戶用光伏一體化接入設(shè)備的集成設(shè)計(jì)應(yīng)用

劉莉娜+汪靜+王婷婷

摘要：分析了現(xiàn)有分布式光伏發(fā)電設(shè)備在普通家庭、偏遠(yuǎn)地區(qū)弱電網(wǎng)無(wú)電地區(qū)等場(chǎng)景下的應(yīng)用情況，對(duì)于普通居民用戶設(shè)計(jì)難度大、施工繁瑣、維護(hù)運(yùn)營(yíng)不便等問(wèn)題，提出了采用智能離/并網(wǎng)/儲(chǔ)能智能切換的管理策略的戶用光伏一體化接入集成解決方案。研究了設(shè)備組成的各個(gè)功能模塊，并通過(guò)分析一般普通用戶晝夜用電實(shí)際需求及設(shè)備應(yīng)用的可行性，計(jì)算出了系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載所需配置的逆變器以及蓄電池組容量，并測(cè)算了應(yīng)用設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;光伏;戶用光伏;一體化;接入設(shè)備

中圖分類號(hào)：TM615.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-9944（2014）12-0200-03

1引言

隨著全球人口的不斷增加和能源用電量的急劇上升，能源危機(jī)已成為世界各國(guó)共同面臨的問(wèn)題。廣泛使用新興綠色能源對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義，太陽(yáng)能應(yīng)用正是國(guó)家重點(diǎn)提倡開(kāi)發(fā)利用的綠色能源。分布式太陽(yáng)能發(fā)電也一定程度上減輕了國(guó)家在發(fā)電、輸電、配電上的財(cái)政壓力，在弱電網(wǎng)甚至是無(wú)電地區(qū)太陽(yáng)能發(fā)電直接改善了當(dāng)?shù)鼐用竦挠秒姉l件，有效提高了人民的生活水平。因此發(fā)展太陽(yáng)能這種綠色能源，如何將光伏新能源高效便捷地應(yīng)用到普通家庭用戶中是一件非常有經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)效益的課題。光伏企業(yè)通過(guò)現(xiàn)有成熟可靠產(chǎn)品和技術(shù)，解決普通用戶在使用光伏產(chǎn)品時(shí)的集成設(shè)計(jì)屏障、工程施工難題以及運(yùn)維使用的顧慮，使戶用光伏產(chǎn)品真正成為千萬(wàn)普通家庭中的一款“電器”產(chǎn)品。

2戶用光伏一體化接入設(shè)備的組成

戶用光伏一體化接入設(shè)備的組成如圖1深色虛線框圖所示。設(shè)備主要由智能光伏逆變器（含控制器）、電雙向計(jì)量模塊、模塊化鋰電池以及電池管理系統(tǒng)（BMS）等功能部件深度集成組成，具有太陽(yáng)能發(fā)電、儲(chǔ)能、分布式并網(wǎng)、離網(wǎng)自用等多種功能。

在應(yīng)用中，光伏電池組件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口接入一體化設(shè)備，逆變器將光伏組件的直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娫礊橛脩籼峁┏掷m(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)，同時(shí)將多余電能并網(wǎng)發(fā)電或儲(chǔ)存到本地電池中。在電網(wǎng)故障或夜間，設(shè)備能夠離網(wǎng)運(yùn)行并使用儲(chǔ)能電池為用戶獨(dú)立持續(xù)供電。在用電高峰期，可根據(jù)峰谷電價(jià)動(dòng)態(tài)調(diào)整并網(wǎng)發(fā)電量和本地電池儲(chǔ)能電量。

一體化接入設(shè)備具有智能無(wú)線通訊接口，可與外部無(wú)線設(shè)備進(jìn)行通訊（智能家居PAD終端、手機(jī)等），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程為用戶提供發(fā)電實(shí)時(shí)狀態(tài)、電池儲(chǔ)能等設(shè)備工作情況。同時(shí)為用戶推送最新電網(wǎng)電價(jià)政策、光照環(huán)境參數(shù)、家庭負(fù)載用電情況，并智能建議用戶選擇合理的運(yùn)行模

圖1應(yīng)用框圖

式（并網(wǎng)/儲(chǔ)能/離網(wǎng)）以最大化保證用戶的新能源收益。

2.1光伏智能逆變器

智能光伏逆變器是戶用光伏一體化接入設(shè)備的核心部件，其功能框圖如圖2所示，逆變器將光伏組件的直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源供負(fù)載或并網(wǎng)發(fā)電使用;同時(shí)逆變器具有光伏充電控制的功能，負(fù)責(zé)對(duì)儲(chǔ)能電池充放電的管理。

圖2智能光伏逆變器功能框

2.1.1光伏充電控制器

光伏充電控制器主要功能是采用降壓模式使光伏電池板的電能變換成穩(wěn)定的電壓電流為鋰電池充電。充電控制器分為充電模式、PV模式、智能管理三種工作模式，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。充電模式是通過(guò)電池控制部分的開(kāi)關(guān)，在鋰電池充電過(guò)程中電池控制部分開(kāi)關(guān)閉合，光伏充電機(jī)開(kāi)始充電，剩余的電量通過(guò)總輸出回饋到電網(wǎng);PV模式是當(dāng)電池充滿后，斷開(kāi)充電回路的開(kāi)關(guān)，將光伏電池板不經(jīng)過(guò)變換部分直接連接到總輸出，提高系統(tǒng)的整體效率;智能管理模式是系統(tǒng)控制器根據(jù)用戶用電現(xiàn)狀、環(huán)境光照條件、電池儲(chǔ)能狀態(tài)、當(dāng)前電價(jià)政策等多個(gè)條件，根據(jù)預(yù)設(shè)自動(dòng)管理電池充電與交流發(fā)電的能源配比。同時(shí)光伏電池充電機(jī)通過(guò)內(nèi)部通訊把光伏電池板電壓、光伏電池板電流、電池電壓電流和系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息傳送到監(jiān)控裝置，通過(guò)監(jiān)控器可以對(duì)電池管理部分功能進(jìn)行設(shè)置。

圖3光伏電池充電機(jī)（DC/DC）

2.1.2光伏并網(wǎng)離網(wǎng)一體型逆變器

光伏并網(wǎng)離網(wǎng)一體型逆變器具備并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行兩種工作模式。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)就是一個(gè)光伏并網(wǎng)逆變器，市電斷電或超出正常范圍后，通過(guò)輸出控制單元將市電斷開(kāi)，逆變器快速切換到離網(wǎng)運(yùn)行模式。逆變器在并網(wǎng)模式是控制電流為主，離網(wǎng)模式是控制電壓為主，通過(guò)內(nèi)部高度數(shù)字控制芯片DSP控制部分進(jìn)行模式切換。內(nèi)部主要功能框圖如下（圖4）。

圖4光伏并網(wǎng)離網(wǎng)一體型逆變器（DC/AC）

2.1.3輸出控制單元

輸出控制單元是管理設(shè)備交流輸出工作狀態(tài)的部件。市電正常時(shí)，K1、K2閉合設(shè)備處于光伏并網(wǎng)工作模式;市電超出正常范圍或智能脫離電網(wǎng)模式，通過(guò)輸出控制單元將K1斷開(kāi)，K2閉合設(shè)備切換到離網(wǎng)運(yùn)行模式。設(shè)備采用光伏專用快速型電磁繼電器作為切換開(kāi)關(guān)，根據(jù)系統(tǒng)控制器指令進(jìn)行工作模式切換。切換速度優(yōu)于10ms，不會(huì)影響到用戶電子設(shè)備的連續(xù)工作狀態(tài)（圖5）。

2.2雙向計(jì)量模塊

戶用光伏一體化接入設(shè)備通過(guò)余電上網(wǎng)的形式為用戶產(chǎn)生效益，因此在設(shè)計(jì)應(yīng)用中必須采用形式多樣、計(jì)量精確的電功檢測(cè)裝置。設(shè)備采用高精度數(shù)字型雙

圖5輸出控制單元

向計(jì)量模塊，具有測(cè)量正向和反向有功電能、輸入輸出視在電能、多項(xiàng)防竊電檢測(cè)功能、最大8費(fèi)率TOU設(shè)計(jì)、零線電流和最大需量測(cè)量功能、強(qiáng)磁場(chǎng)檢測(cè)功能、數(shù)據(jù)通訊功能。計(jì)量模塊具有極高的可靠性，采用高精度電流傳感器、專用電能計(jì)量芯片、MCU、高精度專用時(shí)鐘芯片及長(zhǎng)壽命耐高溫器件等構(gòu)成，具有較好的防溫漂和抗磁場(chǎng)干擾特性。

2.3模塊化鋰電池以及電池管理系統(tǒng)（BMS）

儲(chǔ)能電池是戶用光伏一體化接入設(shè)備的重要組成部件，電池的容量直接影響到系統(tǒng)在無(wú)光弱光情況下的供電能力，電池的性能更是決定了設(shè)備的整機(jī)效率。磷酸鐵鋰電池具有極高的能量密度比、環(huán)境適應(yīng)性以及電氣安全穩(wěn)定性，因此，在本應(yīng)用設(shè)計(jì)中采用鋰電池作為系統(tǒng)的儲(chǔ)能材料。endprint