太阳能发电与电网供电系统管理装置应用研究

朱学莉，开思聪，刘奇特，李长宁

（苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009）

太阳能发电与电网供电系统管理装置应用研究

朱学莉，开思聪，刘奇特，李长宁

（苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州 215009）

为了实现太阳能发电系统与公用电网对用户负载的不间断供电，文中采取周期采样、电压比较的方法，设计了一种基于Cortex M3的太阳能发电系统与公共电网双电源自动切换装置。系统根据蓄电池的蓄电情况，运用电力电子器件，完成电流形式的转变，自动进行供电回路的选择与切换，保证了供电系统的连续性。该装置能够自动转换供电回路，分时实施“低谷电价”蓄电池充电模式，可大大节约用户电费开支，适用于农村住宅及城镇单体建筑，具有广泛的应用空间。

太阳能发电；不间断供电；Cortex M3；自动切换装置

世界性的能源紧缺和环境问题对人类提出了可持续发展的要求，迫使人类加快了寻找绿色能源的步伐。能够取代传统能源的绿色能源需要同时符合两个条件，即资源蕴藏丰富可再生及安全环保无污染［1］。太阳能发电以其蕴藏量大、取用简单无公害的特点得到了人们的广泛关注。然而其发电能力受环境因素影响，具有间歇性、不独立性、不能全天满足用户工作及生活的需求。在该领域中，研究人员做了大量工作。文献［2］设计了一种CPLDEMP1270为核心的切换系统。文献［3］设计了一种光伏发电与市电互补系统。文中针对太阳能发电的不连续性，设计了一种双电源自动管理装置，装置采用Cortex M3作为控制芯片，该芯片较MCS51、CPLD等芯片具有低功耗、低成本、高性能优势，支持移植μC/OS-II系统。μC/OS-II运行优先级最高的任务，大大提高了处理器的运行效率。笔者依据“分时用电，削峰填谷”的思想，设计了蓄电池低谷时段充电回路，充分利用电网谷时电能，以减少用户电费开支；利用发光二极管指示当前工作回路种类，液晶显示屏显示当前回路电压、频率等运行参数，用户可十分方便地判断光伏系统的工作状态［4］。

1　双电源切换装置总体方案

1.1系统构架

太阳能发电与电网供电系统切换装置由检测控制模块、低谷时段充电回路、逆变升压电路和光伏发电回路组成，其原理如图1所示。检测控制模块检测蓄电池电压，控制固态继电器选择供电回路，根据工作时段，控制充电回路的通断。光伏发电回路由光伏阵列、蓄电池组、逆变升压电路组成［2］。光伏阵列采用单晶硅太阳能电池板，相对于多晶硅和非晶态硅，单晶硅的变换效率高达20%，单块电池板尺寸为536 mm×477 mm×28 mm，峰值电压为17.5 V。当太阳能辐射强度和环境温度为定值时，光伏阵列在不同输出电压下工作，当输出电压值为某一具体值时，输出功率会出现最大值，此时光伏阵列的工作点被称为最大功率点。为提高光电转换效率，需要根据实际情况对工作点实时调整，使其始终保持在最大功率点附近工作。由上可知，蓄电池是光伏发电与电网供电系统中的关键设备，用来存储太阳能电池板产生的电能并向负载电路提供电能［3］。蓄电池容量计算公式［4］

式中，C为蓄电池容量，A·h；D为最长无日照时间，h；F为放电效率修正系数；P0为平均容量，kW；L为电池的保养维护率；U为蓄电池放电深度；Ka为交流回路损失率。

图1　切换装置原理图

1.2节电策略

光照强度不足时，光伏系统无法发电，系统具有不连续性。系统采用“分时电价”的用电管理策略［5］，即在综合考虑用户用电需求和电网负荷水平的基础上，以削峰填谷为目标，在用电低谷时期，将蓄电池作为负载，在谷电价时段对蓄电池充电。

以苏州为例，民用分时电价的时段划分为：8∶00—21∶00期间执行高峰电价（0.558 3元/kW·h），21∶00—次日8∶00期间执行低谷电价（0.358 3元/kW·h）。在该项目中，当蓄电池电量不足时，由公用电网向用户负载供电，并在低谷电价时段通过切换装置进行节电管理，即接通充电回路为蓄电池充电。依此方式，蓄电池在低电价时段蓄电，在高电价时段向负载供电，可大大减少用户的电费支出。另一方面，由于蓄电池在系统工作时需要频繁充放电，存在电能损耗、使用寿命缩短的问题。为解决此问题，需削减传递过程中的循环能量，系统在蓄电池供电端设置双DC/DC变换器，其作用是进行能量调控，方便调节蓄电池和直流母线之间的能量流动［6］，有效降低电能损耗，提高蓄电池的使用寿命。

2　硬件设计

2.1整流降压电路

公用电网交流电经整流后变为直流电，在低谷电价时段为蓄电池充电，当光照强度不足时，蓄电池仍能为用户提供电能，实现了系统的连续供电。当三相桥式全控整流电路合闸启动或电流断续时，为使电路工作正常，采用双脉冲触发方式确保同时导通的两个晶闸管均有脉冲，该触发方式要求的触发电路输出功率小，能够产生较陡的脉冲前沿［7］。

2.2逆变升压电路

光伏阵列产生的直流电经过逆变器变换为交流电后，方能满足生产、生活的需要。项目研究采用逆变电路与升压电路相结合的设计思路，以减少电流传输中的损耗。设计思路是先将低电压直流电转换为低电压交流电，再变换为高电压交流电。输出交流电流的基波有效值IUI和直流电流Id的关系［8］

图2　逆变升压电路图

图3　检测控制电路原理图

逆变电路设计中，在交流侧设置串联电容，以吸收电路换流时负载电感中存储的能量，这种形式为电流型逆变电路，其电路结构如图2所示。

2.3检测控制电路

检测控制电路采用Cortex M3处理器，主要由模数转换芯片ADC0809、Cortex M3、固态继电器组成，电路如图3所示。控制电路工作原理为：ADC0809芯片接收来自蓄电池的电压后将其转换为数字信号［9］，经由8路并行通道传输给Cortex M3芯片；Cortex M3芯片将接收到的数字信号与预先设定的电压阈值进行比较，若电压值符合标准则接通固态继电器B，由蓄电池向用户负载供电，否则接通固态继电器A由公用电网向用户负载供电。电阻的阻值为1 kΩ，用来实现阻抗匹配，减少非线性阻抗对电压信号传输的影响；在继电器B断开的情况下作为蓄电池的负载，防止烧坏芯片。ADC0809芯片为模数转换芯片，其工作原理是将接收到的电压值转换为由8位数表示的二进制数。模块中的固态继电器选用电流型，只有通路和断路两种状态为常开触点，仅在有足够的电流流过时，其触点才会闭合形成通路。固态继电器A控制公用电网和用户负载之间的线路；固态继电器B控制蓄电池与用户负载之间的电路。两固态继电器一直处于一开一闭的状态，既保证了用户负载的不间断供电，也避免了蓄电池和公用电网同时对用户负载进行供电。

3　软件设计

3.1信号取样算法

光伏阵列产生的电能使用前需检测电压幅值，判断其是否符合供电要求。电压检测电路实时检测蓄电池输出的直流电压，两个反向放大电路串联无失真地按比例降低输入电压，闭环电压增益可由下得

式中，R1、R2根据蓄电池输出电压与3.6 V的比值确定。直流电压信号经过反向放大电路接入Cortex M3的PC0引脚，经A/D转换发送传输命令至ADC控制寄存器1（ADC_CR1），将其与设置的有效电压值范围比较。若满足输出条件，则将光伏阵列产生的电能送至逆变升压电路中，并在控制器的液晶显示屏中显示升压后的电压值；若不满足，则将供电回路切换至公共电网。

公共电网频率为50 Hz，项目设置电压采样周期为5 ms。每5 ms单片机需对I/O口输入的电压信号进行检测，公共电网10 ms中会出现峰值或谷值，5 ms采样周期可保证采样值有效且具有普遍性，电压检测部分软件流程图如图4所示。

3.2时钟与复位设计

Cortex M3内部集成了实时时钟控制器模块（RTC）［10］，使其拥有较强的抗干扰能力，并可作为时钟系统使用。无需再使用外围时钟芯片即可构建实时系统。装置需判断实时时间来控制蓄电池充放电状态，当电网处于谷电价时段时，控制器通过固态继电器将供电回路切换为充电回路。在RTC核心的时钟周期内，更改RTC计数器前需设置RTC秒标志（SECF），在计数器到达0x0000之前最后一个RTC时钟周期中，需设置RTC溢出标志（OWF），在计数器值到达闹钟计数器值加1前的RTC时钟周期中，需设置RTC_Alarm和RTC闹钟标志（ALRF）。

系统运行中，电源波动、电磁波辐射等干扰易导致处理器死机、程序运行错误等故障，造成控制模块不工作或误动作。RTC模块寄存器在单片机掉电的前提下，引脚上电将引发备份区域复位或采用软件复位的方式，备份区域复位可由设置备份区域控制寄存器（RCC_BDCR）中的BDRST位产生，BDRST置1，复位后芯片重新开始运行，监测电源状态。

图4　系统软件流程图

4　实验结果分析

该项目所研制的太阳能与公共电网管理装置的核心模块为低谷电价充电控制、双电源供电控制两部分。实验结果表明，文中设计的双电源管理装置能够有效地完成蓄电池电压信号的采集及模拟信号的转换。公用电网为对称三相交流电，光伏发电经过逆变之后的电压信号波形与公用电网电压信号波形比较，虽然噪声较多，但是波形形状与正弦信号十分相近，能够保证用户负载的正常运行，其电压信号如图5所示。此外，Cortex M3芯片能够实时将蓄电池电压与设定值进行比较，并对固态继电器A、B输出相应的信号，控制公用时段充电；在高峰电价时段断开充电回路，在低谷电价时段接通充电回路进行充电。该装置可以根据设定参数完成公用电网和蓄电池对于用户负载的供电电路的自动切换，并完成峰电价期和谷电价时段蓄电池充电电路的节电管理，装置核心部分的硬件如图6所示。

图5　光伏发电系统电压波形图　

图6　切换装置核心部分实物图

5　结语

文中从硬件电路、软件编程两方面介绍了太阳能发电与公共电网供电系统管理装置的实现方法，解决了光伏发电系统供电的不连续性问题。所提出的太阳能光伏发电系统中蓄电池充放电的分时用电模式，可大大减少用户电费开支。实验结果表明，该文设计的双电源自动切换装置能够实时检测电源是否发生过压、欠压等故障，判断用电时段并准确切换两路电源，同时谷电价充电方式可以有效地减轻公共电网的负担，特别适合在农村住宅及城镇单体建筑中推广，具有较高的工程应用价值。

［1］刘星月，吴红斌.太阳能综合利用的冷热电联供系统控制策略和运行优化［J］.电力系统自动化，2015，39（12）：1-6.

［2］蒋亚，蒋明华，于虹.双电源智能转换控制器设计［J］.机械工程与自动化，2014（3）：146-148.

［3］郑超，林俊杰，赵健，等.规模化光伏并网系统暂态功率特性及电压控制［J］.中国电机工程学报，2015，35（5）：1059-1071.

［4］丁明，田龙刚，潘浩，等.交直流混合微电网运行控制策略研究［J］.电力系统保护与控制，2015，43（9）：1-8.

［5］刘晓琳，王兆杰，高峰，等.分时电价下的高耗能企业发用电响应［J］.电力系统自动化，2014，38（8）：41-49.

［6］赵敬，李田泽，韩涛，等.蓄电池充放电的双向DC/DC变换器研究［J］.电源技术，2014，38（5）：20-26.

［7］雍静，徐欣，曾礼强，等.低压直流供电系统研究综述［J］.电源技术应用，2014，40（8）：878-880.

［8］王兆安，刘进军.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2014：71-72，106-108.

［9］杨仲江，姜苏，李鹏飞，等.基于ARM控制器的智能雷电检测系统设计［J］.电子技术应用，2014，40（8）：20-26.

［10］赵巧妮.基于Proteus仿真软件的DVM电路的仿真与设计［J］.电子测试，2016（9）：3-5.

责任编辑：艾淑艳

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

国家自然科学基金资助项目（51375323）；江苏省建设系统科技项目（2013ZD47）

朱学莉（1955-），女，江苏赣榆人，教授，博士，研究方向：建筑节能，控制理论及应用。