户用光伏一体化接入设备的集成设计应用

刘莉娜+汪静+王婷婷

摘要：分析了现有分布式光伏发电设备在普通家庭、偏远地区弱电网无电地区等场景下的应用情况，对于普通居民用户设计难度大、施工繁琐、维护运营不便等问题，提出了采用智能离/并网/储能智能切换的管理策略的户用光伏一体化接入集成解决方案。研究了设备组成的各个功能模块，并通过分析一般普通用户昼夜用电实际需求及设备应用的可行性，计算出了系统实际负载所需配置的逆变器以及蓄电池组容量，并测算了应用设计的经济性社会效益与经济效益。

关键词：太阳能;光伏;户用光伏;一体化;接入设备

中图分类号：TM615.2

文献标识码：A文章编号：1674-9944（2014）12-0200-03

1引言

随着全球人口的不断增加和能源用电量的急剧上升，能源危机已成为世界各国共同面临的问题。广泛使用新兴绿色能源对于保护生态环境具有重要意义，太阳能应用正是国家重点提倡开发利用的绿色能源。分布式太阳能发电也一定程度上减轻了国家在发电、输电、配电上的财政压力，在弱电网甚至是无电地区太阳能发电直接改善了当地居民的用电条件，有效提高了人民的生活水平。因此发展太阳能这种绿色能源，如何将光伏新能源高效便捷地应用到普通家庭用户中是一件非常有经济意义和社会效益的课题。光伏企业通过现有成熟可靠产品和技术，解决普通用户在使用光伏产品时的集成设计屏障、工程施工难题以及运维使用的顾虑，使户用光伏产品真正成为千万普通家庭中的一款“电器”产品。

2户用光伏一体化接入设备的组成

户用光伏一体化接入设备的组成如图1深色虚线框图所示。设备主要由智能光伏逆变器（含控制器）、电双向计量模块、模块化锂电池以及电池管理系统（BMS）等功能部件深度集成组成，具有太阳能发电、储能、分布式并网、离网自用等多种功能。

在应用中，光伏电池组件通过标准接口接入一体化设备，逆变器将光伏组件的直流电源转变为交流电源为用户提供持续稳定的电力供应，同时将多余电能并网发电或储存到本地电池中。在电网故障或夜间，设备能够离网运行并使用储能电池为用户独立持续供电。在用电高峰期，可根据峰谷电价动态调整并网发电量和本地电池储能电量。

一体化接入设备具有智能无线通讯接口，可与外部无线设备进行通讯（智能家居PAD终端、手机等），实现远程为用户提供发电实时状态、电池储能等设备工作情况。同时为用户推送最新电网电价政策、光照环境参数、家庭负载用电情况，并智能建议用户选择合理的运行模

图1应用框图

式（并网/储能/离网）以最大化保证用户的新能源收益。

2.1光伏智能逆变器

智能光伏逆变器是户用光伏一体化接入设备的核心部件，其功能框图如图2所示，逆变器将光伏组件的直流电源转换为交流电源供负载或并网发电使用;同时逆变器具有光伏充电控制的功能，负责对储能电池充放电的管理。

图2智能光伏逆变器功能框

2.1.1光伏充电控制器

光伏充电控制器主要功能是采用降压模式使光伏电池板的电能变换成稳定的电压电流为锂电池充电。充电控制器分为充电模式、PV模式、智能管理三种工作模式，其结构框图如图3所示。充电模式是通过电池控制部分的开关，在锂电池充电过程中电池控制部分开关闭合，光伏充电机开始充电，剩余的电量通过总输出回馈到电网;PV模式是当电池充满后，断开充电回路的开关，将光伏电池板不经过变换部分直接连接到总输出，提高系统的整体效率;智能管理模式是系统控制器根据用户用电现状、环境光照条件、电池储能状态、当前电价政策等多个条件，根据预设自动管理电池充电与交流发电的能源配比。同时光伏电池充电机通过内部通讯把光伏电池板电压、光伏电池板电流、电池电压电流和系统工作状态等信息传送到监控装置，通过监控器可以对电池管理部分功能进行设置。

图3光伏电池充电机（DC/DC）

2.1.2光伏并网离网一体型逆变器

光伏并网离网一体型逆变器具备并网运行和离网运行两种工作模式。并网运行时就是一个光伏并网逆变器，市电断电或超出正常范围后，通过输出控制单元将市电断开，逆变器快速切换到离网运行模式。逆变器在并网模式是控制电流为主，离网模式是控制电压为主，通过内部高度数字控制芯片DSP控制部分进行模式切换。内部主要功能框图如下（图4）。

图4光伏并网离网一体型逆变器（DC/AC）

2.1.3输出控制单元

输出控制单元是管理设备交流输出工作状态的部件。市电正常时，K1、K2闭合设备处于光伏并网工作模式;市电超出正常范围或智能脱离电网模式，通过输出控制单元将K1断开，K2闭合设备切换到离网运行模式。设备采用光伏专用快速型电磁继电器作为切换开关，根据系统控制器指令进行工作模式切换。切换速度优于10ms，不会影响到用户电子设备的连续工作状态（图5）。

2.2双向计量模块

户用光伏一体化接入设备通过余电上网的形式为用户产生效益，因此在设计应用中必须采用形式多样、计量精确的电功检测装置。设备采用高精度数字型双

图5输出控制单元

向计量模块，具有测量正向和反向有功电能、输入输出视在电能、多项防窃电检测功能、最大8费率TOU设计、零线电流和最大需量测量功能、强磁场检测功能、数据通讯功能。计量模块具有极高的可靠性，采用高精度电流传感器、专用电能计量芯片、MCU、高精度专用时钟芯片及长寿命耐高温器件等构成，具有较好的防温漂和抗磁场干扰特性。

2.3模块化锂电池以及电池管理系统（BMS）

储能电池是户用光伏一体化接入设备的重要组成部件，电池的容量直接影响到系统在无光弱光情况下的供电能力，电池的性能更是决定了设备的整机效率。磷酸铁锂电池具有极高的能量密度比、环境适应性以及电气安全稳定性，因此，在本应用设计中采用锂电池作为系统的储能材料。endprint