家用光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 驍，胡忠平，時(shí)金林，趙小飛

（1.南京熊貓電子股份有限公司特種電源研發(fā)部 江蘇 南京210002；2.江蘇科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

家用光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 驍1，2，胡忠平1，時(shí)金林1，趙小飛1

（1.南京熊貓電子股份有限公司特種電源研發(fā)部 江蘇 南京210002；2.江蘇科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

針對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)用電量不足和太陽(yáng)能資源不能充分開發(fā)等問(wèn)題，基于自行研制的以芯片為主體的控制板，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型高效的家用光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，詳細(xì)地介紹了該系統(tǒng)的整體架構(gòu)、電路原理及其現(xiàn)實(shí)功能。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有可靠性高、通用性強(qiáng)、安全性好、環(huán)境保護(hù)效果好的特點(diǎn)，達(dá)到了期望的設(shè)計(jì)要求。

控制板；儲(chǔ)能系統(tǒng)；光伏能源；安全性；通用性

Abstract:To solve the problems that electricity shortage is not enough in the peak power demand and solar energy resources can not be fully developed，based on the control panel developed by chips，we have designed and implemented a new efficient household photovoltaic energy storage system.This paper introduces the overall architecture of our designed system，the circuit principle and its practical functions.The practical application shows that our system has the characteristics of high reliability，strong universality， good safety and good effect in environmental protection，and it has achieved the design requirements.

Key words:control board；energy storage system； photovoltaic energy；safety； versatility

充分開發(fā)利用太陽(yáng)能新能源是世界各國(guó)可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策，是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定性影響的技術(shù)之一。家用智能光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)[1-3]就是利用光能發(fā)電，用于電網(wǎng)負(fù)荷高峰之時(shí)，也可用作為野外應(yīng)急電源，其使用的靈活性以及攜帶便捷等特點(diǎn)使得光伏能源系統(tǒng)的應(yīng)用尤為廣泛。更有價(jià)值的是，太陽(yáng)光屬于環(huán)保無(wú)污染的綠色清潔能源，為鼓勵(lì)太陽(yáng)能的開發(fā)和利用，各國(guó)政府分別積極制定各種優(yōu)惠政策來(lái)推動(dòng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的發(fā)展。

文中設(shè)計(jì)了一種新型的基于自行研制以芯片為主體的控制板[4-6]的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可靠性高、通用性強(qiáng)、安全性好、環(huán)境保護(hù)效果好的家用智能光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要有兩個(gè)部分組成：光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)和智能管理系統(tǒng)，組成如圖1所示。

圖1 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)和智能管理系統(tǒng)框架圖

1.1 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)框架圖

各個(gè)模塊的具體功能如下：

1）最大功率點(diǎn)跟蹤控制器（MPPT）模塊：光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的利用率除了與光伏電池的內(nèi)部特性有關(guān)外，還受使用環(huán)境、負(fù)載和溫度等因素的影響。在不同的外界條件下，光伏電池可運(yùn)行在不同且唯一的最大功率點(diǎn)上。根據(jù)電路原理，當(dāng)光伏電池的輸出阻抗與負(fù)載阻抗相等時(shí)，光伏電池的輸出功率最大。因此，光伏電池的MPPT過(guò)程實(shí)際上就是使光伏電池輸出阻抗和負(fù)載阻抗等值相匹配的過(guò)程。通過(guò)控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載阻抗的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，并使其跟蹤光伏電池的輸出阻抗，就可實(shí)現(xiàn)光伏電池的MPPT控制。常用的MPPT控制拓?fù)潆娐啡鏐uck、Boost等斬波電路，典型的自尋優(yōu)類MPPT算法有擾動(dòng)觀測(cè)法和電導(dǎo)增量法。

2）AC/DC充電器模塊：在設(shè)備備用模式下，市電有效的輸入利用，其中一路可以旁路供電；另外一路通過(guò)充電器環(huán)節(jié)，可將市電轉(zhuǎn)變成與電池組匹配的電池電壓，進(jìn)而對(duì)電池組充電。

3）電池管理系統(tǒng)（BMS）模塊：在離網(wǎng)式光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中，蓄電池起著至關(guān)重要的作用：白天它既能作為太陽(yáng)能不足的補(bǔ)充，又能作為多余太陽(yáng)能的存貯；夜晚它是負(fù)載的可供能源。雖然在不同地方（光照、溫度不同），不同要求（負(fù)載、可靠性等）的獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，蓄電池配置的容量有較大不同，但蓄電池在系統(tǒng)的初期投資中一般占到l/4～1/2，而蓄電池又是整個(gè)光伏系統(tǒng)中較薄弱的環(huán)節(jié)，使在獨(dú)立光伏系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行壽命中蓄電池成為最昂貴的部件，這主要由于許多蓄電池達(dá)不到其使用壽命而提前失效，系統(tǒng)不得不更換。這些問(wèn)題的解決除了對(duì)蓄電池本身進(jìn)行性能提高外，系統(tǒng)能量管理的好壞對(duì)評(píng)價(jià)整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比影響重大。

4）蓄電池的充、放電控制模塊：采用合理優(yōu)化的算法，保證系統(tǒng)供電和延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命兼顧，使整個(gè)光伏系統(tǒng)的運(yùn)行及性能指標(biāo)達(dá)到最佳，這將是管理系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容。具體細(xì)分如：①了解蓄電池的健康狀態(tài)SOH（State of Health）；②根據(jù)SOH以及其它參數(shù)，確定蓄電池的荷電狀態(tài)SOC（State of Capacity）；③根據(jù)蓄電池的SOH與SOC，確定合適的充電策略，提高蓄電池的SOC；④根據(jù)蓄電池的SOC，制定放電策略等。對(duì)蓄電池來(lái)說(shuō)，充放電控制和容量預(yù)測(cè)是其核心。

5）能源系統(tǒng)控制器主板（Power）模塊：負(fù)責(zé)整機(jī)系統(tǒng)中各單板電路的電氣或通信連接，并對(duì)其輸入輸出進(jìn)行檢測(cè)或保護(hù)等。

6）DC/AC 逆變器（Inverter）模塊：光伏逆變器是將光伏電池或蓄電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成符合用電設(shè)備供電要求的交流電的交直流轉(zhuǎn)換電力電子設(shè)備，是光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中的核心環(huán)節(jié)。光伏逆變器的性能直接影響到對(duì)用電設(shè)備的供電電能質(zhì)量，采用合適的電路拓?fù)渑c適宜的控制策略將有效地提高光伏逆變器的品質(zhì)。

1.2 智能管理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

智能管理系統(tǒng)示意框圖如圖3所示。

圖3 智能管理系統(tǒng)框架圖

智能管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)市電和光伏電能的計(jì)量，統(tǒng)計(jì)用戶的用電某段時(shí)間內(nèi)的用電量，分析用戶的用電習(xí)慣，給用戶提供良好的用電分析和用電規(guī)劃，讓用戶能合理用電、充分用電、節(jié)約用電。

2）通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)家用電路異常檢測(cè)和保護(hù)，比如出現(xiàn)短路或者過(guò)流的情況，控制器能在安全時(shí)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)市電或者光伏用電的斷路保護(hù)功能，可以通過(guò)閃燈或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上報(bào)給用戶端告警信息提示。

3）通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)市電或者光伏電的強(qiáng)制切換。通常白天太陽(yáng)能比較充足的情況下，以光伏供電為主，夜晚或者太陽(yáng)不充分的情況下，切換到市電。通過(guò)控制器可以在某些特殊情況下，實(shí)現(xiàn)人為的干預(yù)切換，保證系統(tǒng)能正?？煽康墓ぷ?。

4）控制器可以通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)（485現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)絡(luò)） 或者無(wú)線、 網(wǎng)絡(luò)（wifi、zigbee、315M、433M等）對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電器（空調(diào)、熱水器、地暖、智能開關(guān)、音響、監(jiān)控報(bào)警等）進(jìn)行控制。比如控制器可以通過(guò)溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)置某些溫濕度基值，當(dāng)環(huán)境溫濕度與該基值有差異時(shí)，控制器在判斷是否光伏優(yōu)先供電的情況下控制空調(diào)、地暖等設(shè)備對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行改變，打造用戶最舒適的家用環(huán)境。用戶還可以通過(guò)控制器進(jìn)行定時(shí)控制，指定某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，判斷是否光伏優(yōu)先等設(shè)置對(duì)家用電器設(shè)備進(jìn)行控制。

5）控制器通過(guò)wifi或者有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制終端的通信連接。針對(duì)目前手機(jī)和平板常用的Android和iOS操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)常用的Windows操作系統(tǒng)開發(fā)相應(yīng)的用戶管理程序，該程序可以實(shí)時(shí)查詢多個(gè)家用管理系統(tǒng)控制器的狀態(tài)，包括正常狀態(tài)信息和告警信息、實(shí)時(shí)用電度數(shù)和歷史度數(shù)等?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)家用管理系統(tǒng)控制器遠(yuǎn)程控制，例如可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)市電或者光伏電的強(qiáng)制開關(guān)和切換，遠(yuǎn)程對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電器進(jìn)行控制。

2 主要電路的原理與控制方法描述

2.1 MPPT控制電路分析

在MPPT的主電路設(shè)計(jì)中，考慮到光伏板的輸出電壓高于蓄電池總正總負(fù)兩端端電壓以及光伏逆變器的輸入側(cè)電壓，因此采用經(jīng)典的Buck斬波電路進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。

如圖4為系統(tǒng)中的Buck主電路，Buck變換器[9]通過(guò)斬波形式將平均輸出電壓予以降低，將輸入接在光伏電池輸出端。典型的Buck電路是連續(xù)向負(fù)載供電、間斷從電源取電的，這樣會(huì)造成光伏電池板輸出電流不連續(xù)而損失其發(fā)電功率，因此在光伏電池板的輸出端并聯(lián)電容器以保證光伏電池輸出電流的連續(xù)。通過(guò)調(diào)節(jié)Buck電路的開通占空比D以達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載電壓的功效，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)光伏陣列輸出平均功率的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)控制。

圖4 MPPT控制Buck主電路

最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預(yù)測(cè)當(dāng)前工況下陣列可能的最大輸出功率。在自尋優(yōu)MPPT算法中，比較經(jīng)典的有擾動(dòng)觀測(cè)法和電導(dǎo)增量法，本項(xiàng)目中擬采用擾動(dòng)觀測(cè)法。擾動(dòng)觀測(cè)法的基本思想是：首先擾動(dòng)光伏電池的輸出電壓（或電流），然后觀測(cè)光伏電池輸出功率的變化，根據(jù)功率變化的趨勢(shì)連續(xù)改變擾動(dòng)電壓（或電流）的方向，使光伏電池最終工作于最大功率點(diǎn)。擾動(dòng)觀測(cè)法的控制流程圖如圖5所示。

圖5 擾動(dòng)觀測(cè)法控制流程圖

2.2 電池管理過(guò)程分析

如圖6所示，電池管理部分包括了光伏儲(chǔ)能系 統(tǒng)中的蓄電池、充放電控制器及其控制器。本項(xiàng)目使用的儲(chǔ)能電池是磷酸鐵鋰電池組。

圖6 儲(chǔ)能部分構(gòu)成圖

蓄電池充電控制：在實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)的充電器中，為實(shí)現(xiàn)設(shè)定的充電模式，必須對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行控制。充電控制主要包括充電程度判斷，從放電狀態(tài)到充電狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，充電各階段模式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換及停充控制等方面。充電過(guò)程一般依次為主充、均充和浮充3個(gè)階段。在充電過(guò)程中必須實(shí)時(shí)判斷蓄電池充電程度，以控制充電電流的大小。采用常規(guī)經(jīng)典的MCU對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行充電控制。

蓄電池放電控制：在電池管理系統(tǒng)中需要加入放電控制環(huán)節(jié)。這樣，在放電過(guò)程中，通過(guò)對(duì)電池荷電狀態(tài)SOC或者剩余容量的檢測(cè)以及放電電流、溫度等方面的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電池或者整機(jī)系統(tǒng)的保護(hù)。

2.3 逆變器電路概述

在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中，逆變器起到將光伏電池或儲(chǔ)能電池組的輸出電壓轉(zhuǎn)變成用電設(shè)備供電需要的交流電。本項(xiàng)目中大功率光伏逆變器使用的H橋結(jié)構(gòu)的變換器，其控制使用的是專用的MCU芯片，SPWM控制技術(shù)。

2.4 均衡充電管理方案架構(gòu)

在獨(dú)立離網(wǎng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)中，往往由MPPT功率單板或者AC/DC充電電源給儲(chǔ)能電池主充電，且常分成多階段的充電，包括多段式恒流充電、恒壓浮充等過(guò)程。本均衡管理系統(tǒng)采用主動(dòng)均衡的設(shè)計(jì)理念，將電池組的能量傳遞給監(jiān)測(cè)電壓較低的單體電池。圖7為均衡方案的結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)中的儲(chǔ)能電池包由8節(jié)磷酸鐵鋰電池單體串聯(lián)構(gòu)成，以在線電壓反應(yīng)電池容量，通過(guò)對(duì)電池組各單體電池端電壓的濾波與選通，采樣之后送入均衡管理控制中心MCU單元，單片機(jī)[7-8]對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行判斷比較，決定是否觸發(fā)均衡充電命令。若系統(tǒng)達(dá)到均衡充電條件，單片機(jī)將反饋需要均衡充電的單體電池位號(hào)[9]，打開均衡電路中相應(yīng)的充電開關(guān)，繼而對(duì)電池包內(nèi)欠壓最嚴(yán)重的單體電池充電，其供電電源由電池組通過(guò)一個(gè)隔離的恒流輸出電源模塊而提供。若電池組在放電過(guò)程中，單體電池間容量差異大而需要均衡時(shí)，亦可使用同樣的方法，但均衡電流需要足夠大以彌補(bǔ)大電流放電帶來(lái)的容量不均衡差異。

圖7 均衡充電方案結(jié)構(gòu)框圖

2.5 均衡管理軟件控制設(shè)計(jì)

主動(dòng)均衡管理[10-11]的控制流程如圖8所示。單板上電且程序運(yùn)行之后，MCU會(huì)實(shí)時(shí)巡檢電池包內(nèi)各單體電池電壓信號(hào)，進(jìn)行大小比較得出最高和最低單體電壓值Vmax和Vmin，經(jīng)判斷當(dāng)Vmax－Vmin＞50 mV時(shí)，均衡功能開啟。與此同時(shí)單片機(jī)將確定需要均衡充電的單體電池的對(duì)應(yīng)開關(guān)信號(hào)，對(duì)欠壓最多的的單體實(shí)施恒流充電[12-13]，當(dāng)均衡充電定時(shí)到達(dá)則均衡結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)程序循環(huán)。

圖8 主動(dòng)均衡管理控制流程圖

由此可見(jiàn)，均衡效果主要取決于系統(tǒng)的檢測(cè)采樣精度以及AD轉(zhuǎn)換速度。與此同時(shí)均衡電流的大小不宜太小，否則難以跟上單體電壓差異逐漸增大的趨勢(shì)。可由具體的電池容量值以及充電電流值的大小來(lái)決定均衡充電電流。

3 系統(tǒng)主要功能

3.1 光伏供電

在 AC（市電）正常，PV（光伏）正常的情況下，系統(tǒng)優(yōu)先采用PV（光伏）給負(fù)載供電，AC（市電）處于備用狀態(tài)。PV充足時(shí)，太陽(yáng)能板經(jīng)過(guò)系統(tǒng)中太陽(yáng)能控制器調(diào)整到最大供電狀態(tài)，經(jīng)過(guò)逆變器[14-15]供給負(fù)載使用（市電為備用狀態(tài)），同時(shí)多余電量給蓄電池充電，如果太陽(yáng)能板供電不足時(shí)，蓄電池補(bǔ)充輸出供負(fù)載使用，當(dāng)電池放電至SOC30%時(shí)，電池停止供電，由市電供電，PV繼續(xù)對(duì)電池充電，當(dāng)電池SOC大于80%，切回至逆變輸出。

3.2 逆變器供電

當(dāng)市電異常時(shí)，太陽(yáng)能供電不足，系統(tǒng)會(huì)使用電池能量，通過(guò)系統(tǒng)逆變器給負(fù)載供電，當(dāng)電池放電至SOC20%時(shí)提示電池低壓報(bào)警 （1次/2sec），SOC15%（或單體最低電壓＜3.09 V）二級(jí)報(bào)警（1次/1sec）電池放電至SOC10%時(shí)停止輸出。市電恢復(fù)后，系統(tǒng)會(huì)轉(zhuǎn)換到市電，提供給負(fù)載使用，同時(shí)會(huì)使用市電給電池充電至SOC50%。當(dāng)電池SOC大于80%，切回至逆變輸出。

3.3 AC旁路供電

市電良好時(shí)，負(fù)載由AC旁路供電，并對(duì)電池充電至80%SOC，停止市電充電；當(dāng)電池SOC大于90%，切換至逆變供電；電池容量降至80%SOC，再切換至旁路模式；當(dāng)市電斷電時(shí)，產(chǎn)品自動(dòng)切換到電池給負(fù)載供電，當(dāng)電池放電至SOC20%時(shí)提示電池低壓報(bào)警 （1次/2sec），SOC15%（或單體最低電壓＜3.09 V）二級(jí)報(bào)警（1次/1sec）電池放電至SOC10%時(shí)停止輸出。

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案以自行研制芯片控制板為平臺(tái)，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。實(shí)際應(yīng)用表明該產(chǎn)品操作簡(jiǎn)單人性化，可靠性安全性高且成本低廉，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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Design and implementation of household photovoltaic energy storage system

ZHANG Xiao1，2， HU Zhong-ping1， SHI Jin-lin1， ZHAO Xiao-fei1
（1.Special Power Supply Research and Development Department， Nanjing Panda Electronics Co.，LTD.， Nanjing210002，China；2.School of Computer Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang212003，China）

TN7

A

1674－6236（2017）19-0165-05

2016-08-30稿件編號(hào)201608229

江蘇省普通高校學(xué)術(shù)學(xué)位研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（KYLX16_0505）；江蘇科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目資助（YCX15S-10）

張 驍（1990—），女，江蘇揚(yáng)州人，碩士，助理工程師。研究方向:嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)。