曲。總的諧波失真計算如下：

圖8 白天和夜晚不使用濾波器時逆變器輸出電壓波形的諧波譜

圖9 白天和夜晚使用濾波器時逆變器輸出電壓波形的諧波譜

在白天和夜晚逆變器輸出電壓的諧波失真分別為38.85%和41.2%，這超過了標準限制。為了緩和這些諧波，設計了LC濾波器，在前面的文獻[7]中提到了其詳細的說明。

圖10 在白天使用濾波器時逆變器輸出電壓波形的諧波譜

圖11 在使用濾波器時逆變器輸出電壓波形的諧波譜

圖10和圖11顯示了在使用濾波器時白天和晚上逆變器輸出波形的諧波譜。這些波形的諧波失真分別是6.86%和7.2%。根據電力系統中諧波量在IEEE中的標準[11]，諧波失真值根據表1中提供的電壓等級進行分類。

表1 系統電壓對應的諧波失真

由表1可以看出諧波失真值隨系統電壓的增加而減小。隨著最大允許諧波失真值增加到5%以上與當前的諧波失真值(6.86%和7.2%)一致，此時的電壓在2.3kV以下。因此，本文的波形符合IEEE的標準限制。

4 總結

(1)建立了一個由PIC微控制器控制的推挽式逆變器。由于使用LC濾波器時的推挽式逆變器的輸出波形有所改進。

(2)通過使用PV系統，家用電器的電力需求量一天中可以達到2kW。該系統是由集成PV陣列、推挽式逆變器和帶有儲能電池與其充電調節器的濾波器。

(3)負載輸出電壓的波形近似于正弦波，并記下了不同負載的電力需求值。

[1] Egyptian Electricity Holding Company,Annual Report,2010/2011.

[2] 樂江源，謝運祥，冀玉王，等.CCM Buck變換器的精確反饋線性化滑模變結構控制陰[J].華南理工大學學報:自然科學版，2012,40(2):130-135+160.

[3] 樂江源，謝運祥，洪慶祖，等.Boost變換器精確反饋線性化滑模變結構控制[J].中國電機工程學報，2011,31(30):16-23.

[4] 馬奎安.超級電容器儲能系統中雙向DC/DC變換器設計[D].杭州，浙江大學，2010.

[5] 張國駒，唐西勝，周龍，等.基于互補PWM控制的Buck/Boost雙向變換器在超級電容器儲能中的應用.中國電機工程學報，2011,31(6):15-21.

[6] 王成山，李霞林，郭力.基于功率平衡及時滯補償相結合的雙級式變流器協調控制[J].中國電機工程學報，2012,32(25):109-117+16.

[7] M.Abdel-Salam,A.Al-Kousy,A.Ahmed,K.Sayed,M.Mahrous,and M.Abdel-Sater,“Design and implementation of stand-alone residential PV system”,Proceedings of the IEEE Jordan Conf.on Applied Electrical Engineering and Computing Technologies(AEECT),Amman,Jordan,2011:50-55.

[8] Installation and Operation Instruction Manual System Manager for Photovoltaic systems,Power Tarom,at:http://www.solarbazaar.com/menuis/taromtelecommunic ation-hybrid-systems.pdf.

[9] Handbook of Secondary Storage Batteries and charge Regulators in Photovoltaic Systems,Exide Managementand Technology Company,1981.

[10] IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems,IEEE Std519-1992,IEEE,New York,NY,1993.

The Design and Operation of a Dependent Household PV System

YESha，FANXin

(Three Gorges University,Yichang 443002,China)

This paper is aimed at securing the electricdemand of household appliances up to 2 kW at 230 V during day and night hours using photovoltaic(PV)system.This is achieved by integration PV array,inverter,and LC filter with storage batteries and their charge controller.The system design is based on assessing the total electric power demand and the load profile during day and night hours.During day hours,the output from PV array charges the batteries and feed the load.During the night hours,the batteries feed the load.The system has been implemented and the output voltage waveforms have been recorded for different load demand values.A complete harmonic analysis has been done with and without using the filter at day and night hours.The results show that the designed system succeeded in feeding the household appliances during day and night hours.Without using LC filter,the inverter output voltage waveforms are close to be square in waveform with total harmonic distortion(THD)values of 38.85% and 41.2% during day and night hours respectively,which exceeds the IEEE standard limits.By using LC filter,The inverter output voltage waveforms are close to be sinusoidal in waveform with THD values of 6.85% and 7.2% during day and night hours respectively,which match the IEEE standards limits for harmonic distortions in the low voltage class(voltage less than 2.3 kV).

charge regulator;harmonics;push pullinverter;PV array

1004-289X(2016)03-0057-04

TN624

B

2015-12-10

葉莎(1992-)，女，湖北浠水人，碩士研究生，研方向為新能源電力變換技術； 方鑫(1990-)，男，湖北英山人，碩士研究生，研究向為電力電子在電力系統中的應用。