家用光伏儲能系統的設計與實現

張 驍，胡忠平，時金林，趙小飛

（1.南京熊貓電子股份有限公司特種電源研發部 江蘇 南京210002；2.江蘇科技大學 計算機科學與工程學院，江蘇 鎮江 212003）

家用光伏儲能系統的設計與實現

張 驍1，2，胡忠平1，時金林1，趙小飛1

（1.南京熊貓電子股份有限公司特種電源研發部 江蘇 南京210002；2.江蘇科技大學 計算機科學與工程學院，江蘇 鎮江 212003）

針對電網負荷高峰時用電量不足和太陽能資源不能充分開發等問題，基于自行研制的以芯片為主體的控制板，設計并實現了一種新型高效的家用光伏儲能系統，詳細地介紹了該系統的整體架構、電路原理及其現實功能。實際應用表明，該系統具有可靠性高、通用性強、安全性好、環境保護效果好的特點，達到了期望的設計要求。

控制板；儲能系統；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

充分開發利用太陽能新能源是世界各國可持續發展的能源戰略決策，是21世紀世界經濟發展中最具決定性影響的技術之一。家用智能光伏儲能系統[1-3]就是利用光能發電，用于電網負荷高峰之時，也可用作為野外應急電源，其使用的靈活性以及攜帶便捷等特點使得光伏能源系統的應用尤為廣泛。更有價值的是，太陽光屬于環保無污染的綠色清潔能源，為鼓勵太陽能的開發和利用，各國政府分別積極制定各種優惠政策來推動太陽能光伏發電的發展。

文中設計了一種新型的基于自行研制以芯片為主體的控制板[4-6]的光伏儲能系統，有效實現了一個可靠性高、通用性強、安全性好、環境保護效果好的家用智能光伏儲能系統。

1 系統設計

該系統主要有兩個部分組成：光伏儲能系統和智能管理系統，組成如圖1所示。

圖1 光伏儲能系統和智能管理系統框架圖

1.1 光伏儲能系統的方案設計

光伏儲能系統的組成如圖2所示。

圖2 光伏儲能系統框架圖

各個模塊的具體功能如下：

1）最大功率點跟蹤控制器（MPPT）模塊：光伏發電系統中，光伏電池的利用率除了與光伏電池的內部特性有關外，還受使用環境、負載和溫度等因素的影響。在不同的外界條件下，光伏電池可運行在不同且唯一的最大功率點上。根據電路原理，當光伏電池的輸出阻抗與負載阻抗相等時，光伏電池的輸出功率最大。因此，光伏電池的MPPT過程實際上就是使光伏電池輸出阻抗和負載阻抗等值相匹配的過程。通過控制方法實現對負載阻抗的實時調節，并使其跟蹤光伏電池的輸出阻抗，就可實現光伏電池的MPPT控制。常用的MPPT控制拓撲電路如Buck、Boost等斬波電路，典型的自尋優類MPPT算法有擾動觀測法和電導增量法。

2）AC/DC充電器模塊：在設備備用模式下，市電有效的輸入利用，其中一路可以旁路供電；另外一路通過充電器環節，可將市電轉變成與電池組匹配的電池電壓，進而對電池組充電。

3）電池管理系統（BMS）模塊：在離網式光伏儲能系統中，蓄電池起著至關重要的作用：白天它既能作為太陽能不足的補充，又能作為多余太陽能的存貯；夜晚它是負載的可供能源。雖然在不同地方（光照、溫度不同），不同要求（負載、可靠性等）的獨立光伏系統中，蓄電池配置的容量有較大不同，但蓄電池在系統的初期投資中一般占到l/4～1/2，而蓄電池又是整個光伏系統中較薄弱的環節，使在獨立光伏系統整個運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不到其使用壽命而提前失效，系統不得不更換。這些問題的解決除了對蓄電池本身進行性能提高外，系統能量管理的好壞對評價整個系統的性價比影響重大。

4）蓄電池的充、放電控制模塊：采用合理優化的算法，保證系統供電和延長蓄電池的使用壽命兼顧，使整個光伏系統的運行及性能指標達到最佳，這將是管理系統的研究內容。具體細分如：①了解蓄電池的健康狀態SOH（State of Health）；②根據SOH以及其它參數，確定蓄電池的荷電狀態SOC（State of Capacity）；③根據蓄電池的SOH與SOC，確定合適的充電策略，提高蓄電池的SOC；④根據蓄電池的SOC，制定放電策略等。對蓄電池來說，充放電控制和容量預測是其核心。

5）能源系統控制器主板（Power）模塊：負責整機系統中各單板電路的電氣或通信連接，并對其輸入輸出進行檢測或保護等。

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換成符合用電設備供電要求的交流電的交直流轉換電力電子設備，是光伏儲能系統中的核心環節。光伏逆變器的性能直接影響到對用電設備的供電電能質量，采用合適的電路拓撲與適宜的控制策略將有效地提高光伏逆變器的品質。

1.2 智能管理系統的方案設計

智能管理系統示意框圖如圖3所示。

圖3 智能管理系統框架圖

智能管理系統主要實現如下功能：

1）通過控制器實現市電和光伏電能的計量，統計用戶的用電某段時間內的用電量，分析用戶的用電習慣，給用戶提供良好的用電分析和用電規劃，讓用戶能合理用電、充分用電、節約用電。

2）通過控制器實現家用電路異常檢測和保護，比如出現短路或者過流的情況，控制器能在安全時間范圍內實現對市電或者光伏用電的斷路保護功能，可以通過閃燈或者無線網絡上報給用戶端告警信息提示。

3）通過控制器實現對市電或者光伏電的強制切換。通常白天太陽能比較充足的情況下，以光伏供電為主，夜晚或者太陽不充分的情況下，切換到市電。通過控制器可以在某些特殊情況下，實現人為的干預切換，保證系統能正常可靠的工作。

4）控制器可以通過有線網絡（485現場總線、以太網絡） 或者無線、 網絡（wifi、zigbee、315M、433M等）對家庭網絡內的電器（空調、熱水器、地暖、智能開關、音響、監控報警等）進行控制。比如控制器可以通過溫濕度傳感器對環境溫濕度進行監測，設置某些溫濕度基值，當環境溫濕度與該基值有差異時，控制器在判斷是否光伏優先供電的情況下控制空調、地暖等設備對環境溫度進行改變，打造用戶最舒適的家用環境。用戶還可以通過控制器進行定時控制，指定某個時間點，判斷是否光伏優先等設置對家用電器設備進行控制。

5）控制器通過wifi或者有線網絡實現與遠程控制終端的通信連接。針對目前手機和平板常用的Android和iOS操作系統，計算機常用的Windows操作系統開發相應的用戶管理程序，該程序可以實時查詢多個家用管理系統控制器的狀態，包括正常狀態信息和告警信息、實時用電度數和歷史度數等。可以實現對家用管理系統控制器遠程控制，例如可以實現遠程對市電或者光伏電的強制開關和切換，遠程對家庭網絡內的電器進行控制。

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的主電路設計中，考慮到光伏板的輸出電壓高于蓄電池總正總負兩端端電壓以及光伏逆變器的輸入側電壓，因此采用經典的Buck斬波電路進行功率調節。

如圖4為系統中的Buck主電路，Buck變換器[9]通過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電路是連續向負載供電、間斷從電源取電的，這樣會造成光伏電池板輸出電流不連續而損失其發電功率，因此在光伏電池板的輸出端并聯電容器以保證光伏電池輸出電流的連續。通過調節Buck電路的開通占空比D以達到調節負載電壓的功效，進而達到調節光伏陣列輸出平均功率的目的，實現對光伏陣列最大功率點控制。

圖4 MPPT控制Buck主電路

最大功率點跟蹤控制策略實時檢測光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預測當前工況下陣列可能的最大輸出功率。在自尋優MPPT算法中，比較經典的有擾動觀測法和電導增量法，本項目中擬采用擾動觀測法。擾動觀測法的基本思想是：首先擾動光伏電池的輸出電壓（或電流），然后觀測光伏電池輸出功率的變化，根據功率變化的趨勢連續改變擾動電壓（或電流）的方向，使光伏電池最終工作于最大功率點。擾動觀測法的控制流程圖如圖5所示。

圖5 擾動觀測法控制流程圖

2.2 電池管理過程分析

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

圖6 儲能部分構成圖

蓄電池充電控制：在實際的光伏發電系統的充電器中，為實現設定的充電模式，必須對充電過程進行控制。充電控制主要包括充電程度判斷，從放電狀態到充電狀態的自動轉換，充電各階段模式的自動轉換及停充控制等方面。充電過程一般依次為主充、均充和浮充3個階段。在充電過程中必須實時判斷蓄電池充電程度，以控制充電電流的大小。采用常規經典的MCU對電池管理系統進行充電控制。

蓄電池放電控制：在電池管理系統中需要加入放電控制環節。這樣，在放電過程中，通過對電池荷電狀態SOC或者剩余容量的檢測以及放電電流、溫度等方面的檢測，實現對儲能電池或者整機系統的保護。

2.3 逆變器電路概述

在光伏儲能系統中，逆變器起到將光伏電池或儲能電池組的輸出電壓轉變成用電設備供電需要的交流電。本項目中大功率光伏逆變器使用的H橋結構的變換器，其控制使用的是專用的MCU芯片，SPWM控制技術。

2.4 均衡充電管理方案架構

在獨立離網式儲能系統中，往往由MPPT功率單板或者AC/DC充電電源給儲能電池主充電，且常分成多階段的充電，包括多段式恒流充電、恒壓浮充等過程。本均衡管理系統采用主動均衡的設計理念，將電池組的能量傳遞給監測電壓較低的單體電池。圖7為均衡方案的結構框圖，系統中的儲能電池包由8節磷酸鐵鋰電池單體串聯構成，以在線電壓反應電池容量，通過對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[7-8]對采集的信號進行判斷比較，決定是否觸發均衡充電命令。若系統達到均衡充電條件，單片機將反饋需要均衡充電的單體電池位號[9]，打開均衡電路中相應的充電開關，繼而對電池包內欠壓最嚴重的單體電池充電，其供電電源由電池組通過一個隔離的恒流輸出電源模塊而提供。若電池組在放電過程中，單體電池間容量差異大而需要均衡時，亦可使用同樣的方法，但均衡電流需要足夠大以彌補大電流放電帶來的容量不均衡差異。

圖7 均衡充電方案結構框圖

2.5 均衡管理軟件控制設計

主動均衡管理[10-11]的控制流程如圖8所示。單板上電且程序運行之后，MCU會實時巡檢電池包內各單體電池電壓信號，進行大小比較得出最高和最低單體電壓值Vmax和Vmin，經判斷當Vmax－Vmin＞50 mV時，均衡功能開啟。與此同時單片機將確定需要均衡充電的單體電池的對應開關信號，對欠壓最多的的單體實施恒流充電[12-13]，當均衡充電定時到達則均衡結束，進入下一個程序循環。

圖8 主動均衡管理控制流程圖

由此可見，均衡效果主要取決于系統的檢測采樣精度以及AD轉換速度。與此同時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。可由具體的電池容量值以及充電電流值的大小來決定均衡充電電流。

3 系統主要功能

3.1 光伏供電

在 AC（市電）正常，PV（光伏）正常的情況下，系統優先采用PV（光伏）給負載供電，AC（市電）處于備用狀態。PV充足時，太陽能板經過系統中太陽能控制器調整到最大供電狀態，經過逆變器[14-15]供給負載使用（市電為備用狀態），同時多余電量給蓄電池充電，如果太陽能板供電不足時，蓄電池補充輸出供負載使用，當電池放電至SOC30%時，電池停止供電，由市電供電，PV繼續對電池充電，當電池SOC大于80%，切回至逆變輸出。

3.2 逆變器供電

當市電異常時，太陽能供電不足，系統會使用電池能量，通過系統逆變器給負載供電，當電池放電至SOC20%時提示電池低壓報警 （1次/2sec），SOC15%（或單體最低電壓＜3.09 V）二級報警（1次/1sec）電池放電至SOC10%時停止輸出。市電恢復后，系統會轉換到市電，提供給負載使用，同時會使用市電給電池充電至SOC50%。當電池SOC大于80%，切回至逆變輸出。

3.3 AC旁路供電

市電良好時，負載由AC旁路供電，并對電池充電至80%SOC，停止市電充電；當電池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；當市電斷電時，產品自動切換到電池給負載供電，當電池放電至SOC20%時提示電池低壓報警 （1次/2sec），SOC15%（或單體最低電壓＜3.09 V）二級報警（1次/1sec）電池放電至SOC10%時停止輸出。

4 結 論

本系統設計實現方案以自行研制芯片控制板為平臺，軟件設計采用模塊化設計思想，提高了系統的可靠性和可維護性。實際應用表明該產品操作簡單人性化，可靠性安全性高且成本低廉，達到了設計要求。

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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201608229

江蘇省普通高校學術學位研究生科研創新計劃項目（KYLX16_0505）；江蘇科技大學研究生科技創新計劃項目資助（YCX15S-10）

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