家庭儲能系統(tǒng)整體電源解決方案

　　摘要

　　隨著智能化、信息化時代的到來，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能降低發(fā)電成本的優(yōu)勢下，家庭光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)正逐步步入千家萬戶。針對整個家庭光伏儲能系統(tǒng)，金升陽提供全套系統(tǒng)的電源解決方案，致力于簡化客戶設計，增加系統(tǒng)的可靠性。

　　關鍵字：光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)、電源解決方案、金升陽

　　一、引言

　　隨著美國“百萬太陽能屋頂計劃”和德國“能源轉型”的持續(xù)發(fā)展，家庭儲能系統(tǒng)，尤其政府對民間使用光伏電力給予高額度的補貼，使得大部分民眾實現(xiàn)家庭電力的自給自足，還可儲存多余的電量，導致了德國乃至歐洲家庭儲能市場的興起。

　　家庭儲能系統(tǒng)類似于一個微型儲能電站，其運行不受城市供電壓力影響。在用電低谷時間，家庭儲能系統(tǒng)中的電池組可自行充電，以備用電高峰或斷電時使用。除用作應急電源外，家庭儲能系統(tǒng)也因能均衡用電負荷，從而節(jié)省家庭電力開支。

　　雖然當前家庭儲能系統(tǒng)的市場需求更多出于民眾對應急后備電源的需要，但在業(yè)內人士看來，使用家庭儲能系統(tǒng)可以組合太陽能等新能源發(fā)電系統(tǒng)、推動新能源的推廣以及構筑智能電網，市場前景廣闊。

　　二、家庭儲能系統(tǒng)基本結構及組件要求

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

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

　　圖一 并網家庭儲能系統(tǒng)圖(圖片來自網絡)

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

　　圖二 離網家庭儲能系統(tǒng)圖(圖片來自網絡)

　　綜上所述，目前需求的儲能設備主要為BMS電池管理系統(tǒng)，光伏并網逆變器、儲能逆變器。針對以上家庭儲能設備需求，并結合光伏系統(tǒng)各單元電路安全隔離特性，金升陽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)的核心儲能器件，需要實時監(jiān)控電池的在線狀態(tài)，因此BMS的重要性不言而喻。BMS系統(tǒng)中BCU 模塊通過CAN 總線與BMU 模塊實時通信，獲取單體電壓、箱體溫度、絕緣電阻等系統(tǒng)參數(shù);通過電流傳感器采集充放電電流，動態(tài)計算SOC，并通過觸摸屏顯示相關數(shù)據(jù)。BCU 計算分析得出電池組綜合信息后，進行系統(tǒng)智能管理：通過獨立的CAN 總線智能交互;同時，也可通過繼電器實現(xiàn)對充放電的二級保護，確保強弱電有效隔離，滿足客戶多樣化的安全控制需求，保障系統(tǒng)穩(wěn)定高效地運轉。

　　圖三 電池管理系統(tǒng)BMS電源方案框圖

　　如圖三所示，儲能系統(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CAN通信模塊、電壓與絕緣檢測電路、電流檢測電路供電，同時實現(xiàn)電源電路與信號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，金升陽公司的CF0505XT-1WR2的汽車級電源被廣泛應用于車載BMS系統(tǒng)中。

　　四、光伏逆變器監(jiān)控單元電源方案

　　太陽能光伏組件進行電能匯聚流，轉向逆變器進行直流轉換成交流。逆變器在工作過程中，同樣需要轉換過程監(jiān)測、控制和通信，以保證逆變電壓滿足指標要求。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換輸出24V，再經過非隔離轉換模塊K7805-500R3輸出5VDC電壓;B0503XT-2WR2給MCU提供滿足功能隔離耐壓的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,保護系統(tǒng)電路免受外部網絡影響;另外，金升陽專門針對逆變全橋的IGBT開發(fā)一款集成有DC-DC電源的隔離驅動器QP12W08S-37，簡化客戶驅動控制電路的設計，提高可靠性。

　　圖四 逆變器監(jiān)控單元電源方案框圖

　　五、光伏并網逆變器監(jiān)控單元電源方案

　　光伏并網逆變器又叫雙向儲能逆變器、逆變一體機，系統(tǒng)由AC-DC單元、DC-DC單元、控制單元、通訊單元、轉移繼電器單元組成。雙向儲能逆變器分為兩種供電設備，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扇的功率，本系統(tǒng)為15KW的設備;AC-DC電源推薦我司的LH40-10B24的產品，24V輸出一部分給風扇供電，另外一部分給主控板供電。主控板推薦金升陽全新升級的R3系列產品，URB2415YMD-10WR3給IGBT的驅動器進行供電，以及URB2405YMD-6WR3給MCU和通信進行供電。

　　URB_YMD-6/10WR3系列產品全自動化的生產工藝，大大降低了人工成本，優(yōu)越的性能大大領先于同行水平，超高的性價比，完全滿足光伏行業(yè)對于整體成本的苛刻要求。

　　六、金升陽系列模塊電源的簡介

　　1.寬壓輸入隔離DC-DC電源

　　產品特點：

　　寬輸入電壓范圍(4:1) 

　　工業(yè)級工作溫度：-40℃ to +85℃

　　隔離電壓:1500VDC

　　輕載效率高達78%、紋波噪聲低至50mV

　　空載功耗：低至0.12W

　　輸入欠壓，輸出過壓、短路、過流保護

　　裸機滿足CISPR22/EN55022 CLASS A

　　通過UL60950、EN60950 和IEC60950 認證

　　2. 定壓輸入隔離DC-DC電源

　　產品特點： 

　　可持續(xù)短路保護

　　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80%

　　3.隔離AC-DC電源系列

　　產品特點： 

　　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、過流、過壓保護

　　通過IEC60950、UL60950、EN60950 認證

　　全塑料外殼，符合UL94V-0

　　七、小結

　　家庭儲能逐步規(guī)模化、普及化，是全球面向未來能源需求的健康合理化發(fā)展趨勢。金升陽積極參與能源技術綠色化發(fā)展，結合自身技術平臺優(yōu)勢和自主創(chuàng)新能力，針對家庭儲能系統(tǒng)提供一整套電源解決方案，簡化家庭儲能系統(tǒng)的電路方案，降低了家庭系統(tǒng)的建設和維護成本，綜合提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可靠性。

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

　　參考文獻：

　　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.