光伏蓄電池電流監控系統仿真實驗的研究

韓 克,羅永通,余劍生

(1.廣東技術師范學院 電子與信息學院,廣東 廣州 510665； 2.廣州特種機電設備檢測研究院,廣東 廣州 510663)

太陽能光伏發電是將光輻射能通過光伏效應直接轉換為電能的發電技術[1-2]。我國擁有大規模發展光伏發電的潛力[3]。光伏發電監控設備作為光伏發電系統的重要組成部分,不僅需要理論的指導、設備組件匹配性的設計,而且需要在光伏發電系統的實際應用中進行性能評估與改進優化設計。因此,構建光伏蓄電池電流監控系統、確保光伏發電系統的可靠運行具有十分重要的現實意義[4]。

1 技術背景

太陽能光伏發電監控系統的數據采集主要是光伏組串直流側的電壓和電流,交流輸出電壓和電流、功率、功率因數、頻率、故障報警信息及環境參數,日發電量、總發電量等信息[5]。但是,目前還沒有一種比較理想、結構可視化、系統匹配可分析的蓄電池充放電監控系統被應用到實際工程中。因此,面向實際應用工程,研究對蓄電池充放電的有效監控,對光伏產業的發展具有十分重要的意義[6]。

(1) 由于光伏系統的使用效率不僅隨光照強度和環境溫度變化具有時間性,光伏陣列的輸出功率也會隨之發生變化[7],并且與蓄電池容量配置方案有關。在工程系統容量確定的情況下,若沒有明確或有意義的監控策略,將影響到系統的效率和使用壽命。

(2) 采用電流檢測方法,不僅能夠反映每一支路的光伏陣列輸出功率,而且在光照強度最大的情況下,判斷光伏陣列組串匯聚的電流是否符合蓄電池所容許的最大充電電流,了解每天蓄電池充放電電量和電能存儲量狀況,為蓄電池使用和維護提供有效的管理依據。

(3) 采用日K線電量柱形圖等可視化的電流監控手段,使用戶能夠直觀了解光照強度與光電轉換效率的關系,同時利于分析系統設計方案的合理性,滿足用戶掌握系統的運行狀況、用電量預測的需求。

(4) “物聯網+應用”是目前光伏發電系統研究與發展的熱門方向,同時也是可視化現場監控與遠程終端監控市場的發展主流。

2 系統總體方案

蓄電池電流監控系統是一種中間件。本文以分布式4 kW光伏發電工程項目為設計目標,采用檢測、控制、顯示和通信等手段,實現光伏發電系統現場電流監控及移動終端的監控。該監控系統主要包括電流數據采集、CPU微處理器、電流參量顯示和網絡通信等功能模塊。

2.1 工程項目裝機指標

光伏發電系統(或家庭用戶及擴展型中型系統)工程項目主要指標如下:

系統裝機容量:4 kW；

光伏電池:輸出功率255 W/只；開路電壓37.85 V；最大工作電壓29.90 V,最大工作電流8.53 A,短路電流9.08 A；

光伏陣列功率:255 W×12=3.06 kW；

交流逆變器:4 kW，輸入電壓范圍96～200 V，最大充電電流 ≤40 A，交流電壓輸出220 V± 5%；

過載保護:直流84～114 V；

免維護鉛酸蓄電池:(12 V/120 Ah)×8=96 V；

負載容量:2 500 W。

2.2 系統總體框架設計

光伏發電系統主要由光伏組件、匯流箱、離網或離并網逆變器、蓄電池組及用戶負載組成。光伏電池板產生的電流通過匯流箱匯集到逆變器的PV直流輸入端,經逆變器輸出的交流電提供給負載或饋給電網,或者對蓄電池組進行充電。監控系統由霍爾電流傳感模塊、嵌入式微處理器、LCD液晶顯示器模塊、無線傳輸模塊、時鐘電路、節能控制模塊、開關電源等組成,系統框圖(虛線框)如圖1所示。

圖1 光伏蓄電池電流監控系統框圖

首先，光伏陣列輸出的電流經線性電流傳感器送至逆變器,同時由電流傳感器輸出的摸擬直流電壓送入微處理器單片機在內部進行10位的A/D轉換,然后編程實現瞬間電流、平均電流和累加電流的運算,最后將運算結果送到LCD液晶顯示器進行數字和柱形電量動態顯示。

2.3 硬件設計

(1) 線性電流傳感器WHB20LSP5S2是一種穿孔型閉環高精密電流檢測模塊,該模塊內置線性霍爾傳感器電路,能輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓,其主要參數為:測量電流范圍ia為-20～+20 A,線性度K為0.1 V/A；模擬信號輸出與檢測電流的關系為

(2) 單片機嵌入式系統以STC12C5A60S2為芯片,其內部集成了60 KB程序Flash存儲器和片內256字節的RAM,是整個系統對信息處理與控制的核心模塊。

(3) LM4229LCD是一種240×128的圖形點陣液晶顯示器,可完成圖形和漢字的顯示,主要作用是將單片機送出的參量進行數字化顯示和圖形模型顯示。

(4) 網絡通信模塊主要由ZigBee無線數據傳輸模塊、數據轉換單元和移動終端所組成。通過RS232接口或RS485接口把數據發送到局域網或云端服務器。

(5) DS1302時鐘芯片可以對秒、分、小時、星期、月、年進行計數,年計數可達到2100年。

(6) 開關電源WD10-110S05B1的直流輸入電壓為72～144 V,輸出直流電壓為+5 V,最大輸出電流為2 000 mA,具有過流、短路保護、自動恢復等功能。

(7) 利用熱釋電傳感器模塊實現節能控制,當有人體靠近時,液晶顯示器的背光燈將會自動點亮,點亮后延時5～20 s(可調)自動關閉。

2.4 電流信息處理與顯示模式

信號處理與LCD顯示模式采用2種形式：一是以數字形式顯示3種電流值,二是以柱狀圖形顯示“平均電流”值。

(1) 瞬時電流:顯示精度為0.2 A,最大值為10.0 A,刷新時間為1 s(由于日光變化較為緩慢,以秒為單位進行刷新)。

(2) 平均電流:以瞬時電流為依據求取時間段內(ns)的平均電流。當測量值的分布服從正態分布時,用最小二乘法原理可以證明在一組等精度的測量中,算術平均值為最佳值或最可信賴值[8]。其定義為:

其中,x1，x2,…,xn分別為每一次的瞬時電流值,n為檢測次數。

平均電流采用數字和柱狀圖表顯示,以ns(可設n=16)為時間周期,ns時間段內所獲得瞬時電流最小值為0 A,最大值可達到10.0 A,顯示精度為0.1 A。柱狀圖的顯示幅度以1 h為周期,期內刷新時間間隔為ns,根據平均電流值與當前值的累加而形成。1 h電流換算如下:

設

即,1 h共取225次平均值(每次16 s)。由于每天的日照度不同,通常午間日照度最強,通過以小時為單位來確定平均電流,可以了解一天中每小時對蓄電池的充電量。

(3) 累加電流:累加電流是表征一天當中,m小時電流的總和,也表征系統對蓄電池的充電量。另一方面,通過充電電流總值與負載放電電流總值之差,也可以估算出可剩余電量。

(4) 柱狀圖形顯示:電流信息以柱狀圖的形式顯示,其縱坐標單位為A、顯示精度為0.1 A/h；橫坐標劃分為18等份或24等份,對應4:00—21:00時間段(考慮到我國西北部區域的光照較長)和0:00—24:00時間段(可用于蓄電池放電)。

2.5 軟件設計與流程圖分析

軟件程序設計與流程如圖2所示。

圖2 流程圖

(1) 系統初始化:完成對LCD液晶顯示器初始化以及時間調節的顯示。

(2) 時間測控:每日0:00刷屏，4:00系統啟動檢測,21:00結束檢測。

(3) 瞬時電流值檢測:進行A/D轉換、數字顯示和向通信網絡發送瞬時電流值。

(4)ns平均電流值檢測:將瞬時電流在時間段內取平均值及數字和柱形圖顯示。

(5) 1 h平均電流值檢測:將每次的平均電流在時間段內相加及顯示,并向通信網絡發送1 h平均電流值。

(6) 1 h平均電流柱形圖量顯示:每1 h更換柱形顯示圖。

(7)mh累加電流檢測:將mh電流值相加及顯示,并向網絡發送累加電流值。

(8) 每發送一次信息,LCD液晶屏將顯示一次動態信號發射的圖形。

3 系統仿真

利用Proteus進行系統的軟件和電路設計并協同仿真,真正體現了從概念到產品設計的開發過程[9]。對系統功能的設計可以劃分為多個項目,然后再把各項目融合為整體方案。根據系統目標,在仿真平臺上實現了2種設計方案。

方案一為I_10AMP型蓄電池監控器(充電監控),模擬一天的光照強度,并以每隔1 h變換一次電流量進行仿真,仿真結果如圖3所示。

圖3 日光照強度仿真結果圖

方案二為I_20AMP型蓄電池監控器(放電監控),每隔1 h以固定的電流量(10 A)連續10 h不間斷進行仿真,仿真結果如圖4所示。

圖4 10A模擬恒定電流仿真圖

4 系統定性實驗與誤差分析

該方案在投入使用前,需先通過定性設置實驗,目的是驗證系統方案的實用性及測量誤差。例如模擬電流傳感器測試2.0 A/5.0 A/10.0 A的恒定電流值,經10 h或18 h的測試得到結果。

系統方案誤差定義如表1所示。本系統方案誤差定義如下:

測量值的分布服從正態分布時,用最小二乘法原理可以證明:在一組等精度的測量中,算術平均值為最佳值或最可信賴值。其定義為:

設一組測量數據為

x1,x2,…xn

n為觀測次數,則算術平均值:

各單次測量值與平均值的偏差為:

平均偏差:

相對平均偏差:

由表1可知,當恒定電流分別為2.0 A、5.0 A、10.0 A時,其相對平均偏差分別為1.0%、0.3%和0.2%,表明系統方案能夠滿足設計要求。

表1 實驗測試及誤差值

注:xm表示第m小時的測量值

5 系統測試與工程應用

光伏蓄電池電流監控系統不僅能讓用戶了解系統的應用狀況,而且能夠反映系統運行的可靠性與匹配性。

以4 kW光伏發電系統工程項目應用為例,在光照度為1 000～95 000 lx的情況下,蓄電池電流監控系統串接在光伏陣列其中一條支路上。如圖5所示，當晴天時,一天中光照強度呈波峰狀態,06:00—12:00光照強度呈上升趨勢,變化較為迅速；10:00—14:00是光照強度最強的時段,這期間光照強度變化較為緩慢；14:00—16:00光照強度下降,且變化較快[7]。

圖5 光優陣列充電電流工程實例圖

由于光伏發電系統的逆變器設置為儲能優先模式,其光伏陣列所組成的3條支路所輸出的電能經逆變器逆變后,除了提供負載使用外,還對蓄電池充電，如圖6所示。當系統帶負載越小或蓄電池容量越低時,蓄電池存儲的電能也就越多。

圖6 蓄電池充電電流工程實例圖

實踐結果說明,每條光伏陣列輸出電流值約為50 A(日照強度最大為101 000 lx、日照時長為10 h),光伏系統日輸出電流總和約150 A。若考慮蓄電池的原有剩余電量或日光照度增加,以及在輕負載的情況下,則該系統方案中的蓄電池容量(12 V/120 Ah)配置是偏小的,即蓄電池組僅在日光時長的2/3時間就被充滿。通過監控系統查看充電電流并結合實際情況合理配置蓄電池的容量,可以進一步分析系統方案的匹配性。

檢測蓄電池電流的目的,一是了解每條支路光伏板的光電效應,二是判斷各支路充電流之和是否符合蓄電池最大充電電流的原則。在同等的光照度下,某支路瞬間充電電流明顯減小,則說明光伏板光電效應變低或光伏陣列存在異常現象。如上所述,3條支路的瞬時最大電流(每塊光伏板標稱最大工作電流8.53 A)之和約25.6 A,對該系統配置12 V/120 Ah的閥控密封式鉛酸蓄電池基本滿足要求。由于閥控密封式鉛酸蓄電池最大充電電流不大于0.25C10A[10](該系統逆變器,其設定的充電電流為0.05C～0.3C),最佳充電電流為I≤12.0 A,也就是說0.1C或者嚴格執行生產廠家的充電技術標準。因此,合理配置光伏板輸出功率、避免大電流充電,對蓄電池的使用壽命至關重要。

在太陽光充足的情況下,光伏發電系統設置為逆變器(PV優先模式)輸出，首先提供負載使用(市電為備用狀態),若有多余的電能則給蓄電池充電[11]。例如,某區域日光長度10 h,日光照度為1 000～110 000 lx,負載為1 200 W(1.5匹)分體式變頻空調1臺、照明功率300 W,負載連續運行16 h,其中前9 h由光伏陣列輸出的電能通過逆變器(逆變器設置儲能優先模式)供負載使用,后7 h由蓄電池經逆變器供負載使用,系統日發電量約20 kW·h。

6 結語

光伏蓄電池電流監控策略與分析方法充分考慮了系統在區域光照強度、光伏陣列、蓄電池容量等系統組件配置和系統使用效率,并在仿真設計、實驗驗證和實際工程中得到較好的驗證。目前,我國光伏發電系統的使用率還不算高,其主要原因是光伏發電系統各組件的科技含量有待提高。隨著應用電子及通信等技術快速發展,尤其是移動終端和云臺平技術的普及,使未來的監控系統性能更加完善,對光伏發電系統的大規模推廣應用具有重要的意義。

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[11] 全國能源基礎與管理標準化技術委員會，新能源和可再生能源標準化分委員會.家用太陽能光伏電源系統技術條件和試驗方法:GB/T19064-2003[S].北京:中國標準出版社,2003.