基于储能逆变的一种错峰用电节能装置的研制与应用

徐丽春　谭柯　张东　杨代民

关键词：储能式逆变节能装置;系统结构;工作原理

目前，全国居民用户都实行了按月抄表并结算电费，当累计用电量达到年度阶梯电量分档基数临界点后，即开始实行阶梯加价。采用本项目研究的节能控制设备，创新点在于上半部相当于智能电表、下半部相当于储能式逆变器装置、根据显示电量，时间，再控制一个逆变器和充电器。作为家庭用时，晚上可错峰时间用电网电向设备充电，把电储存起来，其他时间段由该设备向家庭供电，避开高峰期.延伸到可以和太阳能，风能并网使用。

储能式逆变器节能装置的系统研究

本项目研究的储能式节能装置，作为一般家庭使用，峰值功率3000千瓦，按1000千瓦工作4小时，即4000千瓦时。考虑到可设置充放电时间及市电与逆变器的切换，需要设计一款自动充电、逆变的节能装置，即从市电充电—>电池组—>用户的模式，充电效率考虑为9 5%，逆变效率考虑为9 5%，故总体变换效率为0.95*0.95=0.90%，而一般供电部门是8：00—22：00共14小时称为峰段，执行峰电价为0.568元/kwh;22：00—次日8：00共10个小时称为谷段，执行谷电价为0.288元/kwh。高峰用电，一般指用电单位较集中，供电紧张时的用电，价格差了50%多，减去10%的损耗，还有40%的差价，即理论上可节约40%的电费。这就是该课题研究的意义所在。

方案确定

主要技术指标及主要器件选型

（1）供电电源。输入电源电压AC 2 2 0V±2 0% 5 0H z 功耗≤10W;

（ 2 ） 输出脉冲电流 电压。电流：0～1 5 A （ 峰值）;电压：220V±5%;最大功率3KW。

（3）输出脉冲波形和占空比：输出波形：方波;占空比：50%

（4）监控功能。具有电流电压监控和脉冲宽度监控功能。

根据上面的假设，我们按满足一个家庭使用选择主要器件，如下：

电池组：72V锂电组，按4000千瓦时计算，选72V55AH。

充电器：额定充电电压72V 充电电流10A，额定充电功率1000W。4小时充满电池。

高效率逆变器组，额定功率3000W，最大峰值功率6000千瓦，选用72V额定电压（与锂电池配套）。

2.2主要技术方案

本设计考虑整体性和可移动搬运方便，设计为箱式小车模式。因PLC系统时间运行时误差较大，故包括用网络时钟校验时间的方案，网络时钟使用无线发送模块与PLC控制器（含无线接收器）通讯，进行时间的校准。PLC控制器通过控制接触器可与充电器、逆变器、电网、市电连接，逆变器一端与电池连接，另一端通过切换接触器与家庭用电设备连接，市电接触器与充电器连接，再连到电池，储能式逆变节能控制装置结构图如图1所示。

图1 储能式逆变节能装置控制装置结构图

储能式逆变节能装置主要结构

本设计为箱式小车模式，主控制器采用西门子SMART ST20PLC，通讯模块为西门子PLC模块CM01，直流电流、电压采样采用西门子PLC_4AD模拟模块，触摸屏采用MCGS金属版的10寸触摸屏。面板上包括电池状态指示器、钥匙开关、触摸屏、逆变器启动输出按钮、逆变停止输出按钮、逆变输出指示灯、市电输出指示灯。主要设置有输出电压、电流显示控制仪表、输出状态指示，显示整流、逆变和正常工作状态。内部布局及面板布置详见图2及图3。

图2 储能式逆变器主要结构图

图3 储能式逆变器面板主要功能图

储能式逆变节能装置电路设计

储能式逆变节能装置电源部分接线设计。本项目研制的储能式逆变节能分电源部分和电控两个部分、电源部分包括充电继电器、逆变继电器、24V电源、电源输出接触器、充电器和锂电池组成。详细电路如下：

图4 储能式逆变节能装置电源部分接线图

储能式逆变节能装置电气控制部分设计。电气控制部分包括：触摸屏、PLC、PLC_AD模块、串口、无线通讯模块、网络时钟，详细接线图如下：

图5 储能式逆变节能装置控制系统接线图

储能式逆变节能装置流程控制设计。电路设计监控时间的设计，采用时间专用芯片，自带电池，温控晶振，通过网络时钟自动校准，年误差在1S内，通过网络传给PLC，充电、放电电流通过采用电阻，由可编程控制器智能控制，带过流过压保护，并在错峰时间内自动启动;逆变供家庭使用，错峰时间自动启停，并防止过度放电伤害蓄电池。自动稳压功能设计，在160V—260V范围内自动稳压到220V正负5%，保护家用电器。特别是农村有些电压低的地方，有很好的作用。采用IGBT自斩波技术，PWM自适应技术，提高蓄电池的轉化效益，真正做到高效节能。控制模式可分手动模式和自动模式，手动模式主要便于检查设备，自动运行可用于无人的全自动逆变控制运行，详细程序流程如下：