光伏供电优先的全自动节电器电路设计

科技信息

1、引言

近年来，我国供电紧张的状况日趋明显。光伏发电，提高电网的供电效率越来越受到人们的重视。不少地区为了减小电网供电的峰谷之差，提高供电效率，实行了夜间半价供电的政策，以鼓励用户能够推迟到夜间使用的电器尽量不要在白天使用。可是，像空调、冰箱这样的制冷电器就不可能只是在夜间使用。设想一下，如果我们在阳光照耀的白天使用光伏电，在阴雨连绵的天气，再把夜间的低谷电能储存到白天使用，岂不是完美无缺了吗？但是根据现有技术，让发电厂储存巨大的电能较难实现。光伏发电的并网还在试行阶段。如果我们能把其分散到千家万户进行，光伏电自家发。低谷电自家储，居民用电少花了钱，电网也减小了供电的峰谷差，同时提高了供电效率，这显然是利国又利民的一件大好事。所以，最受欢迎的光伏供电应该是能够全自动地发电、供电、储电及转换。就像电视机、电冰箱一样，接通电源、设定完毕就再也不需人操心了。这也是笔者希望得出的最优化方案。

2、全自动实现方案

实现全自动地光伏供电优先及转换。实质上就是实现：在阳光照耀的白天，利用光伏发电给两组蓄电池充电及对用电器供电，到了夜间，由第一组蓄电池逆变后对用电器供电。次日，如果仍旧阳光照耀，则重复第一天的过程，如果是没有日照的天气，则由第二组蓄电池逆变后对用电器供电。如果是阴雨连绵，到了夜间，利用电网的低谷电再给第二组蓄电池充电及对用电器供电。再到了白天，又自动地切断电网，继续转为由第二组蓄电池逆变后对用电器供电。如果天气转为阳光照耀，电路又转为光伏发电及第一组蓄电池供电。如果是日照时间较短的白天，当第一组蓄电池在次日早上甚至当天夜间供电不足时，电路自动转换为第二组蓄电池供电（白天的峰电时间）或是电网的低谷电供电（夜间的低谷电时间）。不允许电网给第一组蓄电池充电。偶尔，当第二组蓄电池供电也不足时，又能自动地切换为电网供电。但是，在白天的时候也不允许给第二组蓄电池充电（因为这个时候电网提供的是全价电）。上述控制实现了：首先使用光伏电。当光伏电不足时，使用电网的低谷电，几乎不使用电网的高峰电，其控制方案如图1所示。该方案包括了设定及时间控制电路，充电、逆变电路，欠压切换及锁定电路。由时间控制电路根据设定的峰谷电时间去控制KA1-1及KA1-2的通断。由欠压切换电路1根据蓄电池1的端电压高低去控制开关1的通断。由欠压切换电路2根据蓄电池2的端电压高低去控制开关2的通断。当蓄电池1供电不足时，切换为蓄电池2供电，同时启动峰谷电时间控制电路，准备全天候利用低谷电。

图1全自动节电器方框图

3、电路构成

电路原理图如图2所示。由变压器LT，二极管D1～D2，构成12伏充电电路。由集成电路IC2、电阻R5和R6、电容C1和C2等构成逆变电路的振荡电路。调节R5、C1与R6、C2可改变其振荡频率，并可得到所需的脉冲占空比。稳压集成电路IC1及电容C3给振荡电路及欠压转换电路提供9伏稳压电源。由三极管VT3、TV4及电阻R1～R4等构成逆变电路的射极跟随缓冲电路。由VMOS大功率管VT1、VT2及变压器LT等构成逆变电路的功放输出电路。由电阻R12、R13及集成电路IC5、继电器KA3等构成蓄电池1的欠压转换电路。由发光二极管ED2及电阻R11构成蓄电池1的供电转换指示电路；当发光二极管ED2熄灭时，表示蓄电池1供电停止。同时，时间控制电路进入工作状态。此后转换为电网的低谷电对用电器供电（夜间的低谷电时间）或是蓄电池2逆变后对用电器供电（白天的峰电时间）。由VT5及R10构成蓄电池1的欠压转换电路的锁定电路，光伏发电能提供12V电压时，VT5导通。由电阻R8、R9及集成电路IC4、继电器KA2等构成蓄电池2的欠压转换电路。由发光二极管ED1及电阻R7构成蓄电池2的转换指示电路；当发光二极管ED1点亮时，表示第二组蓄电池供电停止，此后是电网对用电器供电。由单片机IC3、电子键盘SB1-7及三极管VT6、继电器KA1等构成峰谷电的时间设定及时间控制电路。由发光二极管ED3及电阻R17构成峰谷电转换指示电路。当发光二极管ED3点亮时，表示是电网的低谷电为用电器供电。

图2全自动节电器电路原理图

4、工作原理

在蓄电池1能提供足够电能的白天及黑夜，或者是在蓄电池2提供电能的白天，逆变电路处于工作状态，给用电器供电。IC2的型号为CD4013，它是CMOS双D触发器，内部有两个完全相同的D触发器。其中一个触发器(1~6脚)构成自激多谐振荡器，振荡频率为100赫。另一个触发器（8~13脚）构成双稳态电路，除完成二分频之外，更重要的是使输出波形的正、负半周宽度相等。CD4013的12、13脚输出相位相反的50赫方波脉冲，经小功率晶体三极管VT3、VT4构成的射极输出器缓冲后，分别作用于VT1、VT2的栅极，使其交替导通，进行功率放大。从而在变压器LT的低压端有交变的电流流过，在高压端就得到了50赫、有效值为220伏的交流电。为保证振荡器的频率稳定，采用7809稳压集成稳压块向CD4013集成电路提供9伏稳定电压。

在夜间，由电网的低谷电给蓄电池2充电时，变压器LT的220V绕组（高压端）作为输入端与电网相接。此时D1、D2起全波整流作用，在和蓄电池相连的两点之间形成约15伏的直流峰值电压给蓄电池2充电。

低功耗单片微处理机IC3，型号为4EC8700，内含中央处理器，算术逻辑单元，输入输出口6个，只读存储器8KB、读写存储器256B，锁存器和电压鉴别器。它仅仅处理与时间有关的数据，可以根据预先设定的时间程序输出高、低电平。经三极管VT6去驱动继电器KA1，控制电网对用电器供电与否。到了夜间的低谷电时间段开始时，它输出高电平。到了低谷电供电结束的时间时（即白天峰电供电开始的时间），它输出低电平。

在阳光照耀的白天，光伏发电装置给两组蓄电池充电，并通过蓄电池1逆变后对用电器供电。在蓄电池1连续提供电能的时间里，由IC5及周围元件组成的欠压转换电路也一直在工作中。蓄电池1的电压为12V时，IC5的3脚输出低电平。继电器KA3得电，KA3-2的常开触点闭合，逆变电路由蓄电池1供电工作。同时，触点KA3-1断开，时间控制电路失控，继电器KA1处于常态。即KA1-1处于断开状态，KA1-2的常闭触点也是处于闭合状态，它们不受时间的控制，从而，逆变电路一直处于工作状态。如果遇到日照时间较短的白天，或者用电量偶然增大，或者次日上午没有日照的天气等，蓄电池1最终不能满足供电时，蓄电池1的端电压必然下降，当其电压下降10%左右时，IC5的3脚输出高电平，继电器KA3断电，触点KA3-1闭合，时间控制电路工作。如果此时是白天的峰电时间，单片机IC3输出低电平，VT6截止，继电器KA1仍处于常态。同时，KA3-2的常开触点断开、常闭触点闭合，逆变电路转为由蓄电池2供电工作。如果此时是夜间的低谷电时间，单片机输出高电平，VT6饱和导通，继电器KA1得电。KA1-2的常闭触点断开，逆变电路停止工作；KA1-1闭合，由电网的谷电给用电器供电。同时KA1-2的常开触点闭合，充电电路处于待工作状态。充电电路是否工作取决于蓄电池2是否需要充电。如果遇到阴雨

光伏供电优先的全自动节电器电路设计

江苏食品职业技术学院机电系张康康高旋石高亮王玉林蔡可健

［摘要］电网在额定负载附近运行时的效率最高。昼夜负载相差较大的电网，存在着很大的节能空间。调节供电负荷，可以提高电网的供电效率。光伏发电受天气的影响，不能全天候供电。本文设计的一种“光伏供电优先的用电调节器”，除了优先使用光伏电之外，还能自动地把夜间的低谷电储存到白天使用，不仅进一步提高了电网的供电效率，而且也为用户节约了电费开支。该电路采用单片机控制，能够全自动地蓄电、供电及欠压切换，达到了智能方案的最优化，实现了真正意义上的“全自动”。

［关键词］节电器单片机光伏电逆变器

充电

作者简介：蔡可健（1959-），男，江苏沛县人，教授，研究员级高级工程师，从事“电工电子”教学及其开发研究，在控制技术方面获专利多项，在（EI）核心期刊发表论文多篇。

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