家庭儲能系統整體電源解決方案

　　摘要

　　隨著智能化、信息化時代的到來，用電需求大大增加。為緩解環境污染、能源消耗等方面的壓力，全球都在尋找綠色的發電方式，寄眾望于光伏發電。在政策扶持和光伏儲能降低發電成本的優勢下，家庭光伏發電儲能系統正逐步步入千家萬戶。針對整個家庭光伏儲能系統，金升陽提供全套系統的電源解決方案，致力于簡化客戶設計，增加系統的可靠性。

　　關鍵字：光伏發電、儲能系統、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”的持續發展，家庭儲能系統，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，家庭儲能系統也因能均衡用電負荷，從而節省家庭電力開支。

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

　　二、家庭儲能系統基本結構及組件要求

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

　　并網家庭儲能系統由五大部分構成，包括：太陽能電池陣列、并網逆變器、BMS管理系統、電池組、交流負載。系統采用光伏與儲能系統混合供電。市電正常時，由光伏并網系統和市電為負載供電;市電斷電時，由儲能系統和光伏并網系統聯合供電。并網家庭儲能系統分為三種工作模式，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 并網家庭儲能系統圖(圖片來自網絡)

　　離網家庭儲能系統是獨立的，和電網沒有任何的電氣連接，因此整個系統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，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BMS單元電源解決方案

　　電池作為系統的核心儲能器件，需要實時監控電池的在線狀態，因此BMS的重要性不言而喻。BMS系統中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、絕緣電阻等系統參數;通過電流傳感器采集充放電電流，動態計算SOC，并通過觸摸屏顯示相關數據。BCU 計算分析得出電池組綜合信息后，進行系統智能管理：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，保障系統穩定高效地運轉。

　　圖三 電池管理系統BMS電源方案框圖

　　如圖三所示，儲能系統的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，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，同時實現電源電路與信號電路及通信模塊隔離，減小干擾、提高穩定性以及可靠性。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系統中。

　　四、光伏逆變器監控單元電源方案

　　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測、控制和通信，以保證逆變電壓滿足指標要求。此部分監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路,保護系統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 逆變器監控單元電源方案框圖

　　五、光伏并網逆變器監控單元電源方案

　　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

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

　　具體產品參數請查閱技術手冊：URB2405YMD-10WR3 ，F0505XT-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.