光伏蓄電池電壓監控系統仿真與應用

韓 克， 余劍生， 羅永通，2

(1. 廣東技術師范學院， 廣東 廣州 510655; 2. 廣州特種機電設備檢測研究院， 廣東 廣州 510663)

太陽能光伏發電技術是將光輻射能通過光伏效應直接轉換為電能的發電技術[1]。光伏發電具有資源豐富、分布廣泛、無污染、可再生等優點，是國際社會公認的理想替代能源[2]。我國太陽能光伏發電系統的開發與應用技術已比較成熟，但是隨科學技術的發展，仍有很大的技術創新和發展空間。為了使離網或離并網光伏發電系統具有更好的運行性能，研究光伏電站的光伏蓄電池電壓監控系統具有十分重要的意義[3-4]。

1 系統研發背景

目前，在太陽能光伏發電系統中，還沒有一種較為理想的、功能可視化的、系統匹配可分析的蓄電池電壓監控系統。筆者通過實際應用工程在線分析與研究，采用現代電子仿真技術和現場實驗論證，設計出一種可行的、穩定性好和動態可視化的光伏蓄電池電壓監控系統，用于分析光伏發電系統方案設計的合理性與匹配性能。

(1) 光伏發電系統主要由光伏陣列、逆變器和儲能蓄電池等設備組成。由于光伏陣列的光電轉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的間歇性和隨機性[5]，而且還與蓄電池容量配置方案有關。蓄電池作為光伏發電系統的儲能設備，若沒有指導性的監控策略，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電系統中蓄電池當前的工作狀態、滿足用戶的監控需求。可視化模型包括蓄電池電壓電量百分比、多路光伏陣列或負載控制、過壓/欠壓預警和無線發送等功能顯示。

(3) 在“物聯網+光伏”的背景下，為實現光伏發電系統的信息管理、智能控制和遠程交互等智能融合，滿足用戶、使用單位、維保單位等多方需求，現場監控與遠程終端監控顯得尤為重要。

2 系統總體方案

光伏蓄電池電壓監控系統主要包括電壓數據采集、嵌入式微處理器、LCD顯示屏和網絡通信等功能模塊。

2.1 工程項目指標

光伏電池:每塊光伏電池板輸出功率255 W；開路電壓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；過載保護DC 84～114 V；

免維護鉛酸蓄電池組:(12 V/120 Ah)×8個；

工程裝機容量:光伏陣列功率255 W×12=3.06 kW(≤4 kW)；

負載容量:2 500 W。

2.2 系統總體框架設計

光伏發電系統通常都是由太陽能光伏陣列、直流匯流箱、交流逆變器、蓄電池組和光伏系統控制器、負載等設備所組成。在陽光的輻射下，通過太陽能光伏陣列將太陽能轉換為電能，再經過直流匯流箱，由離網或并網逆變器將直流電轉變成交流電，或者對蓄電池組進行充電并存儲，必要時通過逆變器轉換成交流電供負載使用。

蓄電池電壓監控器由線性衰減器、嵌入式微處理器、LCD液晶顯示器模塊、ZigBee無線傳輸模塊、時鐘電路、節能控制模塊、DC-DC開關電源等組成[6]，系統框圖(虛框)如圖1所示。

圖1 光伏系統蓄電池電壓監控器系統框圖

首先由蓄電池送出的電壓值經線性衰減器后，送入嵌入式微處理器，在其內部由10位A/D轉換電路進行電壓數據采集。微處理器單片機以操作對象為目標，編程實現“繪制動態模型”“瞬間電壓”“百分比電壓”和“過壓、欠壓和次數統計”等參量運算，然后在液晶顯示器(LCD)上進行數字和圖形模型顯示。同時還對液晶顯示器定時刷屏控制，使顯示結果為當天的檢測狀況。另外，微處理器每隔一定時間從串口向無線傳輸模塊發送顯示屏中的數字信息。

2.3 硬件設計

(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，其內部集成了60 KB程序存儲器和256字節的數據存儲器，具有信息處理、電參量顯示、串口輸出數據和外圍電路控制等功能。

(3) 液晶顯示器采用LM4229點陣屏，其像素點為240×128，可實現圖形和漢字的顯示，是進行數字化圖形模型顯示和可視化監控的主要模式。

(4) 用ZigBee無線數據傳輸模塊和數據轉換單元實現網絡通信。采用RS232接口或RS485接口發送數據到局域網或云端服務器；而接收終端只要具備網絡(例如GPRS、WI-FI和以太網)功能就可以通過瀏覽器(電腦、手機)訪問數據庫，實現遠程監控。

(5) DS1302時鐘芯片可以對秒、分鐘、小時、月、星期、年計數，年計數可達到2100年。

(6) VD10-110S05B1[7]開關電源模塊提供光伏監控系統的整機工作電源，其參數為:功率10 W；輸入電壓72～144 V ；輸出電壓+5 V；轉換效率最高88%；長期短路保護、自動恢復;隔離電壓1 500 VAC;輸出過壓保護；低待機功耗；輸出紋波低。

(7) 利用熱釋電傳感器模塊實現節能控制。當人體靠近時，自動點亮液晶顯示器的背光燈，點亮后延時5～20 s(可調)后自動關閉。

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

2.4 監控電壓信息處理與顯示模式

(1) 衰減器對光伏發電系統蓄電池的輸出電壓進行線性衰減后，在微處理器中進行A/D轉換，轉換值以數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能總容量，電量模型顯示以±10%的增量或減量表示當前的儲能總容量。

(3) 根據所設定的蓄電池閾值電壓，實現光伏陣列和電器負載的控制。根據蓄電池規范使用原則接通或斷開光伏陣列，即一個標稱電勢為12 V的正常鉛酸蓄電池(一個單格鉛酸電池的標稱電壓是2.0 V，用6個單格鉛酸電池串聯起來組成標稱是12 V的鉛酸蓄電池)在充電過程的末期，改用小電流給蓄電池繼續充電，此時就稱為浮充電，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，放電的截止電壓是1.8 V×N[8](每個蓄電池1.8 V，N為蓄電池數量，6×1.8=10.8 V)。該系統方案是根據光照強度采取二級模型顯示與驅動電路聯動控制。一是蓄電池閾值電壓為110 V/96 V(單節電池:2.38 V/2.00 V)斷開或接通其中一路光伏陣列；當蓄電池閾值電壓為114 V/110 V斷開或接通其中一路光伏陣列，而保留其他支路通過逆變器輸出的恒定電壓對蓄電池進行浮充，避免蓄電池處于過充而減少蓄電池的使用壽命。二是當蓄電池的充電電壓達到規定的上限值96 V時，通過啟動控制電路對電器負載進行控制；而電壓達到規定的下限值86 V時，斷開控制設備。通過閾值電壓的監控，能夠延長蓄電池的使用壽命和提高光伏發電系統的工作效率。

(4) 當蓄電池電壓小于欠壓閾值時，將自動記錄欠壓次數(加1)；而蓄電池電壓大于過壓閾值時，過壓次數統計也自動加1。將每天記錄的次數統計在顯示器上顯示，并且每天的0∶00自動將顯示器刷屏。通過每天的過壓、欠壓次數的統計，便于對光伏發電系統蓄電池的合理配置給出綜合性的評估。

(5) 光伏系統蓄電池電壓監控設備還連接無線傳輸模塊。蓄電池電壓、過壓和欠壓等數據通過無線傳輸模塊傳輸給用戶終端。用戶終端可以是用戶的移動終端、智能平板、個人計算機等終端設備，實現人機交互的智能監控。

3 軟件設計與流程圖分析

軟件程序設計流程如圖2所示。

(1) 系統初始化:對微處理器和寫液晶顯示器初始化。

(2) 過壓、欠壓、恢復、時間設置:過壓值為114 V，恢復值為110 V；欠壓值為86 V、恢復值為96 V；進行時間校對。

(3) 瞬時電壓檢測:完成A/D轉換和數字電壓值顯示，靈敏度為200 mV。

(4) 根據當前電壓值，顯示蓄電池模型儲存電量的百分比，步進量為10%，共分10檔。

(5) 當蓄電池電壓大于或等于114 V時，顯示屏上HV1和HV2模型切換為“OFF”，對應的控制電路斷開外圍光伏陣列支路；LV模型切換為“ON”，對應的控制電路接通用戶設定的“負載”。UI模型是為用戶預備的自定義“負載”控制功能。

(6) 每秒鐘發送一次瞬時電壓值。如果發生過壓或欠壓(警示燈模型閃爍)，則發送過壓或欠壓值。另外，每秒鐘在液晶顯示器上顯示一次動態“信號發射”的圖形。

(7) 時間測控:系統在每日0∶00定時刷屏。

圖2 程序設計流程圖

4 系統仿真與工程應用

仿真技術具有廣闊的空間與應用領域，仿真技術已被國家中長期發展規劃列為關鍵技術，在工業生產、社會管理等領域發揮著越來越重要的作用[9]。為此，采用Proteus現代電子仿真技術對系統方案進行全面的設計與仿真，其效果完全達到設計要求，并在實際工程中得到應用。

采用Proteus現代虛擬仿真平臺，對硬件與軟件協同仿真，能夠更好地論述系統電路設計原理和程序設計方法。系統功能的設計劃分為多個項目，并且修改硬件電路或調試軟件設計也十分容易。利用Proteus現代虛擬仿真技術縮短了系統開發周期，真正體現了從概念到產品設計的開發平臺[10]。系統設計與仿真如圖3所示。根據蓄電池充滿后(114 V)的換算結果，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是監控器型號、TSC是系統控制器、HV是高(電)壓、LV是低壓、UI是用戶接口、CU是計數單元、CF是復原。

圖3 仿真結果圖

圖4所示為蓄電池電壓監控器在實際工程中的應用。通過近2年的實施，該監控系統使用效果較好。

圖4 光伏蓄電池電壓監控器實際工程圖

(1) 有利于分析監控系統方案的匹配性。根據區域環境、負載量等情況，對于系統組件的合理配置、提高蓄電池容量和蓄電池使用效率、及時維護等具有建設性意義。例如，區域光照度、光伏板功率、逆變器功率和蓄電池儲能容量等光伏組件配置的合理性都能在系統運行過程中分析出來。在該項目方案中， 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、日照時長為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，蓄電池組僅在日光長度的2/3或1/2時間就被充滿，因此必須根據實際情況合理配置蓄電池的容量。

圖5 蓄電池電流監控器實際工程圖

(2) 系統運行穩定、直觀、可視化強。按目前系統裝機容量，在本區域日光長度平均6 h，日光強度(照度)平均85 000 lx，可負載容量為1 200 kW分體式空調1臺、照明功率300 W，在負載連續運行10 h的情況下，則日發電量約15 kW。

5 結語

目前，我國光伏發電系統的使用率還不算高，特別需要加快研發高效率的太陽能光伏電池新材料和蓄電池儲能設備等。本文采用了先進的設計理念，重點對鉛酸蓄電池的使用、維護和光伏系統儲能設備的合理配置提出了較好的分析方法，并且在工程應用中達到了預期的技術指標，符合現場運行需要。隨著應用電子及通信等技術快速發展，尤其是移動終端技術和云平臺技術的普及，將會使未來的光伏發電系統蓄電池電壓監控系統性能和功能變得更加完善。

References)

[1] 嚴陸光，夏訓誠，周鳳起，等.我國大規模可再生能源基地與技術的發展研究[J].電工電能新技術，2007，26(1):13-24，76.

[2] 李春曦，王佳，葉學民，等.我國新能源發展現狀及前景[J].電力科學與工程，2012(4):1-8.

[3] 王坤.嵌入式光伏電站監控系統的設計與實現[D].北京:北京交通大學，2013.

[4] 李建寧，劉其輝，李贏，等.光伏發電關鍵技術的研究與發展綜述[J].電氣應用，2012 (5):70-76.

[5] 湯秀芬.獨立光伏系統的儲能技術研究[J].通信電源技術，2014，31(1):12-14.

[6] 韓克，羅永通，余劍生，等.光伏系統蓄電池電壓監控器:ZL 201620633810.5[P].2017-02-01.

[7] 愛浦電子 [ED/OL].http://www.aipulnion.com/products_detail/productId=68.html.

[8] 李海瑩.閥控式鉛酸蓄電池的維護與監測[J].通信電源技術，2012，29(1):89-92.

[9] 胡立華.陳建華會見“大數據時代仿真技術與國民經濟—2014南方高層論壇”專家嘉賓[EB/OL].(2014-09-15)[2017-07-25].http://www.gzfinance.cn/gzgov/s2342/210409/2753398.shtml.

[10] 韓克，薛迎霄.單片機應用技術:基于C51和Proteus的項目設計與仿真[M].北京:清華大學出版社，2017.