韓 克， 余劍生， 羅永通，2

(1. 廣東技術(shù)師范學(xué)院， 廣東 廣州 510655; 2. 廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院， 廣東 廣州 510663)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)是將光輻射能通過(guò)光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電技術(shù)[1]。光伏發(fā)電具有資源豐富、分布廣泛、無(wú)污染、可再生等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的理想替代能源[2]。我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)已比較成熟，但是隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仍有很大的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展空間。為了使離網(wǎng)或離并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有更好的運(yùn)行性能，研究光伏電站的光伏蓄電池電壓監(jiān)控系統(tǒng)具有十分重要的意義[3-4]。

1 系統(tǒng)研發(fā)背景

目前，在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，還沒(méi)有一種較為理想的、功能可視化的、系統(tǒng)匹配可分析的蓄電池電壓監(jiān)控系統(tǒng)。筆者通過(guò)實(shí)際應(yīng)用工程在線分析與研究，采用現(xiàn)代電子仿真技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)論證，設(shè)計(jì)出一種可行的、穩(wěn)定性好和動(dòng)態(tài)可視化的光伏蓄電池電壓監(jiān)控系統(tǒng)，用于分析光伏發(fā)電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的合理性與匹配性能。

(1) 光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、逆變器和儲(chǔ)能蓄電池等設(shè)備組成。由于光伏陣列的光電轉(zhuǎn)換效率受光照和溫度等外界條件的影響較大，其功率輸出具有較強(qiáng)的間歇性和隨機(jī)性[5]，而且還與蓄電池容量配置方案有關(guān)。蓄電池作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備，若沒(méi)有指導(dǎo)性的監(jiān)控策略，將影響蓄電池的使用效率和使用壽命。

(2) 采用可視化模型功能顯示，使戶用能夠直觀地了解光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池當(dāng)前的工作狀態(tài)、滿足用戶的監(jiān)控需求。可視化模型包括蓄電池電壓電量百分比、多路光伏陣列或負(fù)載控制、過(guò)壓/欠壓預(yù)警和無(wú)線發(fā)送等功能顯示。

(3) 在“物聯(lián)網(wǎng)+光伏”的背景下，為實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的信息管理、智能控制和遠(yuǎn)程交互等智能融合，滿足用戶、使用單位、維保單位等多方需求，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與遠(yuǎn)程終端監(jiān)控顯得尤為重要。

2 系統(tǒng)總體方案

光伏蓄電池電壓監(jiān)控系統(tǒng)主要包括電壓數(shù)據(jù)采集、嵌入式微處理器、LCD顯示屏和網(wǎng)絡(luò)通信等功能模塊。

2.1 工程項(xiàng)目指標(biāo)

光伏電池:每塊光伏電池板輸出功率255 W；開(kāi)路電壓37.85 V；短路電流9.08 A；最大工作電壓29.90 V；最大工作電流8.53 A；

交流逆變器:4 kW，輸入電壓范圍96～200 V；最大充電電流≤40 A；AC 220 V±5%輸出；過(guò)載保護(hù)DC 84～114 V；

免維護(hù)鉛酸蓄電池組:(12 V/120 Ah)×8個(gè)；

工程裝機(jī)容量:光伏陣列功率255 W×12=3.06 kW(≤4 kW)；

負(fù)載容量:2 500 W。

2.2 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)通常都是由太陽(yáng)能光伏陣列、直流匯流箱、交流逆變器、蓄電池組和光伏系統(tǒng)控制器、負(fù)載等設(shè)備所組成。在陽(yáng)光的輻射下，通過(guò)太陽(yáng)能光伏陣列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)過(guò)直流匯流箱，由離網(wǎng)或并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成交流電，或者對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電并存儲(chǔ)，必要時(shí)通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供負(fù)載使用。

蓄電池電壓監(jiān)控器由線性衰減器、嵌入式微處理器、LCD液晶顯示器模塊、ZigBee無(wú)線傳輸模塊、時(shí)鐘電路、節(jié)能控制模塊、DC-DC開(kāi)關(guān)電源等組成[6]，系統(tǒng)框圖(虛框)如圖1所示。

圖1 光伏系統(tǒng)蓄電池電壓監(jiān)控器系統(tǒng)框圖

首先由蓄電池送出的電壓值經(jīng)線性衰減器后，送入嵌入式微處理器，在其內(nèi)部由10位A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電壓數(shù)據(jù)采集。微處理器單片機(jī)以操作對(duì)象為目標(biāo)，編程實(shí)現(xiàn)“繪制動(dòng)態(tài)模型”“瞬間電壓”“百分比電壓”和“過(guò)壓、欠壓和次數(shù)統(tǒng)計(jì)”等參量運(yùn)算，然后在液晶顯示器(LCD)上進(jìn)行數(shù)字和圖形模型顯示。同時(shí)還對(duì)液晶顯示器定時(shí)刷屏控制，使顯示結(jié)果為當(dāng)天的檢測(cè)狀況。另外，微處理器每隔一定時(shí)間從串口向無(wú)線傳輸模塊發(fā)送顯示屏中的數(shù)字信息。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

(1) 衰減器是一種線性電阻矩陣，該矩陣將蓄電池送出的電壓按比例衰減，輸入0～200 V電壓，輸出0～5 V電壓。

(2) 嵌入式微處理器以STC12C5A60S2為核心芯片，其內(nèi)部集成了60 KB程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，具有信息處理、電參量顯示、串口輸出數(shù)據(jù)和外圍電路控制等功能。

(3) 液晶顯示器采用LM4229點(diǎn)陣屏，其像素點(diǎn)為240×128，可實(shí)現(xiàn)圖形和漢字的顯示，是進(jìn)行數(shù)字化圖形模型顯示和可視化監(jiān)控的主要模式。

(4) 用ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。采用RS232接口或RS485接口發(fā)送數(shù)據(jù)到局域網(wǎng)或云端服務(wù)器；而接收終端只要具備網(wǎng)絡(luò)(例如GPRS、WI-FI和以太網(wǎng))功能就可以通過(guò)瀏覽器(電腦、手機(jī))訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

(5) DS1302時(shí)鐘芯片可以對(duì)秒、分鐘、小時(shí)、月、星期、年計(jì)數(shù)，年計(jì)數(shù)可達(dá)到2100年。

(6) VD10-110S05B1[7]開(kāi)關(guān)電源模塊提供光伏監(jiān)控系統(tǒng)的整機(jī)工作電源，其參數(shù)為:功率10 W；輸入電壓72～144 V ；輸出電壓+5 V；轉(zhuǎn)換效率最高88%；長(zhǎng)期短路保護(hù)、自動(dòng)恢復(fù);隔離電壓1 500 VAC;輸出過(guò)壓保護(hù)；低待機(jī)功耗；輸出紋波低。

(7) 利用熱釋電傳感器模塊實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。當(dāng)人體靠近時(shí)，自動(dòng)點(diǎn)亮液晶顯示器的背光燈，點(diǎn)亮后延時(shí)5～20 s(可調(diào))后自動(dòng)關(guān)閉。

(8) 控制器主要由驅(qū)動(dòng)電路和20 A/12 V直流繼電器組成，用于控制光伏陣列和負(fù)載。

2.4 監(jiān)控電壓信息處理與顯示模式

(1) 衰減器對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)蓄電池的輸出電壓進(jìn)行線性衰減后，在微處理器中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換值以數(shù)字的形式送至顯示器上顯示。

(2) 采用電量模型，以百分比的方式描述蓄電池儲(chǔ)能總?cè)萘?，電量模型顯示以±10%的增量或減量表示當(dāng)前的儲(chǔ)能總?cè)萘俊?/p>

(3) 根據(jù)所設(shè)定的蓄電池閾值電壓，實(shí)現(xiàn)光伏陣列和電器負(fù)載的控制。根據(jù)蓄電池規(guī)范使用原則接通或斷開(kāi)光伏陣列，即一個(gè)標(biāo)稱電勢(shì)為12 V的正常鉛酸蓄電池(一個(gè)單格鉛酸電池的標(biāo)稱電壓是2.0 V，用6個(gè)單格鉛酸電池串聯(lián)起來(lái)組成標(biāo)稱是12 V的鉛酸蓄電池)在充電過(guò)程的末期，改用小電流給蓄電池繼續(xù)充電，此時(shí)就稱為浮充電，也稱為涓流充電(以12 V電池為例，浮充電壓為13.2～13.8 V)。蓄電池組放電時(shí)，放電的截止電壓是1.8 V×N[8](每個(gè)蓄電池1.8 V，N為蓄電池?cái)?shù)量，6×1.8=10.8 V)。該系統(tǒng)方案是根據(jù)光照強(qiáng)度采取二級(jí)模型顯示與驅(qū)動(dòng)電路聯(lián)動(dòng)控制。一是蓄電池閾值電壓為110 V/96 V(單節(jié)電池:2.38 V/2.00 V)斷開(kāi)或接通其中一路光伏陣列；當(dāng)蓄電池閾值電壓為114 V/110 V斷開(kāi)或接通其中一路光伏陣列，而保留其他支路通過(guò)逆變器輸出的恒定電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充，避免蓄電池處于過(guò)充而減少蓄電池的使用壽命。二是當(dāng)蓄電池的充電電壓達(dá)到規(guī)定的上限值96 V時(shí)，通過(guò)啟動(dòng)控制電路對(duì)電器負(fù)載進(jìn)行控制；而電壓達(dá)到規(guī)定的下限值86 V時(shí)，斷開(kāi)控制設(shè)備。通過(guò)閾值電壓的監(jiān)控，能夠延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命和提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。

(4) 當(dāng)蓄電池電壓小于欠壓閾值時(shí)，將自動(dòng)記錄欠壓次數(shù)(加1)；而蓄電池電壓大于過(guò)壓閾值時(shí)，過(guò)壓次數(shù)統(tǒng)計(jì)也自動(dòng)加1。將每天記錄的次數(shù)統(tǒng)計(jì)在顯示器上顯示，并且每天的0∶00自動(dòng)將顯示器刷屏。通過(guò)每天的過(guò)壓、欠壓次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，便于對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)蓄電池的合理配置給出綜合性的評(píng)估。

(5) 光伏系統(tǒng)蓄電池電壓監(jiān)控設(shè)備還連接無(wú)線傳輸模塊。蓄電池電壓、過(guò)壓和欠壓等數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳輸給用戶終端。用戶終端可以是用戶的移動(dòng)終端、智能平板、個(gè)人計(jì)算機(jī)等終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的智能監(jiān)控。

3 軟件設(shè)計(jì)與流程圖分析

軟件程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

(1) 系統(tǒng)初始化:對(duì)微處理器和寫液晶顯示器初始化。

(2) 過(guò)壓、欠壓、恢復(fù)、時(shí)間設(shè)置:過(guò)壓值為114 V，恢復(fù)值為110 V；欠壓值為86 V、恢復(fù)值為96 V；進(jìn)行時(shí)間校對(duì)。

(3) 瞬時(shí)電壓檢測(cè):完成A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字電壓值顯示，靈敏度為200 mV。

(4) 根據(jù)當(dāng)前電壓值，顯示蓄電池模型儲(chǔ)存電量的百分比，步進(jìn)量為10%，共分10檔。

(5) 當(dāng)蓄電池電壓大于或等于114 V時(shí)，顯示屏上HV1和HV2模型切換為“OFF”，對(duì)應(yīng)的控制電路斷開(kāi)外圍光伏陣列支路；LV模型切換為“ON”，對(duì)應(yīng)的控制電路接通用戶設(shè)定的“負(fù)載”。UI模型是為用戶預(yù)備的自定義“負(fù)載”控制功能。

(6) 每秒鐘發(fā)送一次瞬時(shí)電壓值。如果發(fā)生過(guò)壓或欠壓(警示燈模型閃爍)，則發(fā)送過(guò)壓或欠壓值。另外，每秒鐘在液晶顯示器上顯示一次動(dòng)態(tài)“信號(hào)發(fā)射”的圖形。

(7) 時(shí)間測(cè)控:系統(tǒng)在每日0∶00定時(shí)刷屏。

圖2 程序設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)仿真與工程應(yīng)用

仿真技術(shù)具有廣闊的空間與應(yīng)用領(lǐng)域，仿真技術(shù)已被國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃列為關(guān)鍵技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)管理等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[9]。為此，采用Proteus現(xiàn)代電子仿真技術(shù)對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)與仿真，其效果完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用。

采用Proteus現(xiàn)代虛擬仿真平臺(tái)，對(duì)硬件與軟件協(xié)同仿真，能夠更好地論述系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)原理和程序設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)劃分為多個(gè)項(xiàng)目，并且修改硬件電路或調(diào)試軟件設(shè)計(jì)也十分容易。利用Proteus現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，真正體現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)[10]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真如圖3所示。根據(jù)蓄電池充滿后(114 V)的換算結(jié)果，圖3所示的電壓百分比為(96/114)×100%=84.2%。在圖3所示的屏幕上，U_96V是監(jiān)控器型號(hào)、TSC是系統(tǒng)控制器、HV是高(電)壓、LV是低壓、UI是用戶接口、CU是計(jì)數(shù)單元、CF是復(fù)原。

圖3 仿真結(jié)果圖

圖4所示為蓄電池電壓監(jiān)控器在實(shí)際工程中的應(yīng)用。通過(guò)近2年的實(shí)施，該監(jiān)控系統(tǒng)使用效果較好。

圖4 光伏蓄電池電壓監(jiān)控器實(shí)際工程圖

(1) 有利于分析監(jiān)控系統(tǒng)方案的匹配性。根據(jù)區(qū)域環(huán)境、負(fù)載量等情況，對(duì)于系統(tǒng)組件的合理配置、提高蓄電池容量和蓄電池使用效率、及時(shí)維護(hù)等具有建設(shè)性意義。例如，區(qū)域光照度、光伏板功率、逆變器功率和蓄電池儲(chǔ)能容量等光伏組件配置的合理性都能在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中分析出來(lái)。在該項(xiàng)目方案中， 一條光伏陣列可輸出電流值約為60 A(日照度為1 000～110 000 lx、日照時(shí)長(zhǎng)為10 h，如圖5所示)，由于該工程方案為3條光伏陣列，日輸出總電流約180 A。若日光照度增加，或在輕負(fù)載的情況下，工程方案中的蓄電池容量(12 V/120 Ah)配置是偏小的。也就是說(shuō)，蓄電池組僅在日光長(zhǎng)度的2/3或1/2時(shí)間就被充滿，因此必須根據(jù)實(shí)際情況合理配置蓄電池的容量。

圖5 蓄電池電流監(jiān)控器實(shí)際工程圖

(2) 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、直觀、可視化強(qiáng)。按目前系統(tǒng)裝機(jī)容量，在本區(qū)域日光長(zhǎng)度平均6 h，日光強(qiáng)度(照度)平均85 000 lx，可負(fù)載容量為1 200 kW分體式空調(diào)1臺(tái)、照明功率300 W，在負(fù)載連續(xù)運(yùn)行10 h的情況下，則日發(fā)電量約15 kW。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用率還不算高，特別需要加快研發(fā)高效率的太陽(yáng)能光伏電池新材料和蓄電池儲(chǔ)能設(shè)備等。本文采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，重點(diǎn)對(duì)鉛酸蓄電池的使用、維護(hù)和光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備的合理配置提出了較好的分析方法，并且在工程應(yīng)用中達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，符合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行需要。隨著應(yīng)用電子及通信等技術(shù)快速發(fā)展，尤其是移動(dòng)終端技術(shù)和云平臺(tái)技術(shù)的普及，將會(huì)使未來(lái)的光伏發(fā)電系統(tǒng)蓄電池電壓監(jiān)控系統(tǒng)性能和功能變得更加完善。

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