离网光伏发电与市电互补自动切换系统设计

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①作者简介：张光雷（1982，5—），男，汉族，山东菏泽人，硕士，初级实验师，研究方向：仪器科学与技术。

DOI：10.16660/ki.1674-098X.2018.35.062
离网光伏发电与市电互补自动切换系统设计
①
张光雷
(吉林医药学院 吉林吉林 132013)
摘 要：本文设计了一套离网光伏发电与市电互补自动切换的系统。

系统包括离网式光伏发电系统和自动切换系统两部分。

控制系统通过实时检测储能系统两端的电压，把其电压作为系统切换的条件，当电压小于设置的电压阀值时，切换选择电网给负载供电；当电压大于设置的电压阀值时选择使用离网光伏发电系统给负载供电。

通过养生壶加热模拟实验验证此自动切换系统的可行性。

关键词：离网式 光伏发电 切换系统中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)12(b)-0062-02
传统能源的大量使用对环境造成很大污染，还有其不可再生性使其面临资源枯竭，迫切需要使用太阳能光伏能源来解决当前面临的各种问题。

太阳能光伏系统利用光伏板发电，可以减少对环境的污染，实现绿色节能的目的，也实现了能源的可持续利用，缓解能源枯竭对国家发展造成的影响。

当前由于太阳能光伏系统的大量接入电网，造成电网出现很大波动，为了缓解其造成的影响，大力推广离网式光伏发电系统。

本文利用实验室购置的设备，搭建整套离网式光伏发电系统，并配合控制器的使用实现电网供电和光伏发电系统供电的有机结合，达到最大效率利用太阳能这种新能源的目的，并通过实验验证了此控制策略的可行性。

1 自动切换系统设计原则
自动切换系统可以实现离网式光伏发电系统和电网交
流的自动切换，可以达到节能环保的目的，有效利用太阳能光伏新能源；也可以将光伏发电系统作为电网停电时的应急电源使用，保证系统负载的不间断工作，从而起到保护设备的安全可靠运行。

切换系统以储能电池组两端的电压作为切换条件，当储能电池组两端的电压超过48V时，离网式光伏发电系统给负载供电，多余的电量储存在储能电池组中；当储能电池组两端的电压低于44V时，电网交流电给负载供电，电网和光伏阵列给储能电池组充电。

离网式
光伏发电系统是独立光伏发电系统，不回馈电网，整套系统的基准电压是DC48V，光伏控制器、储能电池组和正弦波逆变器均是基于DC48V进行选型和配置的，整套离网式光伏发电系统的负载是交流充电桩，系统要保证交流充电桩正常工作，维持电动汽车充电过程的连续性，最终实现交流充电桩的正常使用。

2 自动切换系统配置
离网式发电系统包括光伏阵列、光伏控制器、储能电池组、正弦波逆变器、电压控制器、计算机和交流充电桩。

光伏阵列是由6块功率为250W的单晶硅太阳能光伏板采用两串三并的形式组合成的。

光伏控制器的系统电压为48V ，最大光伏输入功率为3.2kW。

储能系统是由8块容量为120Ah 的铅酸电池组成的。

正弦波逆变器额定功率是5kW ，输入电压为直流48V ，输出电压为交流220V。

光伏控制器是整套系统中的关键部件，它可以保证光伏板最大功率发电，通过与计算机进行通讯实时显示发电相关参数比如光伏发电功率，储能电池组两端的电压和储能电池组单体电池温度。

储能电池组两端的电压和光伏阵列输出的均为直流电，需要通过正弦波逆变器将直流电逆变为220V交流电，再供给交流充电桩使用。

整个系统的配置示意图如图1所示。

3 自动切换系统的设计
3.1 系统控制电路设计
系统控制采用电池充放电控制器，控制器的端子与储
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能电池组相连接。

充放电控制器的交流电压输入端与电网相连接，交流电压输出端与正弦波逆变器的输入端相连接。

电池充放电控制器可以实时显示储能电池组两端的电压，也可以通过其按键设置切断交流电压输入的最高电压和导通交流电压输入的最低电压。

3.2 切换系统工作原理
系统设计采用stm32单片机为控制核心，储能电池组两端的电压以BJHVS-AS5-05系列，检测的电压范围为-1V 到150V。

传感器输出的是模拟电压信号，跟被测电压Vin 有对应的比例关系，两者之间的对应关系是Vin=（Aout-Aout_0V ）/0.0125，其中Aout_0V为没有接入Vin时的静态电压。

电压采集完成之后可以通过数码管实时显示。

控制器可以设置启动电压和停止电压。

3.3 模拟实验验证
将光伏阵列、储能系统和计算机与光伏控制器相互连接。

正弦波逆变器与储能电池组和交流充电桩连接在一起，储能系统的直流电通过正弦波逆变器逆变后输出给交流充电桩使用，交流充电桩给电动汽车充电。

由于实验条件有限，就用工作电压为220V的养生壶来模拟电动汽车利用光伏充电桩充电的过程。

由于光伏阵列的发电功率为387W小于养生壶的功率800W，所以此时光伏阵列和储能系统一起给养生壶供电。

养生壶加满1.8L温度为8°的凉水，整个加热实验过程持续了13min，最终将水加热到了100℃。

实验过程中光伏板的功率、交流电压及频率和储能系统两端的电压的变化曲线如图2所示。

4 试验结果分析
通过以上曲线可以看出，养生壶烧水的过程中交流电压变化有波动，电压值均大于220V；光伏阵列的发电功率
c)频率 d)储能电池两端的电压
a)交流电压 b)光伏发电功率
图2 电压变化曲线图
没有变化，维持在387W；正弦波逆变器输出的交流电的频率维持在49.83Hz，中间有两次轻微波动；储能系统储能电池两端的电压保持不变维持在53.1V。

实验结果表明构建的光伏交流充电桩硬件系统正常工作持续提供稳定的220V交流电。

5 结语
基于光伏发电的交流充电桩，可以正常运行，通过系统配置的控制器，整个充电过程可以实现光伏发电系统和电网系统的切换，可以很好的协调光伏阵列、储能系统和电网可以为电动汽车充电提供稳定的220V交流电源。

在整个电动汽车充电模拟过程中，整个系统输出的交流电压维持在220V左右，能够满足电动汽车充电使用。

参考文献
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