席飛

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，江蘇南京，210019）

0 引言

能源問題一直是關(guān)乎民生經(jīng)濟的重要問題。清潔能源的開發(fā)利用已經(jīng)成為國際公認(rèn)的解決能源問題的主要渠道，而清潔能源的開發(fā)利用離不開先進的儲能系統(tǒng)。目前最常見的儲能系統(tǒng)就是儲能電站，儲能電站則由多組蓄電池組成，蓄電池充放電控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)直接關(guān)系到儲能電站的儲能效率以及運行成本。因此，本文以儲能電站蓄電池充放電智能控制系統(tǒng)的理論設(shè)計作為研究方向，從單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計原則以及蓄電池充放電控制系統(tǒng)的功能需求兩個方面，詳細(xì)論述了儲能電站中蓄電池智能充放電控制系統(tǒng)的設(shè)計思路。

1 蓄電池智能充放電系統(tǒng)控制器設(shè)計原理

1.1 電力系統(tǒng)儲能蓄電池的充放電特性分析

目前我國儲能電站最為常見的蓄電池類型為鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池的充電過程基本原理為，通過外部提供一個直流電源，促使蓄電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存起來。目前常見的鉛酸蓄電池充電方式主要有以下幾種：第一，恒流充電。即在充電過程中保證為蓄電池提供一個外部的電流值恒定不變的電流。該充電方式是最為簡單的充電方式，但弊端相對明顯。由于蓄電池內(nèi)部的受電能力會隨著充電時間變長而逐漸變小，在充電的每個階段采用同樣大小的電流充電顯然是不合理的，會加劇充電過程中蓄電池析氣現(xiàn)象，影響蓄電池的使用壽命。因此目前恒流充電方法已經(jīng)基本淘汰，同樣也不適用于本文論述的光儲系統(tǒng)蓄電池充電。

第二，恒壓充電。即在恒定電壓下，隨著蓄電池充電時間的推移，充電電流逐漸降低。這種充電方式的充電效率明顯高于恒流充電，但仍然存在充電伊始電流可能過大的弊端。另外恒壓充電也不適合串聯(lián)了較多蓄電池的儲電系統(tǒng)。

第三，浮充充電。即采用C/30與C/20之間的小電流來逐漸將蓄電池充滿。這種充電方式僅適合充電的最后階段，并不能滿足充電初期的充電電流需求。

第四，分階段充電。即依據(jù)以上三種充電方式的優(yōu)劣，將蓄電池的充電過程分為前、中、后三個階段，在前期采用充電電流較大的恒流充電，中期采用電流持續(xù)變小的恒壓充電，后期采用充電電流最小的浮充充電。目前這種分階段的充電模式相對來說充電效率較高、充電能耗較低、電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的轉(zhuǎn)換率較高。因此，本文設(shè)計的電力系統(tǒng)蓄電池充放電控制系統(tǒng)采用的充電方式為分階段充電模式。

1.2 充放電智能控制系統(tǒng)的設(shè)計思路

根據(jù)上文論述的蓄電池充放電模式，智能控制系統(tǒng)應(yīng)該由數(shù)據(jù)采集、充放電控制、邏輯判斷、輔助電源、人機交互這幾個基礎(chǔ)功能性模塊構(gòu)成，通過數(shù)據(jù)采集模塊將蓄電池充放電過程中的電流、電壓以及蓄電池溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測傳輸給邏輯判斷模塊，由提前編程好控制判斷邏輯的單片機依據(jù)收集到的數(shù)據(jù)發(fā)布充放電控制指令，再由指令執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)控制充電方式與放電流量。在整個控制過程中，操作人員可以通過人機交互模塊獲取蓄電池狀態(tài)、充電預(yù)計時長、蓄電池充電方式、剩余電量等信息。

2 蓄電池智能充放電控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)上文中的設(shè)計思路分析，蓄電池的智能充放電控制系統(tǒng)應(yīng)該由主回路模塊、充放電模塊、數(shù)據(jù)采集及通信模塊、智能控制模塊以及輔助電源模塊構(gòu)成。

圖1 蓄電池充放電控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸結(jié)構(gòu)圖

第一，主回路模塊主要負(fù)責(zé)對充電的電源電路進行整流。另外主回路模塊還要為其他模塊供電。

第二，數(shù)據(jù)采集及通信模塊則主要負(fù)責(zé)監(jiān)測充放電過程中蓄電池的電壓、電流、溫度以及剩余容量等相關(guān)數(shù)據(jù)，同時將這些數(shù)據(jù)實時反饋給智能控制模塊。監(jiān)測設(shè)備選用型號合適的電力系統(tǒng)萬用表就能夠?qū)崟r獲取蓄電池的電壓、電流數(shù)據(jù)，采用非接觸式溫度計就能夠?qū)崟r獲取蓄電池溫度，采用蓄電池容量監(jiān)測儀器實時獲取剩余電量。通信模塊建議將整個控制系統(tǒng)分為上位機和下位機，上位機為整個電力系統(tǒng)監(jiān)控中心，下位機為各個具體的蓄電池的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。每個蓄電池的充放電控制系統(tǒng)對應(yīng)一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，以CAN總線網(wǎng)絡(luò)作為通信網(wǎng)關(guān)，各個充放電控制系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)都需要匯總到CAN總線上，由電力系統(tǒng)統(tǒng)一的監(jiān)控中心將蓄電池的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示給操作人員。每個監(jiān)測節(jié)點對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器也不易出現(xiàn)信號之間的相互干擾。

第三，充放電模塊主要由充放電電路構(gòu)成，建議采用混合母線式電路，同時通過DC/DC、DC/AC變換器對整合的充電電路進行變壓操作，滿足蓄電池充電控制中的不同充放電策略。通過MOSFET管來實現(xiàn)對蓄電池的放電控制。

第四，智能控制模塊，主要由單片機主控芯片構(gòu)成，按照系統(tǒng)監(jiān)控中心反饋的蓄電池充放電狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，運行控制程序生成充放電控制模塊DC/DC、DC/AC變換器以及MOSFET管的運行指令。

2.2 主電路設(shè)計

蓄電池充放電過程的自動化控制離不開主電路的支持，要想實現(xiàn)恒流或恒壓充電，就需要對充電電流進行整流、濾波、穩(wěn)壓等一系列操作。以光儲系統(tǒng)為例，光伏發(fā)電電源電壓受光伏能源變化影響不夠穩(wěn)定，需要通過整流以后得到直流穩(wěn)定電壓，然后再將直流電壓借助于并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器轉(zhuǎn)換為高頻交流母線電壓。主電路整流橋式電路設(shè)計思路具體如下：第一，整流電路的設(shè)計，采用四個二極管結(jié)成電橋形式，利用二極管的單向?qū)щ娞攸c，把光伏發(fā)電產(chǎn)生的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動電壓。第二，濾波電路設(shè)計，采用電容濾波，通過電容將脈動電壓存儲起來以后在緩慢釋放，將電壓的脈動特點逐漸消解掉，把脈動電壓變?yōu)榉€(wěn)定地直流電壓。第三，穩(wěn)壓電路設(shè)計，采用三端式集成穩(wěn)壓器對直流電壓進行穩(wěn)壓處理，為后續(xù)的逆變器轉(zhuǎn)換交流母線電壓做好準(zhǔn)備。

2.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計

根據(jù)上文論述的數(shù)據(jù)采集與通信模塊主要依賴于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)的通信，因此網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的設(shè)計同樣直接關(guān)系到充放電控制系統(tǒng)的響應(yīng)效率。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的智能控制同樣需要借助于單片機實現(xiàn)，建議選用Cortex-M0架構(gòu)的STM32F051C8T6高性能單片機，該型號單片機具備高性能、低能耗特點，自帶運作、停止、休眠、待機等四種工作模式，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的微控制需求。

每個蓄電池對應(yīng)一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，每個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器也應(yīng)該由獨立的電源，STM32F051C8T6型號的單片機工作電壓為3.3V和5V，建議選用MP2359電源芯片，該芯片內(nèi)置有DC/DC轉(zhuǎn)換器，可以靈活地控制輸出電壓。依賴于MP2359芯片內(nèi)置的DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以方便地將電源電壓降到單片機可以適應(yīng)的電壓數(shù)值。另外網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器單片機同樣要具備自動化復(fù)位功能，因此可以通過配置一個寄存器的方式，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器運行過程中切換時鐘源，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊商店自動復(fù)位。最后，連接以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)芯片建議選用ZLSN2002，該芯片性能穩(wěn)定，且能夠兼容上述的電源芯片，只需要將引腳與充放電主控單片機串口連接以后，就能夠?qū)崟r地向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送充放電主控芯片的指令信息以及監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

2.4 充放電控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的充放電控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)對斬波電路的智能控制，根據(jù)上文分析可知光儲系統(tǒng)的蓄電池斬波電路主要為DC/DC變換器?？紤]到這一點，建議選用8位單片機STM8S105K4作為主控芯片。該型號單片機引腳有23個，且內(nèi)置4個定時器、7個A/D轉(zhuǎn)換通道，能夠完成對數(shù)據(jù)采集、按鍵開關(guān)、LED顯示、兩級式DC/DC變換器升壓轉(zhuǎn)換等功能性模塊的智能控制。通過控制兩級式DC/DC變換器，由前端Boost將充電電流進行升壓轉(zhuǎn)換，當(dāng)蓄電池電壓達到臨界點時，再由第二級變換器將電壓穩(wěn)定在臨界值。另外為了進一步提高充電效率，可以配置兩級式DC/AC變換器，由前端的Buck電路以及后端Buck-Boost電路分別負(fù)責(zé)正反兩條電路的電壓輸出，進一步提高恒壓充電階段的充電效率。

圖2 DC/DC轉(zhuǎn)換器電路圖

3 蓄電池智能充放電控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 充放電作業(yè)主程序設(shè)計

蓄電池的充電過程是一個漸變過程，通過控制程序控制每一個充電階段的充電時長是充電控制程度的關(guān)鍵。本文主要以電壓數(shù)據(jù)來分析判斷清潔能源的發(fā)電量，直流母線電壓與發(fā)電量呈正相關(guān)關(guān)系，因而恒流狀態(tài)的充電時間也應(yīng)該和發(fā)電量呈正相關(guān)關(guān)系，根據(jù)這一規(guī)律，設(shè)計蓄電池充電流程如圖3所示。

圖3 蓄電池充電程序流程圖

圖3中，以蓄電池電壓是否低于135V作為判斷條件，電壓不超過135V時，充電電流維持在恒定值10A，處于恒流充電階段。當(dāng)電壓超過135V時，調(diào)用DC/DC變換器將電壓升壓并控制在400V，進入恒壓充電階段。隨著恒壓充電時間的增加，充電電流數(shù)值會逐漸變小，當(dāng)充電電流低于0.8A時，進入浮充狀態(tài)。在浮充階段，通過較小的電流充電，逐漸是蓄電池電壓達到150V，然后停止充電。

圖4中，蓄電池的放電過程同樣可以細(xì)分為恒流放電和恒壓放電兩個模式?？梢栽O(shè)置固定的電流值，然后比對蓄電池放電開始時的電壓與放電過程中的實時測定電壓，應(yīng)用判斷放電過程產(chǎn)生的系統(tǒng)占空比，以此來判斷系統(tǒng)是否進入可放電狀態(tài)。恒壓放電模式則是控制電壓以后，對比系統(tǒng)初始狀態(tài)的電流與是否小于放電狀態(tài)預(yù)設(shè)值，計算系統(tǒng)的占比空以后，研判蓄電池是否進入放電準(zhǔn)備狀態(tài)。

圖4 蓄電池放電程序流程

3.2 功能模塊功能實現(xiàn)程序設(shè)計

單片機作為整個控制系統(tǒng)的主控芯片，需要對整個系統(tǒng)的各個功能性模塊的功能實現(xiàn)進行控制。

首先，為了保證單片機性能的穩(wěn)定性，在每次單片機進行一次邏輯研判以前要對其進行初始化處理。初始化處理包括了以下幾個方面：第一，要對寄存器中的數(shù)據(jù)進行歸零處理，要為寄存器中的各個數(shù)據(jù)賦初始值。第二，要確認(rèn)設(shè)置補全單片機充放電控制主程序運行所需的各類具體參數(shù)，如上文充電系統(tǒng)中的進入浮充階段的蓄電池電流預(yù)設(shè)值，以及放電系統(tǒng)中電流、電壓預(yù)設(shè)值。第三，要對單片機的I/O端口的狀態(tài)進行初始化。第四，要對單片機的計數(shù)器以及定時器狀態(tài)進行初始化，并設(shè)定運算參數(shù)。具體單片機初始化流程如圖5所示：

圖5 單片機初始化程序流程

其次，按鍵采集程序，主要用于實現(xiàn)對充放電狀態(tài)的人工控制功能。操作人員通過按鍵可以實時設(shè)置充放電過程中的控制參數(shù)。通過探測按鍵開關(guān)狀態(tài)來判斷是否生成修改參數(shù)、控制充放電狀態(tài)等人工操作。為了避免因為按鍵抖動引起的誤判，在讀取到按鍵開關(guān)狀態(tài)變化的數(shù)據(jù)以后，要延時進行判斷。

最后，LED人機交互顯示程序，主要用于將每條充放電控制指令顯示出來。在初始化單片機時，可以將LED顯示器進行初始化處理，然后為每一個慣用字符設(shè)置固定的代碼，由單片機通過I/O端口控制LED屏顯示蓄電池充放電烤制指令內(nèi)容。

4 結(jié)論

合理運用單片機技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對供電系統(tǒng)、配電網(wǎng)絡(luò)的智能化技術(shù)改造。本文以清潔能源并網(wǎng)過程中的儲能系統(tǒng)蓄電池充放電控制系統(tǒng)為研究對象，從充放電控制系統(tǒng)各個模塊所用單片機選型以及電路設(shè)計方面提出了建議，同時重點針對蓄電池充放電作業(yè)程序流程提出了具體的設(shè)計思路建議，且對蓄電池充放電控制系統(tǒng)的其他模塊的軟件設(shè)計也進行了簡單的分析說明。期望本文的分析對清潔能源并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計中的單片機技術(shù)應(yīng)用有所幫助。