家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)整體電源解決方案

摘要

隨著智能化、信息化時(shí)代的到來(lái)，用電需求大大增加。為緩解環(huán)境污染、能源消耗等方面的壓力，全球都在尋找綠色的發(fā)電方式，寄眾望于光伏發(fā)電。在政策扶持和光伏儲(chǔ)能降低發(fā)電成本的優(yōu)勢(shì)下，家庭光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)正逐步步入千家萬(wàn)戶(hù)。針對(duì)整個(gè)家庭光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，金升陽(yáng)提供全套系統(tǒng)的電源解決方案，致力于簡(jiǎn)化客戶(hù)設(shè)計(jì)，增加系統(tǒng)的可靠性。

一、引言

隨著美國(guó)“百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”和德國(guó)“能源轉(zhuǎn)型”的持續(xù)發(fā)展，家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)，尤其政府對(duì)民間使用光伏電力給予高額度的補(bǔ)貼，使得大部分民眾實(shí)現(xiàn)家庭電力的自給自足，還可儲(chǔ)存多余的電量，導(dǎo)致了德國(guó)乃至歐洲家庭儲(chǔ)能市場(chǎng)的興起。

家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)類(lèi)似于一個(gè)微型儲(chǔ)能電站，其運(yùn)行不受城市供電壓力影響。在用電低谷時(shí)間，家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池組可自行充電，以備用電高峰或斷電時(shí)使用。除用作應(yīng)急電源外，家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)也因能均衡用電負(fù)荷，從而節(jié)省家庭電力開(kāi)支。

雖然當(dāng)前家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)的市場(chǎng)需求更多出于民眾對(duì)應(yīng)急后備電源的需要，但在業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，使用家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)可以組合太陽(yáng)能等新能源發(fā)電系統(tǒng)、推動(dòng)新能源的推廣以及構(gòu)筑智能電網(wǎng)，市場(chǎng)前景廣闊。

二、家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及組件要求

家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)目前分為兩種，一種為并網(wǎng)家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)，一種為離網(wǎng)家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)。

并網(wǎng)家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)由五大部分構(gòu)成，包括：太陽(yáng)能電池陣列、并網(wǎng)逆變器、BMS管理系統(tǒng)、電池組、交流負(fù)載。系統(tǒng)采用光伏與儲(chǔ)能系統(tǒng)混合供電。市電正常時(shí)，由光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和市電為負(fù)載供電;市電斷電時(shí)，由儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合供電。并網(wǎng)家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)分為三種工作模式，模式一：光伏提供儲(chǔ)能、余電上網(wǎng);模式二：光伏提供儲(chǔ)能、部分用戶(hù)用電;模式三：光伏僅提供部分儲(chǔ)能。并網(wǎng)家庭儲(chǔ)能如圖一所示：

圖一 并網(wǎng)家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)圖(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

離網(wǎng)家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)是獨(dú)立的，和電網(wǎng)沒(méi)有任何的電氣連接，因此整個(gè)系統(tǒng)并不需要并網(wǎng)逆變器，光伏逆變器就可以滿(mǎn)足要求。離網(wǎng)家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)分為三種工作模式，模式一：光伏提供儲(chǔ)能和用戶(hù)用電(晴天);模式二：光伏和儲(chǔ)能電池提供用戶(hù)用電(陰天);模式三：儲(chǔ)能電池提供用戶(hù)用電(傍晚和雨天)。離網(wǎng)家庭儲(chǔ)能如圖二所示：

圖二 離網(wǎng)家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)圖(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

綜上所述，目前需求的儲(chǔ)能設(shè)備主要為BMS電池管理系統(tǒng)，光伏并網(wǎng)逆變器、儲(chǔ)能逆變器。針對(duì)以上家庭儲(chǔ)能設(shè)備需求，并結(jié)合光伏系統(tǒng)各單元電路安全隔離特性，金升陽(yáng)提出一整套控制單元的電源解決方案。

三、電池管理系統(tǒng)BMS單元電源解決方案

電池作為系統(tǒng)的核心儲(chǔ)能器件，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的在線(xiàn)狀態(tài)，因此BMS的重要性不言而喻。BMS系統(tǒng)中BCU 模塊通過(guò)CAN 總線(xiàn)與BMU 模塊實(shí)時(shí)通信，獲取單體電壓、箱體溫度、絕緣電阻等系統(tǒng)參數(shù);通過(guò)電流傳感器采集充放電電流，動(dòng)態(tài)計(jì)算SOC，并通過(guò)觸摸屏顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。BCU 計(jì)算分析得出電池組綜合信息后，進(jìn)行系統(tǒng)智能管理：通過(guò)獨(dú)立的CAN 總線(xiàn)智能交互;同時(shí)，也可通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電的二級(jí)保護(hù)，確保強(qiáng)弱電有效隔離，滿(mǎn)足客戶(hù)多樣化的安全控制需求，保障系統(tǒng)穩(wěn)定高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖三 電池管理系統(tǒng)BMS電源方案框圖

如圖三所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)的BMS電源方案主要核心在于隔離電壓變換。主控單元主要基于24VDC的系統(tǒng)，且整個(gè)主控單元的功率不足5W，因此可選URB2405YMD-10WR3，輸出5VDC電壓，用于給隔離模塊F0505XT-1WR2以及LDO供電。LDO由5VDC輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V輸出電壓用于給MCU供電。系統(tǒng)中6PCS F0505XT-1WR2則用于給4個(gè)CAN通信模塊、電壓與絕緣檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路供電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電源電路與信號(hào)電路及通信模塊隔離，減小干擾、提高穩(wěn)定性以及可靠性。除此之外，金升陽(yáng)公司的CF0505XT-1WR2的汽車(chē)級(jí)電源被廣泛應(yīng)用于車(chē)載BMS系統(tǒng)中。

四、光伏逆變器監(jiān)控單元電源方案

太陽(yáng)能光伏組件進(jìn)行電能匯聚流，轉(zhuǎn)向逆變器進(jìn)行直流轉(zhuǎn)換成交流。逆變器在工作過(guò)程中，同樣需要轉(zhuǎn)換過(guò)程監(jiān)測(cè)、控制和通信，以保證逆變電壓滿(mǎn)足指標(biāo)要求。此部分監(jiān)控單元可直接從市電上取電工作。

如圖四所示，由LH系列模塊電源直接從市電上取電轉(zhuǎn)換輸出24V，再經(jīng)過(guò)非隔離轉(zhuǎn)換模塊K7805-500R3輸出5VDC電壓;B0503XT-2WR2給MCU提供滿(mǎn)足功能隔離耐壓的3.3V工作電壓;采用隔離、高速的TD501D485H通信模塊，可抑制電磁干擾和消除接地環(huán)路,保護(hù)系統(tǒng)電路免受外部網(wǎng)絡(luò)影響;另外，金升陽(yáng)專(zhuān)門(mén)針對(duì)逆變?nèi)珮虻腎GBT開(kāi)發(fā)一款集成有DC-DC電源的隔離驅(qū)動(dòng)器QP12W08S-37，簡(jiǎn)化客戶(hù)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)，提高可靠性。

圖四 逆變器監(jiān)控單元電源方案框圖

五、光伏并網(wǎng)逆變器監(jiān)控單元電源方案

光伏并網(wǎng)逆變器又叫雙向儲(chǔ)能逆變器、逆變一體機(jī)，系統(tǒng)由AC-DC單元、DC-DC單元、控制單元、通訊單元、轉(zhuǎn)移繼電器單元組成。雙向儲(chǔ)能逆變器分為兩種供電設(shè)備，一種為市電供電，另外一種為電池板供電。

圖五 逆變器監(jiān)控單元電源方案框圖

如圖五所示，AC-DC電源的功率主要考慮到主控板和風(fēng)扇的功率，本系統(tǒng)為15KW的設(shè)備;AC-DC電源推薦我司的LH40-10B24的產(chǎn)品，24V輸出一部分給風(fēng)扇供電，另外一部分給主控板供電。主控板推薦金升陽(yáng)全新升級(jí)的R3系列產(chǎn)品，URB2415YMD-10WR3給IGBT的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行供電，以及URB2405YMD-6WR3給MCU和通信進(jìn)行供電。

URB_YMD-6/10WR3系列產(chǎn)品全自動(dòng)化的生產(chǎn)工藝，大大降低了人工成本，優(yōu)越的性能大大領(lǐng)先于同行水平，超高的性?xún)r(jià)比，完全滿(mǎn)足光伏行業(yè)對(duì)于整體成本的苛刻要求。

六、金升陽(yáng)系列模塊電源的簡(jiǎn)介

1.寬壓輸入隔離DC-DC電源

產(chǎn)品特點(diǎn)：

寬輸入電壓范圍(4:1)

工業(yè)級(jí)工作溫度：-40℃ to +85℃

隔離電壓:1500VDC

輕載效率高達(dá)78%、紋波噪聲低至50mV

空載功耗：低至0.12W

輸入欠壓，輸出過(guò)壓、短路、過(guò)流保護(hù)

裸機(jī)滿(mǎn)足CISPR22/EN55022 CLASS A

通過(guò)UL60950、EN60950 和IEC60950 認(rèn)證

2. 定壓輸入隔離DC-DC電源

產(chǎn)品特點(diǎn)：

可持續(xù)短路保護(hù)

工作溫度范圍: -40℃ to +105℃

隔離電壓：3000VDC

紋波噪聲低至50mV

效率高達(dá)80%

3.隔離AC-DC電源系列

產(chǎn)品特點(diǎn)：

全球通用電壓:85-264VAC/100-370VDC

穩(wěn)壓輸出、低紋波噪聲

隔離電壓：3000VAC

輸出短路、過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)

通過(guò)IEC60950、UL60950、EN60950 認(rèn)證

全塑料外殼，符合UL94V-0

七、小結(jié)

家庭儲(chǔ)能逐步規(guī)?；?、普及化，是全球面向未來(lái)能源需求的健康合理化發(fā)展趨勢(shì)。金升陽(yáng)積極參與能源技術(shù)綠色化發(fā)展，結(jié)合自身技術(shù)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)和自主創(chuàng)新能力，針對(duì)家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)提供一整套電源解決方案，簡(jiǎn)化家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)的電路方案，降低了家庭系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)成本，綜合提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可靠性。

具體產(chǎn)品參數(shù)請(qǐng)查閱技術(shù)手冊(cè)：URB2405YMD-10WR3 ，F(xiàn)0505XT-1WR2 ，CF0505XT-1WR2 ，K7805-500R3 ，B0503XT-2WR2 ，TD501D485H ，QP12W08S-37

參考文獻(xiàn)：

1. THE GERMAN ENERGIEWENDE BOOK. Craig Morris, Martin Pehnt. 12/2016.

2. The Energy Storage Market in Germany - Issue 2017/2018. Germany Trade & invest. 2017.

3. THE CALIFORNIA MILLION SOLAR ROOFS INITIATIVE. SCCGOV.