光伏发电并网系统双向电能表的原理及设计

山西大学物理实验中心的研究人员蒙宇、董有尔等，在2014年第5期《测试技术学报》上撰文，太阳能光伏发电作为一种零排放、零污染的可再生能源，已经受到世界各国的关注和青睐。为了满足小型光伏发电系统并网测试记录双向电能的需求，本文基于Cirrus Logic公司的电能计量芯片CS 5463与宏晶科技公司的STC12C5A60S2芯片，完成了并网双向测试电表的设计和性能测量，并对并网过程中相关参数进行了理论分析和计算，达到了实时判别光伏发电和电网供电方向和分别记录各自所供电能的目标，实现了光伏发电并网的计量需要。

随着工业的进步与全球能源结构的变化，人类对能源的要求越来越高，而化石能源却逐渐枯竭，故新型能源的发展已受到世界各国的重视，目前太阳能做为一种绿色环保无污染的新型能源已受到许多国家的青睐。

我国是光伏组件生产及出口大国． 在我国政府政策扶持下，光伏产业得到了支持与发展，同时国家电网发布了《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》等相关意见与规定，使用户可以在发电量充足的情况下将余电并入电网，而当发电量不足时由电网供能。

因此，需要实现双向计量收费，然而市场上并没有可以记录双向电能的并网电能表，且相关并网测试系统也价格昂贵。所以需要一种双向电能表，可分别记录并入电网的电能与从电网消耗的电能，并同时能测量有功功率、功率因数、有效电压、有效电流等参数供用户查看并网运行情况以进行相关研究。

为了对光伏发电应用以及光伏并网进行研究，山西大学近代物理实验室搭建了一套光伏并网系统。如图所示，太阳能电池板将太阳辐射能转换为电能，并通过控制器存储在蓄电池中，在需要时通过并网逆变器将蓄电池中的直流电能逆变为与电网同频同相同幅的交流电能后并入电网。

由于市面上没有可双向计量的电表，故只能用2个单向电能表替代，1个用于记录并网逆变器输出的电能，另1个用于记录用户使用了的电能。但它们并不能实时指示电能的方向，且多一个电能表便增加了损耗与成本。为此，本文根据交流电能测量与电能方向判断的原理设计出一款多功能的双向电能表。
双向电能表测量原理

在用电网络中，由于负载不一定全由电阻构成，故可能呈容性或感性。负载呈感性时电流相位滞后于电压，而在容性电路中电流相位超前于电压相位。理想的电感和电容为储能原件，它们可储存能量而不消耗电能，我们将这部分仅用来交换而没有消耗的电能功率称为无功功率。定义有效电压与有效电流的乘积为视在功率，用户实际消耗的电能称为有功电能。我们日常生活中的电度表所记录的就是有功电能。

双向电能表硬件及软件的设计

本文中设计的双向电表基于CirrusLogic公司的高速精确电能计量芯片CS5463宏晶公司的高速单片机STC12C5A60S2。通过信号采集电路将电流、电压信号转换为CS 5463量程范围内可测的电压信号，通过单片机控制电能计量芯片，并将相关数据显示与输出。

结束语

太阳能发电等小型分布式发电系统在我国已经广泛使用，随着政府政策的支持，已经逐步实行并网。本文所设计的双向电能表不仅可以计量正反向电能，还能测量其他电能参数，利于检测并网状态。

同时通过串口、上位机可以方便的对电能表进行读写操作，在需要的情况下可分段记录电能。也可在串口输出加设蓝牙、GPRS等模块实现远程抄表。