独立运行的家用光伏储能系统的设计和运行

叶莎，方鑫

(三峡大学，湖北 宜昌 443002)

独立运行的家用光伏储能系统的设计和运行

叶莎，方鑫

(三峡大学，湖北 宜昌 443002)

本文旨在保证光伏储能系统在白天和夜晚的发电量能达到家用电器的的电力需求量，高达2kW(230V)。这个光伏储能是由集成PV阵列、变换器、LC滤波器以及储能电池和储能电池的充电控制器构成的。该系统是基于评估白天和夜晚的电能需求量和负载曲线而设计出来的。在白天，从PV阵列中发出的电能供给电池和负载使用；在夜晚，则由电池给负载供电。通过对该系统的实施运行，记录下了为不同负载供电情况下的输出电压波形。对在白天和夜晚使用滤波器和不使用滤波器的情况下都进行了完整的谐波分析。结果表明，本文所设计的光伏系统完全可以满足家庭电器在白天和夜晚的用电需求。在不使用LC滤波器的情况下，变换器输出电压波形近似于矩形波，在白天和夜晚的总谐波失真值分别是38.85%和41.2%，这超出了IEEE的标准限度。而在加入了滤波器的情况下，变换器输出的的电压波形近似于正弦波，在白天和夜晚的电压总谐波失真值分别是6.85%和7.2%，这符合IEEE谐波失真应在低压级别(不超过2.3kV)的标准。

充电调节器；谐波；推挽式变换器；PV阵列

1 引言

独立运行的光伏系统一般都建立在比较偏僻的地区，那些没有大电网或者很难甚至不可能有其他任何能源供应的地方。在可靠性、使用寿命和运行成本上没有任何能源系统能替代光伏发电系统。

伴随着人口数量的持续增长，居民用电需求也随之增大，太阳能作为一种可再生绿色健康的能源，使其成为独立运行的电力系统的首选能源。

文献[7]提出了一种2kW的独立运行光伏系统，该家用光伏系统是由PV阵列、变换器和滤波器组成的。光伏阵列是由集成模块向南倾斜15°安装在屋顶上的。

本文旨在保证所设计的光伏储能系统在白天和夜晚的发电量能达到家用电器的的电力需求量，高达2kW(230V)。这些家用电器包括住宅里的电冰箱(200W)、洗衣机(500W)、电风扇(500W)、电视机(300W)和电灯(450W)。所选的住宅有三个房间分别是客厅、浴室和厨房，总面积一共有175m2。通过对已经实施的光伏系统和储能电池以及充电调节器的集成化来达到满足家用电力需求量。该系统是基于评估白天和夜晚的电能需求量和负载曲线而设计出来的。通过对该系统的实施运行，记录下了为不同负载供电情况下的输出电压波形。对在白天和夜晚使用滤波器和不使用滤波器的情况下都进行了完整的谐波分析。

图1 独立运行的家用光伏储能系统

2 家用光伏储能系统的说明与建立

2.1 PV模块

上图所示的PV阵列是由十八个光伏模块组成，文献[7]中已经给出了该PV模块的I-V和P-V曲线图，在PV模块的数据表中得到，每个小模块的开路电压和短路电流分别约为44.4V和5.4A，而相应的实验值分别为开路电压41V，短路电流5A。数据表中的数据是在理想化的条件下得到的，没有考虑气候条件的影响，因此，与具体实验得到的数据会有差别。在PV模块的数据表中最大功率时的功率为175W，电压为35V，电流为5A；对应的真实测量数据最大功率时的功率为110W，电压为30V，电流为3.7A。标准数据表中的数据与测量数据的区别同样也是由于前者忽略了气候条件的影响所导致的。因此，18个模块通过串并联能够满足负载的电力需求和系统的能量损失。向充电调节器输入的电压应该低于100V，因此，PV阵列由9条支路并联组成，每条支路连接两个串联的模块。在此基础上，PV阵列的输出电流为45A(9*5=45A)，输出电压为70V(2*35=70V)。

2.2 屋顶和楼下的连接板

安装在屋顶上连接PV模块的电缆连接了两个短路器，对系统起到了保护作用。PV模块通过两组进行连接，第一组是由十个模块分5条支路并联组成，每条支路连接两个串联的模块。第二组是由8个模块分4条支路并联而成，每条支路连接两个串联的模块。每一组通过两条单磁心的电缆(1*25mm2)穿过两个短路器连接到楼下的主面板。这两个短路器是用来保护的，一个短路器在屋顶上的电缆那一端，另一个是在楼下电缆的那一段。

2.3 充电调节器单元

充电调节器的作用是监视电池的充电状态，控制充电过程。它通过连接和断开负载来充分利用电池并延长电池的寿命。

充电调节器是一种带有微处理器的智能的充电调节器，这种微处理器有调节、控制和绘图的功能。主要的能量转换元件是由低能耗、寿命长的MOSFET组成的，它拥有极好的导电性，因此在充电调节器中只有极少的热量产生。

2.4 储能电池

独立运行的光伏系统需要储存能量，以保证在太阳光照射不足的情况下能给负载供电，例如在晚上和多云的天气则需要通过储能系统来提供电能。传统的电池由于其直流特性能直接与PV发电端直接相连，而不需要转换PV发电端所提供的能量，这使得传统的电池成为PV发电系统最常用的电池。在电池的数量选择上应该保证其能满足家庭在晚上负载用电需求(最少10个小时)。每个电池的规格是根据每天的电能需求量来定的，电池规格为12V，230Ah。图一中的系统使用的是蓄电池，一共有12个，通过3条支路并联连接，每条支路连接4个串联的电池，从储能电池末端输出的总电压为48V。

2.5 逆变器和LC滤波器

逆变器将充电调节器中48～60V的直流电压转换为50Hz的交流电压，在通过中心抽头的变压器将电压升高到230V。如图2所示，通过PIC微控制器产生5V的脉冲，再通过TLP250光耦合器放大脉冲来触发变换器的开关SW1和SW2。图2所示逆变器中的开关选用的是MOSFET(IRFP250M)。它们产生正的或负的输出电压波形。图中100Ω的电阻是通过限制PIC微控制器的电流消耗来对其进行保护的。

推挽式变换器通过LC滤波器滤波得到一个正弦波的输出。为了消除高频率的开关纹波，则需要滤波器的截止频率f0大约为1kHz。并且，特性阻抗要匹配负载阻抗ZL，以阻止涌入滤波电容的电流。有了这两个条件，滤波元件值(电感L0电容C0)的计算公式如下：

(1)

(2)

得到L0和C0的值分别为68mH和55μF，2kW的逆变器和具有谐波抑制功能的滤波器的设计和实施已经在文献[7]中写到。

图2 带有中心抽头变压器的推挽式逆变器的原理图

图3 白天和夜晚的负载功率

图4 白天和夜晚逆变器输出电压

图5 白天和夜晚逆变器输出电流

图6 白天和夜晚PV输出、充电调节器输出、逆变器输入电流

图7 白天和夜晚电池输入电流

3 结果和分析

以上设计的家用光伏储能系统在白天和夜晚可以给负载提供2kW的电能。在白天，由PV阵列输出的电能给储能电池和负载供电；在晚上，由储能电池给负载供电。图3～图7给出了负载的输出电压、输出电流以及图1所示系统的日夜电流曲线。

由图3可以看出从上午10点到半夜负载消耗功率的变化。在一个周期内的输出电压是几乎不变的，保持在额定电压220±9%。由图4可以看出逆变器的输出电压符合低压配电系统的范围。

图5显示了检测期间负载的输出电流，之所以输出电流随时间的变化而变化，从图4可以看出是因为输出电压几乎是恒定的。

图6显示的是PV输出电流、充电调节器输出电流和逆变器输入电流。从PV模块中产生的电流随白天时间的变化曲线非常清晰，由于天气因素的影响，每个小时的电流都不同。在下午6点，由于没有有效的太阳辐射，PV模块的电流降低到0。从图6可以看出充电调节器电流跟随PV模块电流的变化而变化。逆变器输入电流和输出电流与负载电流相等。

图7显示了电池的输入电流，它的极性取决于电池的充放电状态(充电或者放电)。随着负载消耗功率达到2kW以上(下午两点时为2W)，由电池放电来弥补不足的PV输出功率。在晚上，电池给负载提供电能，此时PV模块的电流下降为0。

图8和图9显示了系统中未使用滤波器的情况下一天的逆变器输出电压谐波谱。很显然，所示波形高度扭曲。总的谐波失真计算如下：

图8 白天和夜晚不使用滤波器时逆变器输出电压波形的谐波谱

图9 白天和夜晚使用滤波器时逆变器输出电压波形的谐波谱

在白天和夜晚逆变器输出电压的谐波失真分别为38.85%和41.2%，这超过了标准限制。为了缓和这些谐波，设计了LC滤波器，在前面的文献[7]中提到了其详细的说明。

图10 在白天使用滤波器时逆变器输出电压波形的谐波谱

图11 在使用滤波器时逆变器输出电压波形的谐波谱

图10和图11显示了在使用滤波器时白天和晚上逆变器输出波形的谐波谱。这些波形的谐波失真分别是6.86%和7.2%。根据电力系统中谐波量在IEEE中的标准[11]，谐波失真值根据表1中提供的电压等级进行分类。

表1 系统电压对应的谐波失真

由表1可以看出谐波失真值随系统电压的增加而减小。随着最大允许谐波失真值增加到5%以上与当前的谐波失真值(6.86%和7.2%)一致，此时的电压在2.3kV以下。因此，本文的波形符合IEEE的标准限制。

4 总结

(1)建立了一个由PIC微控制器控制的推挽式逆变器。由于使用LC滤波器时的推挽式逆变器的输出波形有所改进。

(2)通过使用PV系统，家用电器的电力需求量一天中可以达到2kW。该系统是由集成PV阵列、推挽式逆变器和带有储能电池与其充电调节器的滤波器。

(3)负载输出电压的波形近似于正弦波，并记下了不同负载的电力需求值。

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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

叶莎(1992-)，女，湖北浠水人，硕士研究生，研方向为新能源电力变换技术； 方鑫(1990-)，男，湖北英山人，硕士研究生，研究向为电力电子在电力系统中的应用。