一种用于直流家电的太阳能光伏发电系统

1. 引言

在太阳能发电方面，形式有多种多样，但目前研究和应用最为普遍的是光伏发电模式，即通过太阳能电池将太阳能直接转换为电能来使用。在光伏发电应用方面，目前主要有以下三种形式：（1）在日照比较丰富的地域建立专门的大型光发发电站或厂，通过并网向电力系统输送电力；（2）以家庭或某一特定的小区为单位，建立小型联网型的太阳能发电系统，如1997年美国总统克林顿宣布倡导的太阳能“百万屋顶计划”，德国的“10万屋顶发电计划”和日本的“阳光计划”等；（3）在无电地区、如偏远农村、哨所等，建立的小型离网型独立发电系统，由于这种系统为独立系统，需通过蓄电池储能方式来保证用户的持续供电。目前在我国，针对家庭、居民小区或办公大楼的光伏发电系统，由于在用电的端采用并网发电模式在政策上还不允许，因此大多数还是离网型发电模式，其构成示意如图1所示。发电系统输出电压一般为220V/50HZ的交流电，供电的设备多为照明灯具、家用电器等。

图1 常规离网型光伏发电系统构成示意图

如果采用图1模式对变频类家电供电，由于光伏发电输出的交流电进入变频家电后，在内部还要经过一个交流变直流的环节，这样从光伏电能的利用效率来看不是最有效方式。如果能将变频家电改为直流供电模式，省去光伏发电系统中的逆变环节（DC/AC）和家电中的交流整流环节（AC/DC），光伏电能的利用效率会大大提高。正是基于这种想法，本文作者受广东美的电器股份有限公司的委托，针对变频类家用电器开发了一种直流输出型太阳能光伏发电系统。下面就该系统的设计思路、系统构成及各构成环节的设计和实现方法进行逐一介绍。

2 ．系统总体构成及工作过程

图（2）为本系统的构成示意图。图（3）为该系统构成原理框图。该系统主要由光伏电池板、蓄电池组、光伏电能控制器、交流输入PFC整流器、系统监控器及输出保护电路等六部分构成。

该系统的工作过程和各部分作用是：当有太阳光照时，光伏电池板将太阳能直接转换成电流源型的直流电能，然后由充电变换器将光伏电池输出的不稳定的直流电压变换成蓄电池可接受的稳定的电压或电流，实现蓄电池的恒流和恒压充电模式，有效地保护蓄电池，延长其寿命，同时，该变换器还能实现太阳能最大功率点跟踪控制。蓄电池组的主要作用是储能作用，当负荷关闭或负荷用电量小于光伏发电量时，光伏电池发出的多余电能由蓄电池存储，另外，当没有太阳能时，由蓄电池向负载设备供电。若蓄电池组的存储电能使用完后，PFC整流电路会自动接通交流电源，继续保持对输出设备供电。保护电路主要保护输出短路、蓄电池过度放电等，监控显示系统则主要用于监测和显示光伏电池输出电压、功率、电量，蓄电池电压、充电电流、系统输出直流电压、电流等各种参数。

3. 蓄电池组、光伏电池板参数和容量的确定

3.1 蓄电池组类型、数量及容量确定

根据用户要求，发电系统输出直流标称电压为310V，供电设备最大功率为2KW，蓄电池的储能容量要求能提供2KW负载连续工作2小时，蓄电池采用铅酸勉维护蓄电池。输出标称直流电压之所以选择为310V，主要是考虑到原来单相220V交流供电的变频家电，其内部通过整流后供给变频器的最大直流电压为310V左右，为方便家电的改造，特将输出标称直流电压定为310V。由此可以确定出蓄电池组的只数，由于一般单只蓄电池的标称电压为12V，因此，蓄电池组的电池只数被确定为25只。这样，蓄电池组的标称输出电压就为300V。又由于一般单只电池的工作电压范围为：10.8V～14V，因此，蓄电池组的实际工作电压范围为：270V～350V。

在此需要说明的是电池组之所以选择25只而未选择26只电池，其主要考虑的是现在一般的小型家电采用220V交流经整流供电，其直流电压的峰值为311V，若考虑交流电压的波动范围为10%，则直流电压的峰值应为280V～342V。而在实际电路中由于一般采用电容滤波，实际输出直流电压一般不能达到峰值电压，其平均值要比280V～342V还要低。因此，电池组选择25只是比较合适的，若选择26只，电压就显得过高，与现有的家电电压范围不匹配。

至于蓄电池组的容量选择，一般可按下式计算：

ηIT/C= (1)

式（1）中：

C ：电池容量

I ：额定输出电流

T ：连续工作时间

η：电池放电系数

根据设计要求，已知满负荷为2000W，工作标称电压为300V，可计算出其额定输出电流为6.67A。若电池放电系数取0.6，由此可计算出蓄电池的容量为22.2安时（AH），本系统实际选用了24AH的铅酸免维护蓄电池。

3.2 光伏电池功率确定

根据用户的要求，本系统光伏电池选用单晶硅电池。光伏电池功率的选择可以有多种考虑方案，若仅考虑到光伏电池只需在一天的有效光照的情况下需将蓄电池组充满电，则光伏电池组功率可按下式确定：

Wp=VC/ （Tη1η2）  （2）

式（2）中：

Wp ：光伏电池功率

V ：蓄电池组标称电压

C ：蓄电池组容量

T ：光照有效平均时间

η1：光伏电池有效输出系数

η2：充电系数

现已知蓄电池组的容量为24AH，电池组的标称电压为300V，若将一天有效光照平均时间设为6小时（依据不同的地区而定），光伏电池有效输出系数取0.8，充电系数取0.7，则光伏电池组的功率就可确定为2142W，实际中为2000W。

3.3 光伏电池输出额定电压确定

由于光伏电池具有恒流输出特性，其输出电流大小与光照强度有关，因此其输出功率与负载大小有关。为保证光伏电池能工作在最大功率点，在实际应用中，必须对光伏电池的输出电压进行控制，使其电压恒定，不随负载的变化而变化。由于蓄电池组的最高工作电压为350V，因此光伏电池组的开路电压不能超过350V，本系统将光伏电池的最大开路电压确定为300V左右,又由于光伏电池组的最大功率点的额定工作电压一般为其开路电压的80%左右，因此光伏电池组的额定被确定为240V左右。

本系统实际采用了20块100W的单晶硅电池板。单块光伏电池板的主要参数：最大功率100W；最大功率电压24V；最大电流4.17A；开路电压30V；短路电流4.5A；电池片转换效率17%；外形尺寸680mm×1100mm×35mm。20块电池板的连接方式为：先将每10块电池板串联后，再将两组并联，因此光伏电池组件的实际最大功率电压为240V，最大开路电压为300V。

4. 充电变换器的设计

充电变换器的作用是在光伏电池与蓄电池组之间起到一个功率变换和电压、电流调整的作用，以实现对蓄电池的恒流和恒压充电，有效保护蓄电电池，延长其寿命，同时，又能实现太阳能最大功率跟踪控制，达到最有效利用太阳能的目的。根据其功能要求，本系统的充电变换器采用了BOOST变换器，既升压DC/DC变换器，其系统总体原理框图如图4所示。其工作原理为：来自光伏电池的直流电压通过BOOST电路将其升高至蓄电池组的充电电压，同时控制光伏电池输出电压在其最大功率点上；若变换器的输出对蓄电池组的充电电流超过蓄电池设定的充电电流，则控制电路自动控制光伏电池输出功率，使充电电流限制在蓄电池组的设定的充电电流点上；若蓄电池组的端电压被充电到其最高设定电压后，变换器输出电压调节电路自动调节光伏电池输出功率，使变换器输出电压维持在蓄电池组的设定的恒压工作点上，已防止蓄电池组出现过充现象。

图4 充电变换器原理框图

5.PFC 整流器的设计

PFC 整流器的主电路及控制方式如图5所示。主电路采用经典的单相PFC电路，控制芯片采用常用的UC3854集成电路。输出直流电压设定为365V，输出功率限定为2000W。根据实测，本系统所设计的PFC整流器，其输入功率因数达到了0.99，输入电流谐波畸变率小于5%。

图5 PFC整流器原理框图

6. 结束语

本光伏发电系统已于2009年12月投入实际运行，所供电家用电器有直流输入变频型抽油烟机、风扇、冰箱和空调。从运行情况来看，运行效果良好，运行可靠稳定。图6为该系统控制柜实物照片，图7为本系统的监控器的显示界面。

本文来源于互联网，暖通南社整理编辑于2021年7月21日。