零能耗小屋的光儲微網與智能控制系統設計*

黃旺程， 蘇 娟

0 引 言

光伏與建筑一體化并網發電系統具有節能、經濟、美觀等優點，是零能耗建筑能源獲取的趨勢。采用舒適度調節和智能控制系統，對住宅的主動式和被動式設備進行控制，可有效降低建筑能耗[1]。零能耗建筑的設計重點和難點在于對節能、建筑物理環境調控及能源自給的綜合管控。國內的光伏與建筑一體化尚處于起步階段，設計一個可持續零碳示范單元，對于國內建筑發展和改善能源結構有重要的示范意義。

本文設計了一種零能耗小屋光儲微網與智能系統，通過智能控制實現了光伏并網發電量與耗電平衡，系統穩定高效。

1 系統總體設計

1.1 零能耗小屋

示范單元位于北京順義某小區中央位置，共占地220 m2，四周視野開闊且陽光充裕。示范單元主要由3個相互獨立的房間和設備間構成。3個獨立房間頂部和房間兩側均裝有太陽能電池板，設備間屋頂裝有太陽能集熱器。

1.2 節能控制系統總體設計

為了房間的智能控制和居民的安全，構建了2個相互獨立的控制系統：房間舒適度控制系統和中央控制系統。舒適度控制系統由傳感器模塊可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)和被控器件等組成。中央控制系統包括PLC、光儲微網控制模塊和人機交互模塊等[2]。為了方便數據的交換，主控制器選擇施耐德M218系列PLC：M218LDAE40DRPHN和M218LDAE24DRHN。2種PLC均包含以太網接口，RS—485接口，具有可擴張的功能。區別在于I/O點數的不同，前者含有24個數字輸入端口和16個數字輸出端口，作為設備間的主控制器。后者僅含有14個輸入和10個輸出，作為房間的主控制器。

如圖1所示，系統分為設備層、控制層和信息層。設備層是系統的底層，包括傳感器模塊和具體被控器件，如遮陽模塊、百葉模塊和空調等。控制層是系統的控制中心，包括PLC，可編程自動控制器(programmable automation controller,PAC)、逆變器模塊和網絡攝像頭等。信息層是系統人機交互和遠程發布的平臺，包括觸摸屏、Groov服務器和路由器等。

圖1 系統整體結構框圖

2 硬件設計

2.1 光儲微網系統設計

如圖2，光儲微網系統包含光伏發電模塊、儲能系統、逆變器和微網控制器組成。結合當地的地形和天氣的特點，光伏發電模塊采用多晶硅的光伏組件和雙波組件及薄膜組件，系統裝機總容量達14.5 kW。由于光伏電池出端電壓較低且存在較大的波動性，要選擇升壓 Boost 型 DC/DC變換器，實現升壓、穩壓及最大功率跟蹤功能，通過光伏并網逆變器與 公共連接點(point of common coupling,PCC) 交流母線相連[3]。系統直接采用ABB公司的光伏并網逆變器完成直流到交流的轉換。逆變器控制器RCC—02通過Modbus協議實現對逆變器數據采集，并且通過TCP/IP協議發送到組態觸摸屏中，實現實時顯示光伏發電量[4]、電壓和電流。

圖2 光儲微網結構

儲能系統包含多塊串聯的蓄電池，有較高的電壓等級，通過逆變器直接與交流母線相連。為了防止蓄電池的長期浮充和提高安全性，儲能系統設計了蓄電池在線維護系統,實時顯示電壓電流的狀態和對電池進行微充電與微放電操作，并將電池參數發送到組態觸摸屏中。

圖2為光儲微網結構，TRIO為光伏板組件，UNO為光伏薄膜玻璃組件，PVI為光伏雙波組件。

2.2 中央控制系統設計

中央控制系統主要由PLC、微網控制模塊、室外傳感模塊、太陽能熱水模塊、空調控制模塊等組成。如圖3所示，系統采用模塊化設計，以PLC作為主控制器，通過Modbus協議讀取室外傳感模塊和雙向電表數據。

圖3 中央控制系統設計框圖

空調控制模塊，由空調、末端循環泵和三通閥等組成。空調模塊主要用于對中央空調和冷熱交換的水循環系統控制。PLC與空調采用Modbus協議進行通信，PLC發送特定的時序實現中央空調模式的切換、溫度控制等功能。

太陽能熱水模塊由太陽能集熱器、水泵、室內儲熱水箱、溫度傳感器、壓力傳感器和2個電磁閥等組成。太陽能集熱器為全玻璃管真空集熱管，將光能直接轉化為熱能。當PLC的A/D模塊接收的水箱壓力傳感器值過低或過高時，進行上水或排空。圖4為太陽能熱水與空調運動模塊，當集熱器頂部溫度T1較水箱溫度高10 ℃時，開啟采暖循環泵P1運行太陽能熱水模塊；當T1-T3<3 ℃時，關閉P1。

圖4中，當設備間水箱溫度T3達到標準時，PLC將三通閥打開至OPEN擋位，使空調循環水的回水通過水箱，并加熱。當溫度T3不滿足條件時，三通閥調至SHUT擋位，使空調循環水不經過水箱。合理的控制設備間水箱對空氣源熱泵回水進行加熱，減少了空調功率和運行時間。

2.3 房間環境控制系統設計

房間控制系統，主要包括溫濕度傳感器、照度傳感器、CO2傳感器、PM2.5傳感器、PLC、電磁閥、窗簾/百葉控制器等。如圖5所示，通過采集的室內外環境數據的變化，PLC控制各個模塊協同工作，完成環境舒適的目標。

圖5 房間控制系統設計框圖

PLC的AD模塊輸出4～20 mA的電流信號控制進水電磁閥的開度，進而控制風機出氣溫度值。為了滿足房間的舒適度，采用比例—積分—微分(proportion integration differentiation,PID)算法對房間內的溫度、CO2濃度和PM2.5進行控制[6]。房間內的溫度和設定值作為程序中PID模塊的輸入，模塊的輸出對應電磁閥電流信號，實現對室內溫度閉環控制。通過工程鎮定的方法調節PID模塊的參數，最終使得超調量小于20 %，穩態誤差小于1 ℃。對于室內的PM2.5和CO2濃度，采用相同的方式控制風閥和空氣過濾裝置，達到設定值。當室內濕度大于指定范圍時，PLC發送信號，開啟室內的除濕機，降低室內的濕度；當室內濕度低于設定值時，開啟加濕器，增加室內的濕度[6]。

由于房間內燈光調節器采用iBus協議進行控制，因此，網關采用LogicMachineII 模塊實現 ibus總線和 PLC 標準 Modbus-TCP 通信之間的互聯。當室內照度低于150 Lux時，PAC發送增加燈光亮度命令至燈光調節器，當室內照度大于160 Lux時，停止提高室內燈光的亮度。當室內照度大于500 Lux時，PLC的I/O端口QX0.5輸出1，室內的百葉從頂部向下打開；當照度小于400 Lux時，百葉關閉。紅外傳感器檢測到有人進入房間時，漸變的調節燈光亮度，使室內照度達到設定值。當紅外傳感器檢測到無人時，房間控制系統進入休眠模式，降低房間內的能耗。

2.4 數據交換與人機交互設計

通過映翰通IR700工業級路由器、交換機、以太網供電(power over Ethernet,POE)交換機和面板式AP路由器構建一個以太網。IR700路由器的WAN口連接固定IP的共網并且對以太網里的設備進行端口映射。通過公網IP和對應的端口號，直接對現場的設備和服務器進行實時訪問。

房間人機交互包括基于網絡的人數交互界面(human-data interaction,HDI)和人機交互界面(human machine interaction,HMI)[8]。利用奧普圖公司的GROOV服務器完成HDI，即通過手機或者電腦瀏覽器對房間里的數據顯示和控制。PLC作為下位機與上位機觸摸屏進行數據交換，實現良好的實時HMI。

PAC控制器作為PLC的上位機，而GROOV服務器作為PAC的上位機。GROOV服務器具體登入操作編輯流程如圖6所示。

圖6 GROOV服務器登入流程

3 軟件設計

系統的軟件設計主要包括PLC控制邏輯的設計、PAC的程序的設計、觸摸屏的組態設計和GROOV服務器界面的設計與腳本的編寫。

3.1 PLC控制邏輯設計

采用SoMachine V4.1 SP2軟件用梯形圖編寫PLC的邏輯，主要包括中央控制系統程序、房間環境控制程序和數據采集程序等。中央控制系統程序主要根據傳感器采集的參數，合理的控制各模塊、泵、電磁閥和風機等協同工作。房間環境控制程序主要根據室內外的傳感器的數值，智能的控制室內的百葉、遮陽簾、電磁閥和燈具等合理的動作。

3.2 PAC控制邏輯和網關程序設計

PAC采用多線程和模塊化方式進行編程。與PLC的數據交換，PAC分別開啟一個線程，提高數據傳輸效率、降低延時。PAC的程序主要包括與PLC數據交換的子程序模塊、與GROOV數據交換的子程序模塊、交換網關數據模塊子程序和讀取傳感器的子程序模塊等。

LogicMachineII 模塊通過特有的Lua語言編程，實現iBus協議和Modbus之間的數據傳輸。

3.3 觸摸屏和GROOV服務器設計

觸摸屏軟件主要包括觸摸屏界面設置、變量的建立和腳本編寫。采用昆侖通態的TPC7062 系列觸摸屏，利用MCGS[8]嵌入版7.7進行組態界面的設計和腳本的編寫。設備間的觸摸屏的界面主要包括主控界面、光伏發電界面、能耗電表界面、空調系統界面、數據導出界面等；房間環境觸摸屏的界面主要包括主控界面、照明控制界面、溫度控制界面、窗簾百葉控制界面和新風控制界面等。觸摸屏編寫腳本，完成歷史數據的存儲。

GROOV服務器通過瀏覽器對界面進行在線設計和腳本的編寫。GROOV服務器的界面和功能與觸摸屏的大致相同。此外，GROOV服務器嵌入網絡攝像頭的畫面，實現實時監控[9]。

4 測試分析

根據一年實際運行的情況，光伏發電系統全年發電量為11 968 kW·h，小屋智能控制系統全年耗電量為8 067 kW·h，盈余為3 901 kW·h，基本滿足了零能耗設計要求。經過冬季運行數據顯示，太陽能熱水模塊運行運行1 h，可降低空調系統能耗0.8 kW·h。2016年冬季，太陽能共運行720 h，節省電能約576 kW·h。

圖7為工作時間的溫濕度變化曲線可知，溫度基本維持在21,23 ℃之間，與設定的22 ℃偏差不超過1 ℃，滿足設計要求。室內濕度基本維持在40 %～60 %RH之間，符合設計要求。

圖7 室內溫濕度曲線

5 結束語

光伏發電與家具智能控制的結合不僅提高了系統節能的效率，也為家居系統的節能提供了一個新的思路和方向。自項目投入使用以來，系統一直處于穩定、高效的運行狀態，光伏板日平均發電量為32.8 kW·h，系統平均日耗電量為22.1 kW·h，基本達到了零能耗的標準。太陽能熱水系統和休眠模式的使用，有效降低了系統的能耗。采用的2種人機交互方式HDI與HMI方便了生活需求控制；對房間環境的調節，大幅提高了房間的舒適度。

參考文獻:

[1] 陸連強,鄭將輝.零能耗小屋能源管理與智能監控系統的設計與實現[J].自動化應用，2014(4):89-92.

[2] 令 榮.基于PLC和觸摸屏的開放式立體車庫控制系統設計[D].蘭州：蘭州交通大學,2014.

[3] 徐少華,李建林.光儲微網系統并網/孤島運行控制策略[J].中國電機工程學報,2013(34):6,25-33.

[4] 陳昌松.光伏微網的發電預測與能量管理技術研究[D].武漢：華中科技大學,2011.

[5] 王玉勤,許雪艷.基于免疫PID算法的吊車—雙擺系統控制設計[J].控制工程,2016(6):895-900.

[6] 邢孔祖.考慮室內空氣品質的新風獨立除濕系統優化運行控制研究[D].廣州：華南理工大學,2016.

[7] 韓 冰.醫療設備中的人機交互設計研究[D].北京：北方工業大學,2016.

[8] 孟 臣.基于MCGS和MATLAB的TPMS動態試驗系統的研究與設計[D].淄博：山東理工大學,2010.

[9] 李宇光,劉 強,趙 龍,等.電網實時監控的可視化技術探討[J].科技傳播,2016(3):83-87.