基于儲能逆變的一種錯峰用電節能裝置的研制與應用

徐麗春　譚柯　張東　楊代民

關鍵詞：儲能式逆變節能裝置;系統結構;工作原理

目前，全國居民用戶都實行了按月抄表并結算電費，當累計用電量達到年度階梯電量分檔基數臨界點后，即開始實行階梯加價。采用本項目研究的節能控制設備，創新點在于上半部相當于智能電表、下半部相當于儲能式逆變器裝置、根據顯示電量，時間，再控制一個逆變器和充電器。作為家庭用時，晚上可錯峰時間用電網電向設備充電，把電儲存起來，其他時間段由該設備向家庭供電，避開高峰期.延伸到可以和太陽能，風能并網使用。

儲能式逆變器節能裝置的系統研究

本項目研究的儲能式節能裝置，作為一般家庭使用，峰值功率3000千瓦，按1000千瓦工作4小時，即4000千瓦時。考慮到可設置充放電時間及市電與逆變器的切換，需要設計一款自動充電、逆變的節能裝置，即從市電充電—>電池組—>用戶的模式，充電效率考慮為9 5%，逆變效率考慮為9 5%，故總體變換效率為0.95*0.95=0.90%，而一般供電部門是8：00—22：00共14小時稱為峰段，執行峰電價為0.568元/kwh;22：00—次日8：00共10個小時稱為谷段，執行谷電價為0.288元/kwh。高峰用電，一般指用電單位較集中，供電緊張時的用電，價格差了50%多，減去10%的損耗，還有40%的差價，即理論上可節約40%的電費。這就是該課題研究的意義所在。

方案確定

主要技術指標及主要器件選型

（1）供電電源。輸入電源電壓AC 2 2 0V±2 0% 5 0H z 功耗≤10W;

（ 2 ） 輸出脈沖電流 電壓。電流：0～1 5 A （ 峰值）;電壓：220V±5%;最大功率3KW。

（3）輸出脈沖波形和占空比：輸出波形：方波;占空比：50%

（4）監控功能。具有電流電壓監控和脈沖寬度監控功能。

根據上面的假設，我們按滿足一個家庭使用選擇主要器件，如下：

電池組：72V鋰電組，按4000千瓦時計算，選72V55AH。

充電器：額定充電電壓72V 充電電流10A，額定充電功率1000W。4小時充滿電池。

高效率逆變器組，額定功率3000W，最大峰值功率6000千瓦，選用72V額定電壓（與鋰電池配套）。

2.2主要技術方案

本設計考慮整體性和可移動搬運方便，設計為箱式小車模式。因PLC系統時間運行時誤差較大，故包括用網絡時鐘校驗時間的方案，網絡時鐘使用無線發送模塊與PLC控制器（含無線接收器）通訊，進行時間的校準。PLC控制器通過控制接觸器可與充電器、逆變器、電網、市電連接，逆變器一端與電池連接，另一端通過切換接觸器與家庭用電設備連接，市電接觸器與充電器連接，再連到電池，儲能式逆變節能控制裝置結構圖如圖1所示。

圖1 儲能式逆變節能裝置控制裝置結構圖

儲能式逆變節能裝置主要結構

本設計為箱式小車模式，主控制器采用西門子SMART ST20PLC，通訊模塊為西門子PLC模塊CM01，直流電流、電壓采樣采用西門子PLC_4AD模擬模塊，觸摸屏采用MCGS金屬版的10寸觸摸屏。面板上包括電池狀態指示器、鑰匙開關、觸摸屏、逆變器啟動輸出按鈕、逆變停止輸出按鈕、逆變輸出指示燈、市電輸出指示燈。主要設置有輸出電壓、電流顯示控制儀表、輸出狀態指示，顯示整流、逆變和正常工作狀態。內部布局及面板布置詳見圖2及圖3。

圖2 儲能式逆變器主要結構圖

圖3 儲能式逆變器面板主要功能圖

儲能式逆變節能裝置電路設計

儲能式逆變節能裝置電源部分接線設計。本項目研制的儲能式逆變節能分電源部分和電控兩個部分、電源部分包括充電繼電器、逆變繼電器、24V電源、電源輸出接觸器、充電器和鋰電池組成。詳細電路如下：

圖4 儲能式逆變節能裝置電源部分接線圖

儲能式逆變節能裝置電氣控制部分設計。電氣控制部分包括：觸摸屏、PLC、PLC_AD模塊、串口、無線通訊模塊、網絡時鐘，詳細接線圖如下：

圖5 儲能式逆變節能裝置控制系統接線圖

儲能式逆變節能裝置流程控制設計。電路設計監控時間的設計，采用時間專用芯片，自帶電池，溫控晶振，通過網絡時鐘自動校準，年誤差在1S內，通過網絡傳給PLC，充電、放電電流通過采用電阻，由可編程控制器智能控制，帶過流過壓保護，并在錯峰時間內自動啟動;逆變供家庭使用，錯峰時間自動啟停，并防止過度放電傷害蓄電池。自動穩壓功能設計，在160V—260V范圍內自動穩壓到220V正負5%，保護家用電器。特別是農村有些電壓低的地方，有很好的作用。采用IGBT自斬波技術，PWM自適應技術，提高蓄電池的轉化效益，真正做到高效節能。控制模式可分手動模式和自動模式，手動模式主要便于檢查設備，自動運行可用于無人的全自動逆變控制運行，詳細程序流程如下：