太陽能發(fā)電與電網(wǎng)供電系統(tǒng)管理裝置應(yīng)用研究

朱學(xué)莉，開思聰，劉奇特，李長寧

（蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

太陽能發(fā)電與電網(wǎng)供電系統(tǒng)管理裝置應(yīng)用研究

朱學(xué)莉，開思聰，劉奇特，李長寧

（蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009）

為了實現(xiàn)太陽能發(fā)電系統(tǒng)與公用電網(wǎng)對用戶負(fù)載的不間斷供電，文中采取周期采樣、電壓比較的方法，設(shè)計了一種基于Cortex M3的太陽能發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)雙電源自動切換裝置。系統(tǒng)根據(jù)蓄電池的蓄電情況，運用電力電子器件，完成電流形式的轉(zhuǎn)變，自動進(jìn)行供電回路的選擇與切換，保證了供電系統(tǒng)的連續(xù)性。該裝置能夠自動轉(zhuǎn)換供電回路，分時實施“低谷電價”蓄電池充電模式，可大大節(jié)約用戶電費開支，適用于農(nóng)村住宅及城鎮(zhèn)單體建筑，具有廣泛的應(yīng)用空間。

太陽能發(fā)電；不間斷供電；Cortex M3；自動切換裝置

世界性的能源緊缺和環(huán)境問題對人類提出了可持續(xù)發(fā)展的要求，迫使人類加快了尋找綠色能源的步伐。能夠取代傳統(tǒng)能源的綠色能源需要同時符合兩個條件，即資源蘊藏豐富可再生及安全環(huán)保無污染［1］。太陽能發(fā)電以其蘊藏量大、取用簡單無公害的特點得到了人們的廣泛關(guān)注。然而其發(fā)電能力受環(huán)境因素影響，具有間歇性、不獨立性、不能全天滿足用戶工作及生活的需求。在該領(lǐng)域中，研究人員做了大量工作。文獻(xiàn)［2］設(shè)計了一種CPLDEMP1270為核心的切換系統(tǒng)。文獻(xiàn)［3］設(shè)計了一種光伏發(fā)電與市電互補系統(tǒng)。文中針對太陽能發(fā)電的不連續(xù)性，設(shè)計了一種雙電源自動管理裝置，裝置采用Cortex M3作為控制芯片，該芯片較MCS51、CPLD等芯片具有低功耗、低成本、高性能優(yōu)勢，支持移植μC/OS-II系統(tǒng)。μC/OS-II運行優(yōu)先級最高的任務(wù)，大大提高了處理器的運行效率。筆者依據(jù)“分時用電，削峰填谷”的思想，設(shè)計了蓄電池低谷時段充電回路，充分利用電網(wǎng)谷時電能，以減少用戶電費開支；利用發(fā)光二極管指示當(dāng)前工作回路種類，液晶顯示屏顯示當(dāng)前回路電壓、頻率等運行參數(shù)，用戶可十分方便地判斷光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)［4］。

1　雙電源切換裝置總體方案

1.1系統(tǒng)構(gòu)架

太陽能發(fā)電與電網(wǎng)供電系統(tǒng)切換裝置由檢測控制模塊、低谷時段充電回路、逆變升壓電路和光伏發(fā)電回路組成，其原理如圖1所示。檢測控制模塊檢測蓄電池電壓，控制固態(tài)繼電器選擇供電回路，根據(jù)工作時段，控制充電回路的通斷。光伏發(fā)電回路由光伏陣列、蓄電池組、逆變升壓電路組成［2］。光伏陣列采用單晶硅太陽能電池板，相對于多晶硅和非晶態(tài)硅，單晶硅的變換效率高達(dá)20%，單塊電池板尺寸為536 mm×477 mm×28 mm，峰值電壓為17.5 V。當(dāng)太陽能輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度為定值時，光伏陣列在不同輸出電壓下工作，當(dāng)輸出電壓值為某一具體值時，輸出功率會出現(xiàn)最大值，此時光伏陣列的工作點被稱為最大功率點。為提高光電轉(zhuǎn)換效率，需要根據(jù)實際情況對工作點實時調(diào)整，使其始終保持在最大功率點附近工作。由上可知，蓄電池是光伏發(fā)電與電網(wǎng)供電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，用來存儲太陽能電池板產(chǎn)生的電能并向負(fù)載電路提供電能［3］。蓄電池容量計算公式［4］

式中，C為蓄電池容量，A·h；D為最長無日照時間，h；F為放電效率修正系數(shù)；P0為平均容量，kW；L為電池的保養(yǎng)維護(hù)率；U為蓄電池放電深度；Ka為交流回路損失率。

圖1　切換裝置原理圖

1.2節(jié)電策略

光照強(qiáng)度不足時，光伏系統(tǒng)無法發(fā)電，系統(tǒng)具有不連續(xù)性。系統(tǒng)采用“分時電價”的用電管理策略［5］，即在綜合考慮用戶用電需求和電網(wǎng)負(fù)荷水平的基礎(chǔ)上，以削峰填谷為目標(biāo)，在用電低谷時期，將蓄電池作為負(fù)載，在谷電價時段對蓄電池充電。

以蘇州為例，民用分時電價的時段劃分為：8∶00—21∶00期間執(zhí)行高峰電價（0.558 3元/kW·h），21∶00—次日8∶00期間執(zhí)行低谷電價（0.358 3元/kW·h）。在該項目中，當(dāng)蓄電池電量不足時，由公用電網(wǎng)向用戶負(fù)載供電，并在低谷電價時段通過切換裝置進(jìn)行節(jié)電管理，即接通充電回路為蓄電池充電。依此方式，蓄電池在低電價時段蓄電，在高電價時段向負(fù)載供電，可大大減少用戶的電費支出。另一方面，由于蓄電池在系統(tǒng)工作時需要頻繁充放電，存在電能損耗、使用壽命縮短的問題。為解決此問題，需削減傳遞過程中的循環(huán)能量，系統(tǒng)在蓄電池供電端設(shè)置雙DC/DC變換器，其作用是進(jìn)行能量調(diào)控，方便調(diào)節(jié)蓄電池和直流母線之間的能量流動［6］，有效降低電能損耗，提高蓄電池的使用壽命。

2　硬件設(shè)計

2.1整流降壓電路

公用電網(wǎng)交流電經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟?，在低谷電價時段為蓄電池充電，當(dāng)光照強(qiáng)度不足時，蓄電池仍能為用戶提供電能，實現(xiàn)了系統(tǒng)的連續(xù)供電。當(dāng)三相橋式全控整流電路合閘啟動或電流斷續(xù)時，為使電路工作正常，采用雙脈沖觸發(fā)方式確保同時導(dǎo)通的兩個晶閘管均有脈沖，該觸發(fā)方式要求的觸發(fā)電路輸出功率小，能夠產(chǎn)生較陡的脈沖前沿［7］。

2.2逆變升壓電路

光伏陣列產(chǎn)生的直流電經(jīng)過逆變器變換為交流電后，方能滿足生產(chǎn)、生活的需要。項目研究采用逆變電路與升壓電路相結(jié)合的設(shè)計思路，以減少電流傳輸中的損耗。設(shè)計思路是先將低電壓直流電轉(zhuǎn)換為低電壓交流電，再變換為高電壓交流電。輸出交流電流的基波有效值IUI和直流電流Id的關(guān)系［8］

圖2　逆變升壓電路圖

圖3　檢測控制電路原理圖

逆變電路設(shè)計中，在交流側(cè)設(shè)置串聯(lián)電容，以吸收電路換流時負(fù)載電感中存儲的能量，這種形式為電流型逆變電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3檢測控制電路

檢測控制電路采用Cortex M3處理器，主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809、Cortex M3、固態(tài)繼電器組成，電路如圖3所示?？刂齐娐饭ぷ髟頌椋篈DC0809芯片接收來自蓄電池的電壓后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號［9］，經(jīng)由8路并行通道傳輸給Cortex M3芯片；Cortex M3芯片將接收到的數(shù)字信號與預(yù)先設(shè)定的電壓閾值進(jìn)行比較，若電壓值符合標(biāo)準(zhǔn)則接通固態(tài)繼電器B，由蓄電池向用戶負(fù)載供電，否則接通固態(tài)繼電器A由公用電網(wǎng)向用戶負(fù)載供電。電阻的阻值為1 kΩ，用來實現(xiàn)阻抗匹配，減少非線性阻抗對電壓信號傳輸?shù)挠绊懀辉诶^電器B斷開的情況下作為蓄電池的負(fù)載，防止燒壞芯片。ADC0809芯片為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其工作原理是將接收到的電壓值轉(zhuǎn)換為由8位數(shù)表示的二進(jìn)制數(shù)。模塊中的固態(tài)繼電器選用電流型，只有通路和斷路兩種狀態(tài)為常開觸點，僅在有足夠的電流流過時，其觸點才會閉合形成通路。固態(tài)繼電器A控制公用電網(wǎng)和用戶負(fù)載之間的線路；固態(tài)繼電器B控制蓄電池與用戶負(fù)載之間的電路。兩固態(tài)繼電器一直處于一開一閉的狀態(tài)，既保證了用戶負(fù)載的不間斷供電，也避免了蓄電池和公用電網(wǎng)同時對用戶負(fù)載進(jìn)行供電。

3　軟件設(shè)計

3.1信號取樣算法

光伏陣列產(chǎn)生的電能使用前需檢測電壓幅值，判斷其是否符合供電要求。電壓檢測電路實時檢測蓄電池輸出的直流電壓，兩個反向放大電路串聯(lián)無失真地按比例降低輸入電壓，閉環(huán)電壓增益可由下得

式中，R1、R2根據(jù)蓄電池輸出電壓與3.6 V的比值確定。直流電壓信號經(jīng)過反向放大電路接入Cortex M3的PC0引腳，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換發(fā)送傳輸命令至ADC控制寄存器1（ADC_CR1），將其與設(shè)置的有效電壓值范圍比較。若滿足輸出條件，則將光伏陣列產(chǎn)生的電能送至逆變升壓電路中，并在控制器的液晶顯示屏中顯示升壓后的電壓值；若不滿足，則將供電回路切換至公共電網(wǎng)。

公共電網(wǎng)頻率為50 Hz，項目設(shè)置電壓采樣周期為5 ms。每5 ms單片機(jī)需對I/O口輸入的電壓信號進(jìn)行檢測，公共電網(wǎng)10 ms中會出現(xiàn)峰值或谷值，5 ms采樣周期可保證采樣值有效且具有普遍性，電壓檢測部分軟件流程圖如圖4所示。

3.2時鐘與復(fù)位設(shè)計

Cortex M3內(nèi)部集成了實時時鐘控制器模塊（RTC）［10］，使其擁有較強(qiáng)的抗干擾能力，并可作為時鐘系統(tǒng)使用。無需再使用外圍時鐘芯片即可構(gòu)建實時系統(tǒng)。裝置需判斷實時時間來控制蓄電池充放電狀態(tài)，當(dāng)電網(wǎng)處于谷電價時段時，控制器通過固態(tài)繼電器將供電回路切換為充電回路。在RTC核心的時鐘周期內(nèi)，更改RTC計數(shù)器前需設(shè)置RTC秒標(biāo)志（SECF），在計數(shù)器到達(dá)0x0000之前最后一個RTC時鐘周期中，需設(shè)置RTC溢出標(biāo)志（OWF），在計數(shù)器值到達(dá)鬧鐘計數(shù)器值加1前的RTC時鐘周期中，需設(shè)置RTC_Alarm和RTC鬧鐘標(biāo)志（ALRF）。

系統(tǒng)運行中，電源波動、電磁波輻射等干擾易導(dǎo)致處理器死機(jī)、程序運行錯誤等故障，造成控制模塊不工作或誤動作。RTC模塊寄存器在單片機(jī)掉電的前提下，引腳上電將引發(fā)備份區(qū)域復(fù)位或采用軟件復(fù)位的方式，備份區(qū)域復(fù)位可由設(shè)置備份區(qū)域控制寄存器（RCC_BDCR）中的BDRST位產(chǎn)生，BDRST置1，復(fù)位后芯片重新開始運行，監(jiān)測電源狀態(tài)。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

4　實驗結(jié)果分析

該項目所研制的太陽能與公共電網(wǎng)管理裝置的核心模塊為低谷電價充電控制、雙電源供電控制兩部分。實驗結(jié)果表明，文中設(shè)計的雙電源管理裝置能夠有效地完成蓄電池電壓信號的采集及模擬信號的轉(zhuǎn)換。公用電網(wǎng)為對稱三相交流電，光伏發(fā)電經(jīng)過逆變之后的電壓信號波形與公用電網(wǎng)電壓信號波形比較，雖然噪聲較多，但是波形形狀與正弦信號十分相近，能夠保證用戶負(fù)載的正常運行，其電壓信號如圖5所示。此外，Cortex M3芯片能夠?qū)崟r將蓄電池電壓與設(shè)定值進(jìn)行比較，并對固態(tài)繼電器A、B輸出相應(yīng)的信號，控制公用時段充電；在高峰電價時段斷開充電回路，在低谷電價時段接通充電回路進(jìn)行充電。該裝置可以根據(jù)設(shè)定參數(shù)完成公用電網(wǎng)和蓄電池對于用戶負(fù)載的供電電路的自動切換，并完成峰電價期和谷電價時段蓄電池充電電路的節(jié)電管理，裝置核心部分的硬件如圖6所示。

圖5　光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓波形圖　

圖6　切換裝置核心部分實物圖

5　結(jié)語

文中從硬件電路、軟件編程兩方面介紹了太陽能發(fā)電與公共電網(wǎng)供電系統(tǒng)管理裝置的實現(xiàn)方法，解決了光伏發(fā)電系統(tǒng)供電的不連續(xù)性問題。所提出的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池充放電的分時用電模式，可大大減少用戶電費開支。實驗結(jié)果表明，該文設(shè)計的雙電源自動切換裝置能夠?qū)崟r檢測電源是否發(fā)生過壓、欠壓等故障，判斷用電時段并準(zhǔn)確切換兩路電源，同時谷電價充電方式可以有效地減輕公共電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，特別適合在農(nóng)村住宅及城鎮(zhèn)單體建筑中推廣，具有較高的工程應(yīng)用價值。

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責(zé)任編輯：艾淑艷

Research on the management device application of solar power generation and grid power supply system

ZHU Xueli，KAI Sicong，LIU Qite，LI Changning
（School of Electronic&Information Engineering，SUST，Suzhou 215009，China）

In order to achieve the uninterrupted power supply of solar power system and public power grid to customers，we have designed an automatic switch device of solar power generation system and public power grid system based on Cortex M3 using periodically sampling and voltage comparison method.The device system provides time division accounting mode of battery charging.It can greatly save electric charge and be suitable for rural residential buildings and individual ones in cities and towns.The system can be applied to many occasions.

solar power generation；uninterrupted power supply；Cortex M3；automatic switch device

TP273

A

1672-0687（2016）03-0044-04

2016-04-14

國家自然科學(xué)基金資助項目（51375323）；江蘇省建設(shè)系統(tǒng)科技項目（2013ZD47）

朱學(xué)莉（1955-），女，江蘇贛榆人，教授，博士，研究方向：建筑節(jié)能，控制理論及應(yīng)用。