离网运行

离网运行（精选8篇）

离网运行 篇1

1 风力分布式发电系统结构

随着风力发电装机容量不断增加, 风电场对风力发电机组的运行要求也随之严格, 如要求在电网故障下具有不间断运行的能力。对于目前风电机组不间断运行的能力一般不会超过秒级, 如果电力系统故障时间达到秒级, 风电机组脱离电网保护自己, 同时独立向负载供电。

风力分布式发电系统一般通过电力电子变换器与电网或负载相连。基于新能源的风力分布式发电系统结构框图如图1所示。分布式发电系统通过反向并联可控硅 (SCR) 构成的并网开关与电网相连。本地负载通过公共耦合点与电网相连。

基于新能源的风力分布式发电系统不仅需要具有并网运行的能力, 也需具有带独立负载离网运行的能力。为了实现上述功能, 风力分布式发电系统不仅要具备2种运行模式和控制策略, 还必须具有上述情况相互切换的功能, 且在运行模式切换瞬间还需确保电压幅值和频率的稳定, 满足负载对供电质量的运行要求。因此, 如何实现离网与并网运行之间的柔性切换, 保证本地负载的稳定运行是新能源风力分布式发电系统必须解决的关键问题之一。

目前, 科学家对并网运行时变流器的控制进行了研究。例如采用基于电网电压定向的矢量控制策略, 通过直流母线电压外环、电网输入电流内环的双环控制网侧变流器, 实现系统稳定运行控制;针对不平衡电网条件下网侧变流器的控制, 提出了正负序分离双PI电流控制策略, 其基本思想是将不平衡电压与电流分解成正、负序分量再分别实行同步坐标系下PI控制;在离网运行控制中, 在正转同步速旋转坐标系中通过比例-积分 (PI) 调节器实施电压外环和电流内环的精确控制, 实现三相对称线性负载下离网型风电、光伏等系统的输出电压控制。为了改善负载侧变换器在不平衡和非线性负载下的输出性能, 目前已对负载侧变换器在不平衡负载或非线性负载下的输出电压矫正技术进行了研究。提出了输电系统FACTS技术中用于电网不平衡条件下电压源型逆变器运行与控制的新方案, 其基本方法是将不对称系统分解成对称分量再实行d、q轴解耦控制。该方案采用1/4周期延时的最小时延正、负序分解技术, 最大限度地减小了对控制动态性能大有影响的分解时延影响。

本文提出一种电网故障条件下确保电压幅值和频率的稳定, 满足负载对供电质量的运行要求的离网/并网运行柔性切换技术。

2 并网与离网运行柔性切换技术

2.1 从离网运行切换至并网运行

假定由于电网发生故障, 风力分布式发电系统脱离电网, 处于离网模式独立带负载运行。此时, 变流器采用电压控制策略, 且并网开关为关断状态。当电网故障清除, 电网电压恢复后, PCC处电压的幅值和相位与电网电压的幅值和相位可能不一致。因此, 为了保证分布式发电系统运行模式切换前后本地负载电压的稳定, 且为了避免并网时产生较大的冲击电流, 要求在并网开关重合前, 必须调节负载侧变换器输出电压的幅值和相位, 使其跟踪电网电压。

变流器对电网电压幅值的跟踪, 可以通过逐渐增加或减少输出电压的幅值来实现;变流器对电网电压相位的跟踪则可以通过锁相环 (PLL) 来完成。但要保证相位一致, 需通过增加或减少负载侧变换器输出电压的频率实现。

根据电网导则规定, 电压频率波动范围需小于0.2Hz。为了缩短调频时间, 又保证频率变化率在负载可接受的范围内。为了避免当相位差接近π时, 频率变化率在+0.2Hz和-0.2Hz反复变化, 在π附近增加了一个小滞环来解决这个问题。分布式发电系统与电网同步调频示意如图2所示。

一旦公共耦合点处电压的幅值和相位与电网电压的幅值和相位一致时, 控制系统发出指令使并网开关闭合, 同时将变流器控制策略由电压控制策略切换至电流控制策略。其控制流程如图3 (a) 所示, 可简要归纳为以下主要步骤:

(1) 检测电网是否已经恢复;

(2) 调节公共耦合点处电压幅值和相位, 使之与电网电压幅值和相位一致;

(3) 一旦公共耦合点处电压和电网电压一致, 闭合并网开关, 变流器控制策略由电压控制模式切换至电流控制模式。

2.2 从并网运行切换至离网运行

假定分布式发电系统初始运行在并网模式。网侧变换器采用电流控制策略, 公共耦合点处电压由电网电压控制。当电网发生故障时, 分布式发电系统须迅速脱离电网, 切换至独立运行模式继续为本地负载供电。

当电网发生故障时, 公共耦合点处的电压跌落。当电压跌落到一定阈值时, 控制器发出指令, 关闭并网开关。同时, 变换器控制策略从电流控制策略切换至电压控制策略。

当变流器控制策略切换至电压控制策略时, 需保证变流器产生的电压的幅值和相位与脱网前一刻公共耦合点处电压的幅值和相位保持一致, 从而避免切换瞬间因负载电压突变而产生的冲击电流。

通过DSP实时采样公共耦合点处的电压, 将脱网前一刻采到的电压的幅值和相位作为电压控制策略下幅值和相位的参考值。电压幅值从脱网前一刻的电压幅值逐渐恢复负载电压额定值。其控制流程如图3 (b) 所示, 可简要归纳为以下主要步骤:

(1) 检测电网故障, 发并网开关关闭指令;

(2) 检测此时PCC处电压幅值和相位;

(3) 变流器从电流控制切换至电压控制, 参考值为脱网前一刻电压幅值和相位值;

(4) 逐渐使负载电压从设定阈值升至额定值。

3 结束语

在分析风力分布式发电系统并网运行和离网运行控制技术基础上, 深入研究了从并网运行切换至离网运行, 以及从离网运行切换至并网运行的瞬态过程, 提出了一种实现并网与离网运行柔性切换的控制策略。通过采用所提出的控制策略, 使得风力分布式发电系统具有良好的并网与离网柔性切换运行能力。

离网运行 篇2

发包人（以下简称甲方）：河北省水利工程局石津干渠军齐闸至大田庄段其他工程施工项目部 承包人（以下简称乙方）：

根据《中华人民共和国合同法》和《中华人民共和国建筑法》的相关法律规定，遵循平等、自愿、公平和诚信的原则，甲乙双方经充分协商，现就石津干渠深州市区段范围内大田庄段左岸隔离网安装相关事宜签订本合同。1.工程名称及地点

1.1工程名称：南水北调配套工程石津干渠军齐闸至大田庄段其他工程施工标段防护墙工程 1.2工程地点：石津干渠军齐闸至大田庄段 2.工程范围及内容

2.1工程范围：石津干渠军齐闸至大田庄段左右岸隔离网：桩号 2.2工程内容：乙方按甲方要求对大田庄段左右岸隔离网栏进行安装，具体安装要求见施工图； 3.工程期限

本工程施工日期以甲方通知时间为准。乙方需根据甲方施工进度计划安排施工，承担延期责任。4.工程量计量标准

4.1结算工程量以实际安装隔离网进行结算；

4.2待乙方施工完毕后，甲乙双方对现场安装的满足要求的隔离网进行测量确定结算工程量。5.工程款和结算时间

5.1经过甲乙双方共同协商，隔离网(1.7m高）安装价：13元/m(含税)，隔离网(1.2m高）安装价：10元/m(含税)，零星用工按照日工100元/日。此单价包含但不限于施工中的基础开挖、基座混凝土浇筑、基础回填等所有实现网栏安装成品的所有费用。

5.2乙方完成了本合同约定的施工项目后，乙方持施工凭据（包括施工任务单、工票、奖励处罚凭据）到甲方计划合同部进行结算。6.工程质量、检查和验收

6.1质量检查采取“三检制”，即乙方操作班组初检、乙方专职质检员复检、甲方专职质检员终检。乙方应配置满足施工要求的技术人员，协助甲方进行工序质量检查表评定表的填写及现场检查和验收。

6.2现场工程验收以施工图纸、技术文件及现行有效的标准规范等文件为依据。6.3工程质量：满足甲方要求。7.甲方的权利和义务

7.1甲方的权利

（1）负责施工现场的协调工作，指导、监控乙方施工状态和施工进度，使满足项目施工总进度要求。

（2）在施工过程中，负责技术指导及质量检测、安全设施、文明施工环境的检查和监控。对违反国家标准、规范要求的行为，责令停工整改和进行必要的经济处罚。

（3）在乙方未全面履行本合同的情况下，有权拒付剩余工程款。

（4）甲方财务部门监督乙方发放工资并留存乙方发放工资资料及现场影像资料。若乙方拖欠民工工资现象发生时，甲方有权从乙方结算款中扣除代发给农民工。7.2甲方的义务

（1）乙方向甲方提交材料使用计划后，经甲方确认后按照设计要求的质量、品种、规格、型号、数量和供应时间等组织货源。

（2）负责施工现场规划，在施工前对乙方进行技术交底。（3）协助乙方对职工进行劳动安全教育。（4）甲方负责质检验收资料汇总。

（5）在乙方完全履行合同的情况下，依本合同的约定向乙方支付工程款。8.乙方的权利和义务

8.1乙方的权利

乙方按照甲方各种要求完成各项任务后，有权要求甲方依本合同的约定支付工程款。8.2乙方的义务

（1）乙方负责将甲方供应的材料从甲方施工仓库装、运、卸至施工现场。乙方应妥善保管、合理使用甲方供应的材料。因乙方保管不善发生丢失、损坏、乙方应赔偿并承担由此造成的工期延误等的一切损失。

（2）乙方应该负责隔离网安装的测量放线工作，甲方进行抽检。对位置不能满足安装条件的乙方自行解决，由此产生的费用由乙方承担。

（3）在安装工程中及安装好后，及时做好成品的保护工作，由于乙方保管不善发生损坏、丢失，由乙方承担一切损失。

（4）乙方应该按照施工图纸的设计要求及甲方的质量要求进行安装，如乙方不按要求施工或安装不当造成的隔离网损坏，乙方应该赔偿甲方的损失。

（5）安装的隔离网未通过业主验收前，乙方有义务对其进行看护，如有损坏、丢失，乙方应该负责维修并承担由此发生的一切费用。

（6）根据施工进度计划要求，配备足够的劳动力、机械设备，保证按甲方进度要求完成工程施工。

（7）参加甲方组织的生产协调会，并服从甲方的安排和监理工程师的指令。完成与施工计划相应的劳动力、机械设备安排，保证甲方节点工期、总工期的实现。

（8）严格遵守甲方安全技术规范和安全制度，确保施工安全并承担相应责任；

（10）承担由于自身责任造成的因质量、安全问题返工中的人、材、物的经济损失。承担施工期间的交通及施工安全事故的全部责任及费用。自行修复、排除设备故障，并承担其费用。

（11）保证自己所有进场职工在18—55周岁且身体健康，将进场人员名单及身份证复印件上报甲方备案，如有人员调整，及时上报甲方。不备案人员，视为没有在本工程范围内务工，不予支付工资。承诺不拖欠农民工工资，不因本工程合同纠纷而发生上访或聚众闹事等类似事件。并确保自己的职工自觉遵守法律、法规及甲方的有关规章制度，杜绝发生违纪违法行为。

（12）承担施工中所造成的人身伤亡事故的赔偿责任。负责施工期间自身设备、车辆所带来的环境保护后果，控制噪音、尾气排放，覆盖扬尘车辆，保证施工过程无灰尘污染周围田地、村庄。

（13）负责安排所属员工的就餐、防暑、取暖等并承担相应费用，承担生活用水、用电费用。（14）乙方应该杜绝重大伤亡事故的发生，负责办理自己全部进场职工的工伤保险并承担相应费用，对进场设备自行投保并承担费用。

（15）乙方不得将本协议所包含的工程内容转包分包。（16）乙方自行解决地方外部关系协调及施工进、出场道路等，并承担由此发生的一切费用。（17）乙方负责施工范围内施工道路的维护。

（18）乙方自行负责隔离网栏一切场内施工倒运，费用已经包含在合同单价内。（19）乙方必须配合甲方施工进度要求，不得再提出增加任何费用。9.违约责任

9.1乙方在施工期间每发生一次轻微安全事故甲方有权扣除违约金500-1000元；每发生一次安全事故，甲方有权扣除违约金1000-3000元。

9.2如果乙方不能按照甲方总体施工进度计划进行施工，又不能按甲方要求增加资源力量，甲方有权更换施工队伍、乙方承担全部责任。

9.3因乙方原因造成的工程返工，乙方除承担进行处理的费用外，还要承担给甲方造成的工期延误损失的费用。10.合同解除

如遇国家政策的变更或其他原因，致使甲方总承包合同终止进而导致本合同无法履行时，乙方自接到甲方的书面通知后，本合同解除。

乙方故意拖延施工工期的；提出不合理要求要挟甲方的；威胁、殴打、贿赂甲方现场管理人员的；乙方与当地地方关系处理不当，关系恶化直接影响到甲方整体形象和施工总进度的；不服从甲方整体施工安排，不按照甲方指定路线、地点施工的；甲方有权单方解除本合同，乙方应承担因本合同的解除给双方所造成的全部损失。11.合同终止

经甲方对乙方工作内容验收合格，甲乙双方履行完合同全部义务，合同价款支付完毕，本合同即告终止。12.争议解决

双方在履行本合同过程中如发生任何争议，应通过友好协商解决。若通过友好协商不能达成一致意见，任何一方只能向甲方所在地的裕华区人民法院提起诉讼。13.本合同的生效与履行期限

本合同自双方签订之日起生效。双方权利义务履行完毕合同终止。本合同一式三份，甲方执二份，乙方执一份。

甲 方： 乙 方：

委托代理人：（签字）委托代理人：（签字）

离网运行 篇3

风力发电和光伏发电等大量功率输出不确定、不稳定且不可调度的微源并入大电网,对电网运行、控制、保护等方面产生了深刻的影响,故包含分布式发电、储能、负荷等的微电网成为国内外研究热点[1,2,3]。

微电网(尤其是离网模式)能否可靠运行的重要问题之一是能否保持小信号稳定[4]。微电网的小信号模型不仅要考虑传统的同步发电机模型,还需将含有电力电子接口的微源以及网络参数的影响考虑在内,这使得微电网小信号干扰的分析复杂度增大。文献[2]分析了逆变型分布式发电的微电网小信号动态模型,为控制器参数的优化设计提供依据。文献[5]建立了电压源换流器(VSC)的全阶模型,详细阐述了PV控制器的设计方法、P-f下垂控制器及功率限制环节的设计方法和Q-U下垂控制器的设计方法。文献[6]建立了包含光伏电池、燃料电池、微燃机的微电网小信号干扰分析模型,各逆变器首先在本地坐标轴上单独建立模型,然后合并到统一坐标轴上。该模型考虑了逆变器的低频和高频动态、网络和负载动态,并采用灵敏度分析来获取控制参数。文献[7]提出了含同步发电机和逆变器接口的微电网小干扰分析的降阶模型,将各部分统一到公共坐标轴上形成全微电网模型。

本文建立包含同步发电机和VSC接口的微电网小信号干扰机电暂态分析模型;在PQ和PV不同下垂控制策略时,采用特征根分析方法分析网络参数以及控制器参数变化对微电网稳定性及动态特性的影响,构建MATLAB / Simulink时域仿真模型进行仿真研究。

1 微电网建模

1.1 微电网结构

本文构建的典型微电网结构如图1所示。微电网额定电压为380 V,包含的典型微源为风力发电机和储能装置,分别通过同步发电机和VSC并入电网,负载为R-L。

各微源接入微电网的原理如图2所示,分别通过线路阻抗接入到母线。

由图2可知,各微源接口在同一旋转坐标系下的网络方程为:

其中,分别为各微源机端电压的d、q轴分量;分别为各微源出口侧线路电流的d、q轴分量;为微电网PCC处电压;Ri和Xi分别为各线路电阻和电抗。

1.2 微源坐标变换

将统一参考坐标轴选在PCC,并定义PCC的电压矢量方向为统一坐标轴的d轴方向[8],如图3所示。

同步发电机的本地坐标轴d1定向在其定子电压Usg 上,以转子转速ωsrg旋转。VSC模型采用基于电网电压定向的方式,其本地坐标轴d2定向在VSC网侧电压矢量Uvsc 上,以速度ωvssc旋转。

将DG1、DG2本地坐标系的各物理量变换到统一坐标系的变换方程为[6]:

其中,为统一坐标系上变量的d、q轴分量;为各微源本地坐标轴上变量的d、q轴分量;变换阵Ti可表示为式(3)。

1.3 同步发电机小信号分析模型

进行微电网小信号干扰机电暂态分析时,忽略同步发电机定子绕组电磁暂态,只考虑转子运动方程、励磁控制器电磁暂态,得到同步发电机的微电网分析模型,用同步发电机五阶方程加一阶励磁控制器方程来表示[8]:

其中,分别为同步电机定子电压和电流的d、q轴分量;分别为同步电机d、q轴瞬变电势、电抗和超瞬变电势、电抗;分别为定子绕组电阻、电抗;分别为励磁绕组电势和电压;分别为d、q轴开路暂态时间常数;Hsg为惯性时间常数;KA和TA分别为励磁控制器的比例系数和时间常数;为原动机输出机械力矩;分别为d、q轴超暂态开路时间常数;为同步发电机励磁电压参考值;分别为同步发电机的机端电压、阻尼系数和转子角。

将式(4)在其本地坐标系线性化可将同步发电机的小信号分析模型表示成[7,9]:

其中,为同步发电机的状态变量;为同步发电机输入变量。

1.4 VSC 小信号分析模型

微电网中大量的微源如光伏发电、储能装置等都是通过VSC接入电网的。按照不同控制目标,VSC离网运行时的控制策略有U / f控制、PQ下垂控制和PV下垂控制等[10,11,12]。本文对PQ下垂控制和PV下垂控制进行对比分析,得到2种不同控制策略下VSC小信号稳定性模型。

1.4.1 PQ 下垂控制小信号分析模型

当微电网离网运行时,PQ下垂控制算法采样VSC输出电压和频率,并根据下垂曲线计算出有功和无功功率参考值,下垂曲线方程表达为:

其中,P0、Pref和Q0、Qref分别为有功和无功功率额定值、参考值;U0、U和f0、f分别为电压幅值和频率的额定值、实际值;kpf为P-f下垂曲线的斜率;kqu为Q-U下垂曲线的斜率。

PQ下垂控制框图如图4所示。

功率外环状态方程为:

其中,xp、xq分别为有功和无功PI控制器状态变量;Pvsc、Qvsc分别为VSC输出的有功和无功功率。

将方程(6)、(7)联立,并在本地坐标系线性化,得到VSC的小信号分析模型为:

其中,为VSC的PQ下垂控制状态变量;为PQ下垂控制的输入变量。

1.4.2 PV 下垂控制小信号分析模型

基于电压调节的PV下垂控制如图5所示,控制VSC的无功功率可调节PCC的电压。当微电网离网运行时,PV下垂控制VSC输出频率和无功功率,并根据下垂曲线计算出有功功率和电压参考值。下垂曲线方程表达为:

其中,kpf、kuq分别为P-f、U-Q下垂曲线斜率。

VSC的有功功率和电压外环控制方程为:

其中,xu为VSC电压外环控制器的状态变量。

将方程(9)、(10)联立,并在本地坐标系线性化,得到VSC小信号分析模型为:

其中,为VSC的PV下垂控制状态变量;为PV下垂控制的输入变量。

1.5 微电网系统小信号分析模型

本文主要针对微电网离网运行进行分析,微电网离网运行时负载方程为[13,14,15]:

其中,RL、XL分别为负载等效电阻和电抗;ildoad、iloqad分别为负载电流的d、q轴分量。

由网络结构可得微电网网络方程为:

将网络方程(1)和坐标变换方程(2)以及各微源小信号分析模型式(5)与(8)或(11)联立,消去Δupcc,化简得到微电网的状态矩阵A和输入矩阵B为:

2 微电网仿真分析

仿真时,同步发电机线路阻抗R1+ j X1= 0.04 +j 0.418 p.u.,VSC线路阻抗R2+ j X2= 0.212 + j 0.527p.u.,额定电压 为380 V / 50 Hz。VSC的P ref 为100k W,Qref为150 kvar。

2.1 逆变器 PQ 下垂控制

a. 当同步发电机励磁调节器比例系数KA从0.1增至2时,主导特征根轨向左半平面移动,见图6。

当KA< 0.42时,采用PQ下垂控制的VSC无法保持稳定运行。

利用MATLAB / Simulink构建图1所示的离网运行模型,2 s时在负荷侧施加功率扰动,得到同步发电机输出的有功和无功功率随KA变化的响应,见图7。

当KA较小时,同步发电机输出功率无法维持稳定,输出功率振荡,仿真结果和特征根分析结果一致。这可以从物理上解释:当KA< 0.42时,同步发电机无法输出足够的无功功率维持输出电压恒定,导致微电网不稳定。

b. 当同步发电机线路阻抗X1从0.010 9 p.u. 增大至0.739 7 p.u. 时,主导特征根向右半平面移动,当X1>0.6293 p.u. 时,主导特征根已位于右半平面,如图8所示,微电网失去稳定。

图9中,当X1较小时,同步发电机的有功功率和无功功率能够稳定输出;当X1>0.6923 p.u. 时,同步发电机输出的功率振荡。

2.2 逆变器 PV 下垂控制

a. 与PQ控制策略类似 ,KA从0.1增大至2时,主导特征根向左半平面移动,如图10所示。

当KA减小到0.1时,采用PV控制的微电网仍能维持稳定,而采用PQ控制的微电网此时已失去稳定。从图11可看出,在KA变化时,PV控制对微电网输出功率支撑作用优于PQ控制。

b. 同理 ,X1从0.010 9增大至0.739 7 p.u. 时,主导特征根向右半平面移动,如图12所示。

当同步发电机X1增大到0.6293 p.u. 时,采用PV控制的微电网能维持稳定,而采用PQ控制的微电网此时已失去稳定。从图13可看出,在X1变化时,PV控制对微电网功率支撑作用优于PQ控制。

3 结论

本文研究了含同步发电机和VSC典型接口的微电网小信号模型,分别建立了VSC的PQ下垂控制和PV下垂控制的小信号分析模型。分析不同控制策略下,控制器参数和网络参数变化对微电网稳定性的影响,得出微电网中VSC采用PV下垂控制时,稳定性优于PQ下垂控制的结论,在MATLAB / Simulink中验证了微电网模型建立和特征根分析的正确性。

摘要：建立含同步发电机和逆变器微源接口的微电网小信号分析模型。各微源接口首先在本地坐标系上建模,模型忽略同步发电机定子磁链和逆变器电流环等快速动态过程,然后通过网络方程将微源接口和负荷变换到统一旋转坐标轴,最后线性化得到微电网小信号分析模型。利用模型分析微电网离网运行时电压源换流器分别采用PQ下垂控制和PV下垂控制策略时同步机网络参数及控制器参数变化对微电网稳定性和动态特性的影响。采用MATLAB/Simulink构建时域仿真模型进行仿真研究,验证了所建模型的可行性。

离网光伏发电系统设计探讨 篇4

1 太阳能电池工作的设计研究

太阳能电池是一种等效电路, 其是太阳能发电系统的核心设备, 在太阳能能源转化为电力能源过程中起到了最为核心的作用。

在太阳能电池正常工作时, 我们可以用:Ivd表示暗电流, 它类似于二极管装置能够在没有光照的情况下利用PN产生电池的扩散性电流;Iph表示发光状态下电流, 每当问题升高一度的时候, 其就会多产生82u A的电流;Rsh代表的是等效并联的电阻;Ish代表通过其的电流, Ivd表示类似;Rsl代表的是单片的太阳能电池的等效的串联电阻。

太阳电池本身是一种非线性的电源。当外界光照强度发生变化时, 期会随着输出电流的变化, 不断影响其端口电压, 从而造成其输出功率曲线呈现一种非线性的变化方式。如果用Pi代表输出电量的功率, Ui代表光照强度并进行绘图之后, 可以发现, Pi会随着Ui的上升产生一条曲线。也就是说, 当光照强度上升时, 输出电力的功率会先升高后下降。所以, 可以发现光照强度与太阳能发电效率息息相关。

2 太阳能蓄电池工作的设计研究

作者对太阳能蓄水池研究主要是为了探究其参数及相关关系, 以便为系统构建奠定基础。如表1所示。

3 太阳能充电器工作的设计研究

充电器工作分析主要有三种电量设计方法:Buck变换器;Boost变换器;Buck-Boost变换器。由于第二种更适合当代工业发电和居民设施发电, 作者选取第二种电路对太阳能充电器进行工作分析。

在太阳能充电器工作过程中, 当代表开关的S导通时, RL会由于反向的电压影响而自动的关闭。而当S开关关闭之后, 因为电感电流不会再发生变化, 就会导致RL开始产生续电流, 这时就会让C与假设负载装置RL接受到来自电源以及太阳能充电器发出的电流。当Boost变换器工作进入正常、稳定的状态之后, 就可以不再产生电感电流, 从而可以得到Boost变换器工作下的电感, 从而得到一个等式。

4 升压、逆变电路工作的设计研究

由于要保持科学性和简明化的双重要求, 作者在这里对升压和逆变电路分别采用推挽正激电路、双极性调制的方法进行研究。

通过利用相关文献当中所研究的原理波形图, 可以发现当推挽正激电路正常工作升压时会造成输出电压、输入电压、输出电流、输入电流以及临界电感的变化。对于推挽正激电路作为升压工作的主要配件是由于其相比 (如, 单端正激电路、半桥电路、单端反激电路等) 具有以下优点:第一, 假设两开关处于轮流工作的状态, 那么就相当于在增加了开关频率的情况下, 能够有效减小变压器的原边的绕组的电流所产生的纹波, 与此同时也能够大大减少变压器其所具有的体积以及重量对整个工作的影响;第二, 当每个开关处于导通状态时, 就会让两原边的绕组同时开始运行, 这时就会让变压器的绕线变细, 从而让整个变压器的体积以及其重量大大减少, 解决了整个电路运行电流损耗的问题。对于双极性调制的逆变电路工作设计主要是基于全桥逆变电路的原理的, 选择的原因是因为其相比单极性调整的逆变电路更容易控制, 能够节约对整个电路管理的成本。

5 离网光伏发电系统设计的研究

作者通过分析离网光伏发电系统的五个重要部件的工作原理和设计理念, 在此充分把握太阳能发电系统的实用高、规模小、成本低、用途广的特性, 设计出了一个具有四百瓦功率的离网光伏逆变系统。另外, 考虑到当前我国道路交通、电网设备的问题, 作者在此设计的将具备更少的储能型设备 (蓄电池) , 从而不仅让离网光伏发电设施的制造减少了成本, 而且能够让其在实际生活、工作中用到时大大降低其管理的成本。这一离网光伏发电系统配备了两块具有在十二伏下能够每秒产生一百二十毫安的蓄电池。另外, 由于考虑到我国最近天气状况不佳和太阳能发电装置在我国不同地区的利用情况不同, 以及由于受到温度、光照原因不同而造成的损耗不同, 最终为这一设备选取了十二块具有五十瓦功率的太能能电池板。

在此设计基础上, 作者利用上文对各个原器件的工作分析对其进行了测试。最终, 此离网光伏发电系统达到了预期的效果。所以, 作者在此正确、适应当前中国经济发展、天气状况和人民太阳能电力系统的设计应当具备以下几个方面:对太阳能充电器的设计应当采用Boost电路;对升压电路的设计应当采用推挽正激电路;对逆变电路的设计应当采用双极性调制的全桥逆变电路;太阳能变压器应采用隔离的驱动电路。另外, 一个合格的、实用性强的离网光伏发电系统还应当充分对其电感、电容的承载量进行测试、调试, 让其在工作运行稳定之后能够达到临界电感, 从而让电感为零延长整个系统的运行时间。

6 离网光伏发电系统设计的建议

6.1 国家、政府资源视角的转移

对于国家高科技项目的设计离不开政府的支持, 不仅是离网光伏发电系统需要如此, 更多的能够改善人民生活的科技项目也应当被提上日程。国家、政府资源视角的转移可以作为一个国家领导战略眼光是否卓越、一个国家经济是否能够可持续发展的重要因素。随着世界和平发展的进行不断深化, 人民物质文化的需求已经成为了当代群众最大的需要。离网光伏发电系统是一项能够解决人民用电问题的观念。自从灯泡、蒸汽机的发明开始, 大众已经离不开电力这一重要资源了。随着水资源、煤炭资源、石油资源的逐渐告罄, 通过高科技能源解决国家发展, 带来地区和平是一个重要的战略方向。我国乃至全球应当重视起对现有资源的保护, 在以可持续发展的思想指导下, 带来资源与经济的联动。

6.2 公众道德、教育素质的提高

公众道德素质的提高能够有效节约不可再生资源的消耗, 而离网光伏发电系统只一高科技能源运转系统的普及更加需要社会群众们的鼎力支持。当代, 对于新技术的推广和发展十分不利, 因为搭载新科技的产品将具有更高的售价。充分发挥教育功能, 提高社会公众的道德素质、文化修养, 能够使其更加能够接受新能源、新技术给其带来的不确定性因素, 从而让更多的社会公众从自身做起, 使用新能源、保护新能源、推广新能源, 让我国在持续发展的道路上越走越远。另外, 新能源是一种取之于民用之于民的资源, 而新能源的开发、新技术的推广往往伴随着新生产品、工具的使用困难等现状, 我国政府、企业也应当给予社会公众学习这些新事物的途径和时间, 通过有效的宣传方式和说明书, 让公众更快的掌握并运用也是非常关键的。

6.3 企业高科技人才的引进

21世纪是高科技发展的时代, 互联网经济让世界的联系更加紧密, 其对于管理、经济等学科的发展有一定促进作用。而让人们慢慢对工科专业失去了兴趣。其实, 从人类产生至今, 发明数量最多的领域就是物理和化学领域, 因为其能够更大的解决人类的生存、生活问题。所以, 在当代应当重视对应用物理、应用化学等一些偏门专业进行广泛宣传, 为我国培养更加优秀的人才。对于企业来说, 人才竞争已经成为获得竞争优势的关键, 为企业引进更多具有高素质、高层次的人才能够有效促进企业和领域学科的发展。当代企业应当敢于聘请从学校刚刚毕业的博士生和大学生, 因为他们更加具有创新性思维和可塑性。

7 结语

通过以上研究, 可以发现离网光伏发电系统应当采用Boost电路、推挽正激电路等科学化配件, 并对其进行合理的调试从而达到其预定工作效果。但是, 如何将这种高科技能源进行更加合理的利用、开发, 就需要我国政府、公众从思想上、行为上不断的创新。希望通过离网光伏发电系统的设计能够让更多的地区用上绿色电, 点亮千家万户, 让社会主义的果实洒满神州。

参考文献

隔离网闸的应用讨论 篇5

关键词：网闸,隔离,安全

0引言

随着互联网上病毒入侵、网络攻击等计算机犯罪日益严重并泛滥, 往往防火墙等网络安全设备也不能保证单位内部网络的安全。出于保护核心信息网络安全的目的, 大量重点单位采用的手段常常是实现核心网络与其它网络的物理隔离, 并且禁用网内计算机的光驱、USB接口等数据输入设备的使用。然而, 这样的封闭方法往往造成了网络使用的极大不便, 为了解决这样的难题, 在现今的诸多应用中, 常采用在高安全要求的内部网络和低安全等级的外部网络间架设隔离网闸, 保障内网安全且同时实现跨网络数据交流。

网闸技术最早起源于美国、以色列军方, 方法是通过自动方式来模拟人工通过磁盘在外网和内网之间进行数据交换的过程。其基本流程是网闸设备提取网络数据包中的应用数据, 进行安全审查, 从而实现数据的安全交换。但由于内网、外网公用数据处理系统, 网闸无法满足隔离的要求, 属于非隔离方式。

随着技术发展, 现今广泛使用的网闸均采用双主机形式 (见图1) , 其间的安全数据交换通过专用硬件通信卡或传输链路使用数据摆渡方式实现。显然, 这样的结构可以保障网闸从物理上阻断潜在攻击的连接, 网闸两端没有通信连接, 没有命令控制, 没有传输协议, 没有TCP/IP各层连接, 也没有数据包的转发, 只能通过网闸两端主机对连接介质“写”、“摆渡”、“读”实现数据传输。我们常称这样的网闸为隔离网闸。

目前, 网闸在我国已经拥有了大量的用户, 多集中在政府、媒体、公安、金融、电力等对安全性要求很高的部门。国内网闸产品的品牌主要有中网隔离网闸、联想网御安全隔离网闸、伟思网络安全隔离网闸等, 这些品牌都获得了国家权威部门的认证, 其中包括公安部的销售许可证、3C认证, 国家保密局的涉密信息系统产品检测证书以及军用信息安全产品认证证书等等。国际品牌有Whale的e-GAP、Spearhead的Net GAP等等, 其主要功能都是实现内部网络与外部网络的文件交换、网页单向浏览、数据库交互等。

网闸在网络安全中的作用大小一直是颇受争议的话题。有网管认为, 当网闸外网主机被攻陷, 病毒程序或木马完全可以混在数据里流到内网主机, 从TCP端口再映射出去, 无非是多了一个暂存的过程而已, 如果是这样, 几十万元的投资用于其它方面能否得到更好的回报呢?而笔者认为, 隔离网闸有其使用的特殊性, 通过正确应用, 其确有其它网络安全设备不可替代性的作用, 以下我们将对隔离网闸做进一步讨论。

1工作原理

隔离网闸的基本功能是安全隔离与信息交换, 其通过专用硬件使两个网络在物理不连通的情况下实现数据的安全传输。通常, 隔离网闸包括内网 (可信端) 处理单元、外网 (非可信端) 处理单元、硬件隔离交换单元三部分。网闸内部的隔离硬件交换单元类似单刀双掷开关在任一时刻点仅连接内网处理单元或外网处理单元并进行高速切换。这种设计较好的保证了隔离网闸的基本功能的实现, 如图2网闸数据传输逻辑示意。

1. 网闸阻断一切通用通信协议连接, 由于几乎所有的网络攻击都是基于通用网络协议的, 阻断通用协议也就意味着阻断了网络攻击的途径, 这样在外网内直接攻击内网内设备几乎不能成为可能。

2. 因为使用隔离硬件交换单元实现数据摆渡传输, 网闸内两端主机对数据传输的操作仅有读写两种, 这样必需把网络数据包转为静态数据进行处理。静态数据可以是应用层数据文件或传输层数据包。

3.基于静态数据, 可通过网闸内网处理单元对静态数据进行安全审查, 对数据包的过滤 (如网络协议检查、代码扫描等) 则可确保内网端接收数据的安全性。

4.内网用户通过严格的身份认证机制获取所需数据, 则可进一步确保内网设备访问网闸的网络安全。

2与防火墙的区别

网闸作为网络安全产品架设在内网、外网之间, 从而让用户很容易联想到防火墙, 两者是否为同系列产品?事实上, 这两种产品无论从功能还是实现原理上, 都是不同的。防火墙是保证网络层安全的边界安全工具 (如通常的非军事化区) , 而隔离网闸重点是保护内部网络的安全, 实现内网和外网数据的有限联通。网闸和防火墙的特点对比如表1所示。

3应用讨论

隔离网闸通常架设于内网 (如涉密网、业务网) 与外网 (如非涉密网、办公网) 之间, 在确保内部网络保证高度安全的同时, 又提供内部网络与外部网络的信息交换。通过对网闸工作原理的分析, 我们知道网闸的使用可以防止内部网络信息泄漏、外部的病毒木马程序的渗入、阻断来自外部网络的网络攻击。同时, 在网闸两端处理单元上进一步集成身份认证技术、单点登录、证书密码、包过滤、端口封锁、入侵检测、漏洞扫描、防病毒等诸多技术, 则基本实现网闸的高安全登记应用。

依据网络安全的“木桶原理”, 即水桶的装水量由最短的板块决定, 安全体系的安全性取决于所有环节的安全性最差的那一个。因此, 作为网闸安全等级较高的网络设备, 对使用环境的要求也是极高的。通常需注意以下几点:

1.网闸连接的可信端网络应该是封闭的、高安全等级的。例如, 内网计算机的光盘、U盘等设备被随意使用, 投入大量资金使用网闸是没有意义的。

2.网闸内部网络和外部网络连接应属于有限的互联, 根据需要映射部分TCP端口, 并对数据包内容扫描, 接收规则运行的数据包。如网闸映射所有TCP端口, 则网闸和网桥没有什么区别, 除了速度更慢。

3. 通过网闸交互的数据格式应该是被预知可控的, 只有预知可控的数据才能被很好的进行特征扫描和识别。例如, 文本文件必然是ASCII码, 音频文件必然有符合要求的扩展名、头文件和帧格式。

4. 使用网闸并非内网的数据安全就万无一失, 同样需要防范符合网闸传输规范危险攻击。例如, 外网通过网闸查询内网数据库, SQL命令被变为XML文件传输后在内网执行, 当网闸外部处理单元被攻破后, XML文件中的SQL命令则可破坏内网数据库。

4应用实例

南京电台局域网络由播出业务网和办公网组成, 业务网为封闭网络, 用于广播节目生产播出, 屏蔽了USB口、软驱、光驱等输入接口;而办公网连接互联网, 相对开放。由于业务网的封闭, 造成了音频素材、成品节目共享交换的很大不便, 因此架设一台隔离网闸用于音频节目交互, 如图3所示。

南京电台方案使用的网闸为伟思公司VIGAP3000DR型防火墙, 在网闸两端连接文件服务器。当办公网端文件服务器内MP2音频文件被写入, 服务器随即发送该文件至隔离网闸, 经数据摆渡后, 网闸在可信端对文件特征进行扫描, 符合策略则发送至业务网服务器存储, 供业务网使用。

在文件传输过程中, 网闸两端处理单元仅开放文件传输端口, 并仅允许两端文件服务器IP地址的接入, 加密被传输的音频数据文件, 这样较好的保证办公网端处理单元的安全。当MP2文件被网闸可信端接收后, 则进行文件扩展名、文件头、数据包帧头扫描, CRC文件校验等工作, 则可确保接收到的MP2文件的真实性。通过这样的传输方式, 网络攻击、可执行病毒文件、非法数据几乎不可能进入业务网内, 从而实现业务网数据的安全交互。

5结束语

太阳能离网LED路灯系统分析 篇6

在社会主义新农村建设的推动下, 农村公共事业的发展也逐步提上日程, 公共照明是农村基础设施建设中重要的一部分。但由于农村特殊的地理气候条件, 农村电网建设缺少规划, 甚至许多偏远地区仍没有连接电网, 这对于农村公共照明带来了很大的困难。飞利浦照明针对我国农村现状, 进行了实地考察, 充分了解到我国广大农村的需求, 特别研发了太阳能离网LED路灯系统, 以推动我国社会主义新农村的建设。

2 农村照明系统设施现状

据统计, 目前中国共有约75万个村庄, 但其中有20万个村庄不能实现正常照明, 而且这些农村主要集中于西部地区。尤其是一些由于环境及历史原因, 电网建设落后的偏远农村, 基础设施的现状决定了实现道路照明的目标还很遥远。对此, 飞利浦照明率先提出了全新思路的太阳能离网LED路灯系统, 将清洁能源、离网使用与节能高效的照明结合在一起, 为实现西部农村道路建设的跨越式发展、拉近中西部差距划出了一条清晰的新方向。

3 飞利浦太阳能离网LED路灯系统分析

3.1 整合性的清洁能源与高效照明系统

3.1.1 农村通路照明的环境分析

农村道路照明高度依赖电网等基础设施的建设状况。由于电网的负载水平要较城市偏低, 所以功率以及节能的问题更为突出。目前农村地区不同于城市的集中供能, 能源使用比较分散, 野外环境下架设电网等设施则不仅成本高, 更容易造成资源的浪费。所以, 解决农村道路照明的问题就需要把电力的供给和使用效率等因素纳入整体来考虑从源头和使用综合的角度来设计照明系统。

3.1.2 太阳能离网LED路灯系统的应用

(1) 太阳能转换系统, 包括太阳能电池与电力储存等设备。这个系统还可以与风能使用结合起来, 扩大清洁能源的来源范围。同时其智能化的控制系统包含了大量尖端的技术, 能够实现根据所在地气候和季节的变化, 优化电池寿命, 达到效率和性能的提高, 获得能量的最佳输出。

(2) 因为不需要依赖地方电网的支持, 组成了能源供给与使用的完整流程, 不仅在电网基础较为薄弱的农村地区, 即使在城市, 该系统也能在绿色能源道路照明、行人路径照明、庭院灯照明、海报框照明等领域有着广泛的用武之地。

(3) 该系统还可起到为夏日等高峰时段电力网络“减负”的作用。这一系统在农村地区推广的意义在于, 在原来电网没有覆盖的地方亮起明灯, 能够加强农村地区夜间行走以及驾驶人员的安全保障;延长了农村地区人们活动的时间和扩大了活动地域;使得地区间的交流活动更为频密, 也会带来更多商业机会。同时, 这一方案是可持续性的, 充分利用了太阳能这种可再生能源, 减少了火力等发电方式带来的CO2排放, 减少因为空气污染所引起的疾病和减轻了气候变化的影响。同时因为没有布线、挖坑等电网建设的费用, 总体安装成本也降低, 维护成本也将显著降低, 这对于提高新农村建设的资金使用效率也是非常有利的。

3.2 中国乡村照明的新模式

由气候组织和壹基金共同发起的“千村计划”, 以促进太阳能LED照明技术在农村地区的应用为切入点, 在中国实施一年以来, 获得了斐然的成就。重庆、成都和贵阳农村地区40个行政村与企业联手向村政府捐赠了太阳能LED路灯400多套, 使得4万余村民受益。飞利浦作为合作伙伴之一, 也在千村计划中捐赠出价值100万元的产品。在这些合作中, 飞利浦不仅研发出成熟的、围绕太阳能供电照明的道路照明解决方案, 更为中国和亚洲地区乡村照明的未来发展模式提供了新的典范。

3.2 符合中国乡村模式的设计

在飞利浦离网太阳能LED路灯系统的设计过程中, 科研人员在可靠度、长效稳定工作与低维护投入、轻质量以适用于各种环境, 以及光照强度、分布度、均匀度、色温、色彩渲染以及当地对光照实际需求的时间等因素都进行了综合考量。如针对贵州地区年平均光照时间较短等因素, 设计人员设定了“最坏情况”下的诸多条件:冬天最长的一夜, 即系统的最大负荷量;最短的白天, 即最小的太阳光照时间;最冷的气温, 即电池容量最小的可使用度等, 而在这些极端环境下, 系统都应该能保持稳定的工作状态, 并且能够利用智能化控制系统通过调整太阳能电池板的倾斜角以及光源工作状态等方式来平衡目标。此次向“千村计划”捐赠的离网LED路灯系统, 飞利浦特别考虑了贵阳多雨的气候特征, 产品可满足6个连续阴雨天下的照明需求

3.2.2 高新技术的应用

飞利浦领先世界的LED科技, 也为太阳能离网LED照明系统的提供了坚实的产品支持。系统使用的Fortimo 1800lm LED道路照明灯具, 不仅适用于步行道路, 同样也可用于自行车道以及工业区内的道路照明。它不但光学性能突出, 而且具备卓越的防水性能以及维修方便的特点。由于其控制系统采用可编程驱动的方式, 使用者可以轻松设定6、8或者10h的使用时间实现系统的节能调光转换。其蝙蝠翼分布的外观还可减少光污染, 保护农村社会中更弥足珍贵的“暗夜天空”。

4 结语

在中国城市化与城镇化的路线图上, 现代化的道路照明系统必不可少。在建设社会主义新农村的进程中, 体现跨越式发展、人与生活社区以及自然环境和谐共处的照明也同样重要。飞利浦太阳能离网LED路灯系统, 无疑为“千村计划”与现代“桃花源”的自然联想, 提供了合理的依据与支持。

摘要：介绍了目前我国农村公共照明日用系统基础设施现状, 从农村道路照明环境, 太阳能离网LED路灯的性能分析了太阳能离网LED路灯的应用前景, 并展望了中国农村照明的新模式。

离网型小功率光伏发电逆变器设计 篇7

1 离网型光伏逆变系统组成

本文所研究的离网型光伏逆变系统, 其结构主要包括:单片机控制器、太阳能电池板、铅酸蓄电池、蓄电池充/放电电路、两级直流升压电路、逆变电路、检测电路等[2]。

离网型光伏发电系统硬件结构见图1。

当有足够强的光照时, 太阳能电池首先通过DC/DC电路 (含MPPT) 控制得到最大功率输出。此时若没有带载, 系统会通过充电电路向蓄电池充电;在交流轻载的情况下, 系统则会将蓄电池切除, 通过后级功率变换电路向负载供电;当负载较大时, 系统则会将蓄电池接入主电路中。当没有阳光或阳光不充足时, 系统则会通过蓄电池向负载供电, 从而保证了系统供电的连续性与稳定性。输出的交流电压通过检测电路反馈给主控制器, 使得主控制器能够实现对输出电压的闭环控制。通过人机交互界面实时的显示系统工作状态。

本系统主控芯片采用PIC16F877单片机, 具有高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等优势。

由于功率器件并不是理想器件, 开关特性不能和理想特性完全一致。故为了保证逆变器的正常工作, 而不产生直通现象, 需要加入死区时间。本系统中使用的单片机可以输出两路频率相同PWM信号, 但不能得到互补信号。针对以上情况设计出既能够将一路PWM信号分成两路互补信号且具有死区时间的硬件电路。

蓄电池充电的过程实际上是对太阳能电池板输出电压和电流的调节与控制的过程。控制器通过不断采集蓄电池充电电压和电流并与设定值进行比较后, 输出PWM波, 通过控制开关管的导通与关闭, 实现对充电电压和电流的调节。

2 开关器件的选取[3,4,5,6]

2.1 MOSFET参数

本系统功率不是很大, 而且MOSFET在高频、低压中的使用具有优势, 因此选用MOSFET管为BUCK电路的开关管。BUCK电路中开关管的工作频率设定为10 k HZ, 工作频率的提高可以减小L、C的值, 选择IRF540。

2.2 续流二极管参数

在本设计中, 最大承受电压为21.6 V, 工作频率为10 k HZ, 可选用MUR1660, 其反向峰值电压为400 V, 最大反向恢复时间为60 ns, 正向平均电流为16 A, 最大反向峰值电流为30μA, 可以满足系统要求。

2.3 主电路电感参数

电感的选取必须保证即使在最小输出电流时电感电流也能连续。通常取最小负载电流为额定电流的1/10, 当最小负载电流为电感电流斜坡峰—峰值IH—IL一半时, 对应临界连续。本设计中取BUCK变换器输入电压为21.6 V, 输出电压12 V, 开关频率10 k HZ, 额定电流为0.5 A, 则有:

式中IMIN为最小负载电流。根据电感的电压, 电流特性可知:

根据输入输出电压可知, BUCK变换器的占空比为D=VO/Vi=12/21.6, 而由开关频率为10 k HZ, 可知开关周期为10-4s, 则开关管导通时间为 (12/21.6) ×0.0 001, 根据式 (2) 可计算得出L=5.33 m H。因此要使电感电流处于连续状态, 必须选择大于5.33 m H的电感。

2.4 输出滤波电容参数

在BUCK电路设计中, 滤波电容的选择必须满足输出纹波的要求。电路中有两个分别有由C和RC决定的纹波分量。由C决定的纹波分量与流过C的电流的积分成正比, 由RC决定的纹波分量与电感电流斜坡电流峰—峰值成正比。为了估算这些纹波分量, 并选择电容, 就必须要知道RC的值, 通常取RC×C的值为常数5×10-5~8×10-5。本设计中BUCK变换器输入电压为21.6 V, 输出电压12 V, 开关频率10 k HZ, 额定电流为0.5 A, 斜坡峰—峰值IH-IL=0.2×IOC=0.1 A。根据纹波要求来确定滤波电容, 设定阻性纹波电压峰—峰值为0.05 V, 则有0.05= (IH-IL) ×RC=0.1 RC, 得RC=0.5Ω。取RC×C=5×10-5, 得C= (5×10-5) /0.5=100μF。

2.5 直流电流采集电路

常规测量电流的方法存在测量范围小、测量误差大等缺点。本系统使用的集成电路MAX471克服了常规方法的缺点, 实现了电流的高精度测量[7]。MAX471具有一个电流输出端, 可以用一个电阻来简单地实现以地为参考点的电流/电压的转换。MAX471的电流增益比已预设为500μA/A, 由于2kΩ的输出电阻 (ROUT) 可产生1 V/A的转换, 因此±3 A时的满度值为3 V。用不同的ROUT电阻可设置不同的满度电压。本系统中电流检测使用在蓄电池充电电路中, 实验时使用的太阳能电池板的工作电流最大值为0.57 A, 仅需检测一个方向的电流。

为保证系统精度, 本系统中ROUT使用阻值为10kΩ的精密电阻。

3 系统软件的整体设计

控制系统通过采样光伏阵列、蓄电池以及负载的电压电流信号, 通过控制算法确定系统的不同运行状态, 完成不同运行模式之间的切换, 总体分为充电工作模式和放电工作模式, 当系统工作于充电工作模式时, 系统又可以分为两种模式, 即无负载, 光伏阵列只给蓄电池充电;以及有负载, 但光伏阵列输出功率大于负载功率, 此时多余的电能给蓄电池充电, 同时使能最大功率跟踪。当系统工作于放电模式时分为光伏阵列输出功率小于负载需求, 中间的差值由蓄电池补充, 同时使能最大功率跟踪;以及由蓄电池向负载供电, 光伏阵列无输出。另外, 当蓄电池处于过充电状态时, 表示蓄电池已经充满, 不再吸收功率, 此时太阳能电池不进行最大功率跟踪而是工作在升压模式, 保持母线电压的恒定;当蓄电池处于过放状态时, 表示蓄电池已经无法再提供功率且太阳能电池输出功率已经控制在最大功率。此时整个系统无法满足负载所需功率, 所以关掉系统, 停止提供功率给负载。

整个程序的设计采用一个主程序外加若干个子程序的方式, 各个子程序分别完成不同的功能, 比如实现最大功能跟踪的子程序以及蓄电池充放电控制子程序, 通过调用供主程序使用。

系统中的电流电压采样使用PIC16F877单片机自带的具有10位数字量精度逐次逼近型AD转换器, 系统中共采集三路信号即太阳能电池板输出电压、蓄电池端电压和充电电流。为使充电过程更加直观, 系统中加入了图形液晶显示屏LCD12864来显示系统运行的基本参数。其实时显示系统充电的状态、太阳能电池板的输出电压、蓄电池的端电压以及充电电流。

本系统充电控制软件流程的设计为:初始化程序后, 采样蓄电池的端电压VB和充电电流IB, 随后将VB与预设的充电截止电压VOC进行比较, 如果VB

4 MPPT控制软件

最大功率点跟踪控制是通过调节BUCK降压斩波电路的占空比来实现。其本质为完成阻抗匹配, 改变太阳能电池输出的工作电压, 使输出功率最大。在本应用中, 由于负载是蓄电池, 为实现太阳能的高效利用, 缩短充电时间, 采用了软件MPPT技术, 为了使太阳能电池板的输出功率最大, 可看成给电池的充电功率最大。本设计采用闭环控制的手段, 在运行时不断检测充电电流, 确保光伏板输出电流最大, 不断动态调节MOSFET占空比, 从而实现最大功率下的恒流充电。另外, 为了减小在寻找最优占空比中的不必要损耗, 必须设法提高寻优速度。本设计采用变步长的方案, 先采用三点登山法, 迅速锁定最优占空比的大致范围, 然后再不断缩小寻优步长来找到最优占空比, 并通过电流闭环反馈不断实现动态调节。电流采集采用的是MAXIM公司的MAX471, 电流增益比为5 V/A。由于采用PIC内部的10位AD转换, 使电路得以优化, 无需外接ADC模块, 控制更加方便[8,9,10]。

5 恒压充电控制

当在MPPT下蓄电池电压升高到15 V后, 为了提高电池的使用寿命, 采用恒压限流的方式充电。通过不断采样太阳能电池板输出电压, 来调节MOSFET占空比, 使太阳能电池板输出电压恒定不变 (大约在15 V附近) 。电池在涓涓细流充电的过程中, 电池内阻不断减小, 电池两端电压进一步上升, 从而使充电电流进一步减小, 当充电电流小于50 m A时认为蓄电池已基本充电完毕, 并通过LCD12864显示运行参数。

6 实验与结论

由于实验条件所限, 设计的逆变电路电压等级比较低, 使用12 V蓄电池作为直流电源, 根据实验所设参数计算输出电压有效值为7.57 V。

根据全桥逆变电路原理图, 设计制作出全桥逆变电路实验板, 其中输出滤波电路采用LC型 (L=10 m H, C=3μF) 。

实验进行了逆变桥输出不加滤波器实验和输出加入滤波器实验 (试验中均未加入负载) , 并分别测得逆变桥输出信号的波形。

由实验可知, 加入滤波器时滤波效果较好, 但是输出频率与理想频率有较大差距, 可以对程序中周期寄存器做出调整, 以达到理想效果。本系统中显示所需的电压电流数据是通过AD口检测出的电压 (电流) 经过相应的转换而得到实际电压 (电流) 值。

在对BUCK电路进行的测试中, 主要检验BUCK输出电路电压的连续性和不同占空比下输出电压的变化。分别使用占空比为30%、50%和70%频率均为10 k HZ的PWM波进行实验。功率电压由12 V蓄电池提供, 经测量测试时蓄电池电压为12.3 V。而且BUCK输出电路的电压十分平直, 可以认为是直流电, 这说明输出滤波器的滤波效果非常好。经计算理论上占空比为30%、50%和70%时输出电压分别为3.7 V、6.2 V和8.6 V, 与实验波形中的电压相吻合, 可以说明整个BUCK电路是能够正常工作, 基本达到设计要求。

综上所述, 所设计的独立小功率光伏发电逆变器系统达到了预期的效果。

参考文献

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[8] 张明华.基于DSP2812的光伏逆变器的研究与设计[D].曲阜:曲阜师范大学, 2010.

[9] 陈晓萍, 王念春.基于PIC单片机的SPWM控制技术[J].电源技术应用.2006, 9 (3) :39-42.

离网运行 篇8

生态环境日益恶化、化石燃料濒临枯竭, 使新能源的开发和利用迫在眉睫。太阳能具有存储量大、无污染的优点, 然而迟迟无法推广的重要原因之一就是初期投入成本太高。一套小型的光伏系统, 光是蓄电池就需占用20%以上的成本。因此, 挖掘蓄电池寿命潜力, 使蓄电池取得最佳的经济效益, 是降低光伏发电成本的重要途径。由于是固定场合使用, 无需考虑体积和自重, 所以选择使用寿命长、价格低廉的铅酸蓄电池来做实验[1]。通过对不同的铅酸蓄电池组合的数据采集和分析, 并将实验拓展到其它型号的铅酸蓄电池, 推导出一般离网光伏系统中铅酸蓄电池的最优模式。

1 探索蓄电池最优匹配的依据

1.1离网光伏充电站的一般形式

离网光伏发电系统的一般组成结构[2,3]如图1 所示。据统计, 搭建一座4k W的太阳能发电站, 需投资6 万元左右, 其中蓄电池的投入在1~1.5 万元之间, 比例较大。离网光伏充电站为了将太阳能最大化利用, 一般都是将太阳能电池所发的电实时充入蓄电池, 再由蓄电池根据需要给外部负载充电。

1.2 铅酸蓄电池循环寿命特性

众所周知, 正常情况下, 蓄电池使用寿命与其放电深度密切相关[4], 实验所选取的起动免维护铅酸蓄电池 (型号为6-QW-105RB 12V 105Ah) 的循环寿命与放电深度的关系曲线如图2 所示。

2 实验参数拟定

2.1 实验太阳能电站功率的确定

研究模拟一普通家庭用电系统, U=220V, 负载包括空调、冰箱、热水器、电视、电脑、照明等, 平均实时功率≈1.3k W, 假设每日无光照条件下用电时间为10h, 则蓄电池日需放电量Wr计算如下:

2.2 太阳能电池板功率的确定

为了与用户日用电量相匹配, 试验中布置10 块最大功率Pi为280W, 最大工作电压为36V的单晶硅太阳能电池板, 理论最大总功率Pmax为

1d平均光照时间为6h, 太阳能电池板理论日最大发电量计算如下:

综合考虑白天太阳能电池板直接给电器供电部分, 以及光强、气候、传输效率等因素, 太阳能电池板平均每日给蓄电池充电量大致与Wr持平。

由于一个普通家庭日常用电量与实验所用光伏发电系统的日供电量基本持平, 因此在进行实验时, 只在整体趋势上计算蓄电池的循环寿命, 而不考虑蓄电池电量小幅范围内的波动。所谓总体趋势, 就是以d为单位, 太阳能电池板正好在1d之内完成对蓄电池1 次完整充放, 即1d循环1 次。

3 铅酸蓄电池实验方案的确定

3.1确定实验方案的理论依据

在蓄电池日需放电量确定的情况下, 配备蓄电池数量越多, 相应的放电深度就越低, 循环寿命提高, 但成本也随之增大;反之, 成本越低, 蓄电池放电深度就大, 循环寿命下降, 因此合理地配备蓄电池数量, 成为挖掘蓄电池潜能, 将成本最低化的关键因素。

3.2 实验方案

将上述太阳能电池板组, 通过MPPT控制器对蓄电池充电, 蓄电池再经由逆变升压, 给功率为1.3k W的实验负载日供电10h, 蓄电池的匹配采用以下3 种方案。

1) 实验方案一。采用4 块免维护铅酸蓄电池串联成一组, 直流电压为48V, 经过升压逆变为220V交流电。每块蓄电池所能释放的理论最大能量为

需匹配蓄电池的最小数量mmin为

其中 η 为蓄电池放电效率, 所以最少需3 组并联。

如图3 所示, 分组如下:3 组并联 (总12 块蓄电池) , 4组并联 (总16块蓄电池) , 5 组并联 (总20 块蓄电池) , 6 组并联 (总24 块蓄电池) , 7 组并联 (总28 块蓄电池) , 8 组并联 (总32 块蓄电池) , 9 组并联 (总36 块蓄电池) , 10 组并联 (总40 块蓄电池) , 11 组并联 (总44 块蓄电池) , 12 组并联 (总48 块蓄电池) 。

每组持续实验15d, 测得数据如表1 所示。

表1 中:x为蓄电池并联组数;为每并联支路的实际平均电流;为平均每天最大放电深度;Nmin为根据计算出的理论最小循环寿命;Y为蓄电池总成本。

2) 实验方案二。采用10 块蓄电池串联为一组, 直流电压120V, 经过升压逆变为220V交流电。

如图4 所示, 分组如下:2 组并联 (总20 块蓄电池) , 3 组并联 (总30 块蓄电池) , 4 组并联 (总40 块蓄电池) 。

每组分别持续实验15d, 测得数据如表2。

3) 实验方案三。采用20块蓄电池串联为一组, 直流电压240V, 逆变后直接给负载供电, 方案三如图5所示。

同样持续实验15d, 测得数据如表3 所示。

对比以上3个表格的实测数据, 发现在蓄电池总数相等的条件下, 连接方式的不同, 对蓄电池的理论循环寿命并没有太大影响。但是从可靠性方面来讲[5], 串联越多, 可靠性越低, 如果其中一块蓄电池发生故障, 则该条通路的蓄电池全部停止工作, 剩下的蓄电池有效数量大幅度减少, 如未及时检修, 将极大缩短整个系统寿命。

因此, 最终优选图3 所示连接方案。

4放电效益系数

4.1 蓄电池组放电总量与成本的关系

根据铅酸蓄电池的总容量和放电深度, 计算出铅酸蓄电池每一次循环所释放的能量Wpi[6], 对应循环次数Ni, 则整个蓄电池组使用寿命期间所释放的总能量为

式中m为蓄电池个数。

如图6 所示, 随着并联组数的增多, 蓄电池组释放的总能量逐步增加, 相应成本也不断提高, 我们很难根据这些结果判断各蓄电池匹配方阵的优劣。

4.2 放电效益系数的提出

实验中, 负载由蓄电池提供的能量Wr是确定的, 所以蓄电池每天循环一次充放电的电量是确定的, 因此, 只要蓄电池的理论最低循环寿命Nmin最大, 则对应铅酸蓄电池所能放出的总能量也最大。为了直观地比较各实验方案的优劣, 我们引入一个放电效益系数k, 并令

其中Y为各蓄电池组的总成本。由式 (1) 可知, 最低理论循环寿命越大, 总成本越低, k值越大, 该蓄电池方阵的单位能量成本越低。因此可以用系数k来衡量蓄电池匹配方案的优劣。实验方案一各组的放电效益系数如图7所示。

由图7 可知当蓄电池方阵的并联组数达到6 (共24块) , 即放电深度<45%之后, 蓄电池组放电效益系数趋于稳定, 当组数为7 时, 蓄电池组的放电效益系数达到一个较为理想的值。

当实验方案一串联的蓄电池个数a取不同值时, 其k值与并联组数x的关系如图8 所示。

5 最优匹配模式

5.1 实验的一般性拓展

把上述实验进行一般性拓展, 假设用户每日无光照条件下的用电量为10k W·h, 选用的铅酸蓄电池电压为12V, 容量为C, 单价为y元。仍采用实验方案一的连接方式。根据前面实验结果, 运用Matlab进行数值拟合, 得到各C、y下, 放电效益系数曲线如图9所示。

由图9 可知, 各型号蓄电池, 只要蓄电池组数达到一定值之后, 蓄电池组的放电效益系数都将达到一个较大的平稳值, 如果继续增大蓄电池组数, k值甚至还会逐渐下降。

在C分别等于70A·h、90A·h、100A·h、120A·h的情况下, 各型号蓄电池达到k平稳值的最小组数分别为8、6、5、4, 这时, 各蓄电池组理论最大总能量计算公式如下:

式中:x为蓄电池组数;U为理论电压12V;Ci为各类型蓄电池的容量。

当C分别为70A·h、90A·h、100A·h、120A·h时, WQi的值计算如下:

综合观察以上各式, 可得当蓄电池组的放电效益系数达到平稳值时, 蓄电池组理论总容量WQ与用户日需总能量Wr的关系为

5.2 最优匹配模式的确定

在用户每日无光照条件下用电量Wr确定的前提下, 根据式 (2) , 我们可以将蓄电池的优化匹配问题归结于蓄电池日需供电量Wr与所配备蓄电池组理论最大总能量Wmax间的关系。当Wmax/Wr≈2.5 时, 且采用多路并联的接法, 光伏系统的蓄电池组达到一个理想的匹配模式。

6 结论

本文主要研究了家用光伏系统中, 蓄电池的最优性价比匹配, 为降低光伏发电系统成本、推进太阳能应用做了理论分析和实验验证。在蓄电池循环寿命与放电深度关系的基础上, 引入一个可以直观衡量蓄电池组性价比高低的参数———放电效益系数k, 对其它家用光伏系统的设计提供一些参考和借鉴。目前, 光伏系统的转换效率仍然较低, 初期投入成本也很大, 且影响蓄电池使用寿命和充放效率的因素众多[7], 但是随着科技的进步, 相信这些问题都会逐步解决, 太阳能走进千家万户也指日可待。

摘要：研究的目的在于探寻铅酸蓄电池的一种最经济合理的匹配模式, 降低离网光伏发电系统的成本, 并引入一个新指数——放电效益系数。研究采用实验与理论仿真相结合的方法, 同时根据所选用铅酸蓄电池的循环寿命与其放电深度之间的关系, 找到蓄电池组释放总能量与其成本间最理想的比值关系, 最后, 将该成果推广应用到一般性的光伏系统中。

关键词：离网光伏系统,放电效益系数,铅酸蓄电池,匹配模式

参考文献

[1]杨勇.太阳能系统用铅酸蓄电池综述[J].蓄电池, 2009, 46 (2) :51-57.

[2]王长贵, 王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社, 2009.

[3]曹莹.家用太阳能光伏发电系统设[J].机电工程, 2011, 28 (1) :115-117.

[4]朱松然.铅酸蓄电池技术[M].北京:机械工业出版社, 2002.

[5]桂长清.蓄电池组的连接方式与可靠性[J].蓄电池, 1992 (2) :10-12.

[6]郭自强.铅酸蓄电池的经济寿命[J].船电技术, 2014, 34 (2) :13-16.