戶用光伏一體化接入設備的集成設計應用

劉莉娜+汪靜+王婷婷

摘要：分析了現有分布式光伏發電設備在普通家庭、偏遠地區弱電網無電地區等場景下的應用情況，對于普通居民用戶設計難度大、施工繁瑣、維護運營不便等問題，提出了采用智能離/并網/儲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。研究了設備組成的各個功能模塊，并通過分析一般普通用戶晝夜用電實際需求及設備應用的可行性，計算出了系統實際負載所需配置的逆變器以及蓄電池組容量，并測算了應用設計的經濟性社會效益與經濟效益。

關鍵詞：太陽能;光伏;戶用光伏;一體化;接入設備

中圖分類號：TM615.2

文獻標識碼：A文章編號：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，能源危機已成為世界各國共同面臨的問題。廣泛使用新興綠色能源對于保護生態環境具有重要意義，太陽能應用正是國家重點提倡開發利用的綠色能源。分布式太陽能發電也一定程度上減輕了國家在發電、輸電、配電上的財政壓力，在弱電網甚至是無電地區太陽能發電直接改善了當地居民的用電條件，有效提高了人民的生活水平。因此發展太陽能這種綠色能源，如何將光伏新能源高效便捷地應用到普通家庭用戶中是一件非常有經濟意義和社會效益的課題。光伏企業通過現有成熟可靠產品和技術，解決普通用戶在使用光伏產品時的集成設計屏障、工程施工難題以及運維使用的顧慮，使戶用光伏產品真正成為千萬普通家庭中的一款“電器”產品。

2戶用光伏一體化接入設備的組成

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

在應用中，光伏電池組件通過標準接口接入一體化設備，逆變器將光伏組件的直流電源轉變為交流電源為用戶提供持續穩定的電力供應，同時將多余電能并網發電或儲存到本地電池中。在電網故障或夜間，設備能夠離網運行并使用儲能電池為用戶獨立持續供電。在用電高峰期，可根據峰谷電價動態調整并網發電量和本地電池儲能電量。

一體化接入設備具有智能無線通訊接口，可與外部無線設備進行通訊（智能家居PAD終端、手機等），實現遠程為用戶提供發電實時狀態、電池儲能等設備工作情況。同時為用戶推送最新電網電價政策、光照環境參數、家庭負載用電情況，并智能建議用戶選擇合理的運行模

圖1應用框圖

式（并網/儲能/離網）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換為交流電源供負載或并網發電使用;同時逆變器具有光伏充電控制的功能，負責對儲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，其結構框圖如圖3所示。充電模式是通過電池控制部分的開關，在鋰電池充電過程中電池控制部分開關閉合，光伏充電機開始充電，剩余的電量通過總輸出回饋到電網;PV模式是當電池充滿后，斷開充電回路的開關，將光伏電池板不經過變換部分直接連接到總輸出，提高系統的整體效率;智能管理模式是系統控制器根據用戶用電現狀、環境光照條件、電池儲能狀態、當前電價政策等多個條件，根據預設自動管理電池充電與交流發電的能源配比。同時光伏電池充電機通過內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工作狀態等信息傳送到監控裝置，通過監控器可以對電池管理部分功能進行設置。

圖3光伏電池充電機（DC/DC）

2.1.2光伏并網離網一體型逆變器

光伏并網離網一體型逆變器具備并網運行和離網運行兩種工作模式。并網運行時就是一個光伏并網逆變器，市電斷電或超出正常范圍后，通過輸出控制單元將市電斷開，逆變器快速切換到離網運行模式。逆變器在并網模式是控制電流為主，離網模式是控制電壓為主，通過內部高度數字控制芯片DSP控制部分進行模式切換。內部主要功能框圖如下（圖4）。

圖4光伏并網離網一體型逆變器（DC/AC）

2.1.3輸出控制單元

輸出控制單元是管理設備交流輸出工作狀態的部件。市電正常時，K1、K2閉合設備處于光伏并網工作模式;市電超出正常范圍或智能脫離電網模式，通過輸出控制單元將K1斷開，K2閉合設備切換到離網運行模式。設備采用光伏專用快速型電磁繼電器作為切換開關，根據系統控制器指令進行工作模式切換。切換速度優于10ms，不會影響到用戶電子設備的連續工作狀態（圖5）。

2.2雙向計量模塊

戶用光伏一體化接入設備通過余電上網的形式為用戶產生效益，因此在設計應用中必須采用形式多樣、計量精確的電功檢測裝置。設備采用高精度數字型雙

圖5輸出控制單元

向計量模塊，具有測量正向和反向有功電能、輸入輸出視在電能、多項防竊電檢測功能、最大8費率TOU設計、零線電流和最大需量測量功能、強磁場檢測功能、數據通訊功能。計量模塊具有極高的可靠性，采用高精度電流傳感器、專用電能計量芯片、MCU、高精度專用時鐘芯片及長壽命耐高溫器件等構成，具有較好的防溫漂和抗磁場干擾特性。

2.3模塊化鋰電池以及電池管理系統（BMS）

儲能電池是戶用光伏一體化接入設備的重要組成部件，電池的容量直接影響到系統在無光弱光情況下的供電能力，電池的性能更是決定了設備的整機效率。磷酸鐵鋰電池具有極高的能量密度比、環境適應性以及電氣安全穩定性，因此，在本應用設計中采用鋰電池作為系統的儲能材料。endprint