家用光伏储能系统的设计与实现

张 骁，胡忠平，时金林，赵小飞

（1.南京熊猫电子股份有限公司特种电源研发部 江苏 南京210002；2.江苏科技大学 计算机科学与工程学院，江苏 镇江 212003）

家用光伏储能系统的设计与实现

张 骁1，2，胡忠平1，时金林1，赵小飞1

（1.南京熊猫电子股份有限公司特种电源研发部 江苏 南京210002；2.江苏科技大学 计算机科学与工程学院，江苏 镇江 212003）

针对电网负荷高峰时用电量不足和太阳能资源不能充分开发等问题，基于自行研制的以芯片为主体的控制板，设计并实现了一种新型高效的家用光伏储能系统，详细地介绍了该系统的整体架构、电路原理及其现实功能。实际应用表明，该系统具有可靠性高、通用性强、安全性好、环境保护效果好的特点，达到了期望的设计要求。

控制板；储能系统；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

充分开发利用太阳能新能源是世界各国可持续发展的能源战略决策，是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的技术之一。家用智能光伏储能系统[1-3]就是利用光能发电，用于电网负荷高峰之时，也可用作为野外应急电源，其使用的灵活性以及携带便捷等特点使得光伏能源系统的应用尤为广泛。更有价值的是，太阳光属于环保无污染的绿色清洁能源，为鼓励太阳能的开发和利用，各国政府分别积极制定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发展。

文中设计了一种新型的基于自行研制以芯片为主体的控制板[4-6]的光伏储能系统，有效实现了一个可靠性高、通用性强、安全性好、环境保护效果好的家用智能光伏储能系统。

1 系统设计

该系统主要有两个部分组成：光伏储能系统和智能管理系统，组成如图1所示。

图1 光伏储能系统和智能管理系统框架图

1.1 光伏储能系统的方案设计

光伏储能系统的组成如图2所示。

图2 光伏储能系统框架图

各个模块的具体功能如下：

1）最大功率点跟踪控制器（MPPT）模块：光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受使用环境、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点上。根据电路原理，当光伏电池的输出阻抗与负载阻抗相等时，光伏电池的输出功率最大。因此，光伏电池的MPPT过程实际上就是使光伏电池输出阻抗和负载阻抗等值相匹配的过程。通过控制方法实现对负载阻抗的实时调节，并使其跟踪光伏电池的输出阻抗，就可实现光伏电池的MPPT控制。常用的MPPT控制拓扑电路如Buck、Boost等斩波电路，典型的自寻优类MPPT算法有扰动观测法和电导增量法。

2）AC/DC充电器模块：在设备备用模式下，市电有效的输入利用，其中一路可以旁路供电；另外一路通过充电器环节，可将市电转变成与电池组匹配的电池电压，进而对电池组充电。

3）电池管理系统（BMS）模块：在离网式光伏储能系统中，蓄电池起着至关重要的作用：白天它既能作为太阳能不足的补充，又能作为多余太阳能的存贮；夜晚它是负载的可供能源。虽然在不同地方（光照、温度不同），不同要求（负载、可靠性等）的独立光伏系统中，蓄电池配置的容量有较大不同，但蓄电池在系统的初期投资中一般占到l/4～1/2，而蓄电池又是整个光伏系统中较薄弱的环节，使在独立光伏系统整个运行寿命中蓄电池成为最昂贵的部件，这主要由于许多蓄电池达不到其使用寿命而提前失效，系统不得不更换。这些问题的解决除了对蓄电池本身进行性能提高外，系统能量管理的好坏对评价整个系统的性价比影响重大。

4）蓄电池的充、放电控制模块：采用合理优化的算法，保证系统供电和延长蓄电池的使用寿命兼顾，使整个光伏系统的运行及性能指标达到最佳，这将是管理系统的研究内容。具体细分如：①了解蓄电池的健康状态SOH（State of Health）；②根据SOH以及其它参数，确定蓄电池的荷电状态SOC（State of Capacity）；③根据蓄电池的SOH与SOC，确定合适的充电策略，提高蓄电池的SOC；④根据蓄电池的SOC，制定放电策略等。对蓄电池来说，充放电控制和容量预测是其核心。

5）能源系统控制器主板（Power）模块：负责整机系统中各单板电路的电气或通信连接，并对其输入输出进行检测或保护等。

6）DC/AC 逆变器（Inverter）模块：光伏逆变器是将光伏电池或蓄电池输出的直流电转换成符合用电设备供电要求的交流电的交直流转换电力电子设备，是光伏储能系统中的核心环节。光伏逆变器的性能直接影响到对用电设备的供电电能质量，采用合适的电路拓扑与适宜的控制策略将有效地提高光伏逆变器的品质。

1.2 智能管理系统的方案设计

智能管理系统示意框图如图3所示。

图3 智能管理系统框架图

智能管理系统主要实现如下功能：

1）通过控制器实现市电和光伏电能的计量，统计用户的用电某段时间内的用电量，分析用户的用电习惯，给用户提供良好的用电分析和用电规划，让用户能合理用电、充分用电、节约用电。

2）通过控制器实现家用电路异常检测和保护，比如出现短路或者过流的情况，控制器能在安全时间范围内实现对市电或者光伏用电的断路保护功能，可以通过闪灯或者无线网络上报给用户端告警信息提示。

3）通过控制器实现对市电或者光伏电的强制切换。通常白天太阳能比较充足的情况下，以光伏供电为主，夜晚或者太阳不充分的情况下，切换到市电。通过控制器可以在某些特殊情况下，实现人为的干预切换，保证系统能正常可靠的工作。

4）控制器可以通过有线网络（485现场总线、以太网络） 或者无线、 网络（wifi、zigbee、315M、433M等）对家庭网络内的电器（空调、热水器、地暖、智能开关、音响、监控报警等）进行控制。比如控制器可以通过温湿度传感器对环境温湿度进行监测，设置某些温湿度基值，当环境温湿度与该基值有差异时，控制器在判断是否光伏优先供电的情况下控制空调、地暖等设备对环境温度进行改变，打造用户最舒适的家用环境。用户还可以通过控制器进行定时控制，指定某个时间点，判断是否光伏优先等设置对家用电器设备进行控制。

5）控制器通过wifi或者有线网络实现与远程控制终端的通信连接。针对目前手机和平板常用的Android和iOS操作系统，计算机常用的Windows操作系统开发相应的用户管理程序，该程序可以实时查询多个家用管理系统控制器的状态，包括正常状态信息和告警信息、实时用电度数和历史度数等。可以实现对家用管理系统控制器远程控制，例如可以实现远程对市电或者光伏电的强制开关和切换，远程对家庭网络内的电器进行控制。

2 主要电路的原理与控制方法描述

2.1 MPPT控制电路分析

在MPPT的主电路设计中，考虑到光伏板的输出电压高于蓄电池总正总负两端端电压以及光伏逆变器的输入侧电压，因此采用经典的Buck斩波电路进行功率调节。

如图4为系统中的Buck主电路，Buck变换器[9]通过斩波形式将平均输出电压予以降低，将输入接在光伏电池输出端。典型的Buck电路是连续向负载供电、间断从电源取电的，这样会造成光伏电池板输出电流不连续而损失其发电功率，因此在光伏电池板的输出端并联电容器以保证光伏电池输出电流的连续。通过调节Buck电路的开通占空比D以达到调节负载电压的功效，进而达到调节光伏阵列输出平均功率的目的，实现对光伏阵列最大功率点控制。

图4 MPPT控制Buck主电路

最大功率点跟踪控制策略实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大输出功率。在自寻优MPPT算法中，比较经典的有扰动观测法和电导增量法，本项目中拟采用扰动观测法。扰动观测法的基本思想是：首先扰动光伏电池的输出电压（或电流），然后观测光伏电池输出功率的变化，根据功率变化的趋势连续改变扰动电压（或电流）的方向，使光伏电池最终工作于最大功率点。扰动观测法的控制流程图如图5所示。

图5 扰动观测法控制流程图

2.2 电池管理过程分析

如图6所示，电池管理部分包括了光伏储能系 统中的蓄电池、充放电控制器及其控制器。本项目使用的储能电池是磷酸铁锂电池组。

图6 储能部分构成图

蓄电池充电控制：在实际的光伏发电系统的充电器中，为实现设定的充电模式，必须对充电过程进行控制。充电控制主要包括充电程度判断，从放电状态到充电状态的自动转换，充电各阶段模式的自动转换及停充控制等方面。充电过程一般依次为主充、均充和浮充3个阶段。在充电过程中必须实时判断蓄电池充电程度，以控制充电电流的大小。采用常规经典的MCU对电池管理系统进行充电控制。

蓄电池放电控制：在电池管理系统中需要加入放电控制环节。这样，在放电过程中，通过对电池荷电状态SOC或者剩余容量的检测以及放电电流、温度等方面的检测，实现对储能电池或者整机系统的保护。

2.3 逆变器电路概述

在光伏储能系统中，逆变器起到将光伏电池或储能电池组的输出电压转变成用电设备供电需要的交流电。本项目中大功率光伏逆变器使用的H桥结构的变换器，其控制使用的是专用的MCU芯片，SPWM控制技术。

2.4 均衡充电管理方案架构

在独立离网式储能系统中，往往由MPPT功率单板或者AC/DC充电电源给储能电池主充电，且常分成多阶段的充电，包括多段式恒流充电、恒压浮充等过程。本均衡管理系统采用主动均衡的设计理念，将电池组的能量传递给监测电压较低的单体电池。图7为均衡方案的结构框图，系统中的储能电池包由8节磷酸铁锂电池单体串联构成，以在线电压反应电池容量，通过对电池组各单体电池端电压的滤波与选通，采样之后送入均衡管理控制中心MCU单元，单片机[7-8]对采集的信号进行判断比较，决定是否触发均衡充电命令。若系统达到均衡充电条件，单片机将反馈需要均衡充电的单体电池位号[9]，打开均衡电路中相应的充电开关，继而对电池包内欠压最严重的单体电池充电，其供电电源由电池组通过一个隔离的恒流输出电源模块而提供。若电池组在放电过程中，单体电池间容量差异大而需要均衡时，亦可使用同样的方法，但均衡电流需要足够大以弥补大电流放电带来的容量不均衡差异。

图7 均衡充电方案结构框图

2.5 均衡管理软件控制设计

主动均衡管理[10-11]的控制流程如图8所示。单板上电且程序运行之后，MCU会实时巡检电池包内各单体电池电压信号，进行大小比较得出最高和最低单体电压值Vmax和Vmin，经判断当Vmax－Vmin＞50 mV时，均衡功能开启。与此同时单片机将确定需要均衡充电的单体电池的对应开关信号，对欠压最多的的单体实施恒流充电[12-13]，当均衡充电定时到达则均衡结束，进入下一个程序循环。

图8 主动均衡管理控制流程图

由此可见，均衡效果主要取决于系统的检测采样精度以及AD转换速度。与此同时均衡电流的大小不宜太小，否则难以跟上单体电压差异逐渐增大的趋势。可由具体的电池容量值以及充电电流值的大小来决定均衡充电电流。

3 系统主要功能

3.1 光伏供电

在 AC（市电）正常，PV（光伏）正常的情况下，系统优先采用PV（光伏）给负载供电，AC（市电）处于备用状态。PV充足时，太阳能板经过系统中太阳能控制器调整到最大供电状态，经过逆变器[14-15]供给负载使用（市电为备用状态），同时多余电量给蓄电池充电，如果太阳能板供电不足时，蓄电池补充输出供负载使用，当电池放电至SOC30%时，电池停止供电，由市电供电，PV继续对电池充电，当电池SOC大于80%，切回至逆变输出。

3.2 逆变器供电

当市电异常时，太阳能供电不足，系统会使用电池能量，通过系统逆变器给负载供电，当电池放电至SOC20%时提示电池低压报警 （1次/2sec），SOC15%（或单体最低电压＜3.09 V）二级报警（1次/1sec）电池放电至SOC10%时停止输出。市电恢复后，系统会转换到市电，提供给负载使用，同时会使用市电给电池充电至SOC50%。当电池SOC大于80%，切回至逆变输出。

3.3 AC旁路供电

市电良好时，负载由AC旁路供电，并对电池充电至80%SOC，停止市电充电；当电池SOC大于90%，切换至逆变供电；电池容量降至80%SOC，再切换至旁路模式；当市电断电时，产品自动切换到电池给负载供电，当电池放电至SOC20%时提示电池低压报警 （1次/2sec），SOC15%（或单体最低电压＜3.09 V）二级报警（1次/1sec）电池放电至SOC10%时停止输出。

4 结 论

本系统设计实现方案以自行研制芯片控制板为平台，软件设计采用模块化设计思想，提高了系统的可靠性和可维护性。实际应用表明该产品操作简单人性化，可靠性安全性高且成本低廉，达到了设计要求。

[1]周仲柳.储能及FACTS在光伏发电系统中的应用研究[D].南京：东南大学，2015.

[2]胡兵，张彦虎，薛丽英，等.光伏储能逆变器系统结构研究 [J].电器与能效管理技术，2014（10）:67-71.

[3]刘建涛，张建成，马杰，等.储能技术在光伏并网发电系统中的应用分析 [J].电网与清洁能源，2011，27（7）:62-66.

[4]俞建新，王健，宋健建.嵌入式系统基础教程[M].北京：机械工业出版社，2015.

[5]李雪飞.数字电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2011.

[6]邓宏贵.单片机原理与接口技术[M].北京：冶金工业出版社，2013.

[7]高亚玲.单片机智能稳压电源的设计 [J].电子测试， 2014（14）:1-2.

[8]张伟.实用型高效智能稳压电源的研究 [D].西安：西安科技大学，2014.

[9]刘雪，赵柏树，杨维明.单片机控制的精密可调开关稳压电源设计[J].电源技术， 2014，38（3）:535-537.

[10]刘小平，郭锋，刘宁一.一种实现动力锂电池组充放电管理的主动均衡方案[J].电动自行车，2010（10）:18-22.

[11]冉峰，秦嘉琦，徐浩，等.一种填谷式主动均衡电池管理系统[J].电力电子技术， 2016，50（3）:105-108.

[12]尚凯伦，杜鹃.储能电容恒流充电试验平台与性能分析[J].电气时代， 2015（6）:89-90.

[13]李伟，刘庆想，张政权.恒功率输入恒流输出的电容器充电电源 [J].强激光与粒子束，2016，28（7）:124-128.

[14]周洁，罗安，陈燕东，等.低压微电网多逆变器并联下的电压不平衡补偿方法[J].电网技术，2014，38（2）:412-418.

[15]黄浩.不对称电压条件下光伏逆变器的控制策略研究[J].电网技术， 2014，38（5）:1277-1282.

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稿件编号201608229

江苏省普通高校学术学位研究生科研创新计划项目（KYLX16_0505）；江苏科技大学研究生科技创新计划项目资助（YCX15S-10）

张 骁（1990—），女，江苏扬州人，硕士，助理工程师。研究方向:嵌入式系统及应用技术。