獨(dú)立光伏發(fā)電混合儲(chǔ)能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制

劉金華 吳佳楠

摘 ?要 為提高電氣信息類(lèi)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，研制1 kW的獨(dú)立光伏發(fā)電混合儲(chǔ)能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)由光伏模擬器及最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制器、蓄電池及雙向DC/DC變換器、超級(jí)電容器及雙向DC/DC變換器等組成，控制系統(tǒng)由STM32F407

開(kāi)發(fā)板和μC/OS-II系統(tǒng)框架下的模塊化軟件程序組成。詳細(xì)闡述各個(gè)模塊的功能和特點(diǎn)，并在光照強(qiáng)度和負(fù)載突變情況下，針對(duì)直流母線雙閉環(huán)控制、混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（HESS）的協(xié)調(diào)控制算法進(jìn)行MATLAB仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，結(jié)果表明，光照強(qiáng)度和負(fù)載突變情況下直流母線可以維持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)HESS的優(yōu)化控制。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)光照強(qiáng)度和遮陰效果可編程，軟硬件模塊化，能夠有效提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞 光伏發(fā)電系統(tǒng);混合儲(chǔ)能;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái);MATLAB

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）12-0023-05

Study on Innovation Experiment Platform of Hybrid Energy Storage in Stand-Alone PV Power Generation//LIU Jinhua， WU Jianan， YU Yi， DAI Haihang， LUO Wenzhi

Abstract In order to improve the electrical and information students

practical ability， a 1 kW experimental platform of hybrid energy sto-

rage system（HESS） in stand-alone PV power generation is developed.

The platform consists of photovoltaic simulator， maximum power point tracking （MPPT） controller， battery and bidirectional DC / DC converters， super capacitors and bidirectional DC/DC converters， etc. The control system consists of the ARM STM32F407 and the

modular software program under the framework of μC/OS-II system.

The functions and characteristics of each part are described in detail. Under the condition of sudden change of light intensity and load， the

coordinated control algorithm of DC busbar double closed loop con-trol and HESS is simulated by MATLAB /Simulink and verified by

experimental results. The results show that the DC bus can be kept stable under the condition of light intensity and load mutation， and the optimal control of HESS is realized. The light intensity and sha-ding effect of the experimental platform are programmable， and the

software and hardware are modularized， which can effectively improve the students practical ability.

Key words PV power generation system; hybrid energy storage; innovation experiment platform; MATLAB

1 系統(tǒng)研究背景

新工科教育和創(chuàng)客教育已成為我國(guó)高等教育改革的新理念和新模式，而培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力是其核心目標(biāo)之一。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)是目前最具有發(fā)展前景的新能源技術(shù)，光伏電池、各種變流裝置及負(fù)載組成的小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，是電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生掌握新能源發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵切入點(diǎn)。

獨(dú)立光伏系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，光線變化較大或者短時(shí)接入重載時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率波動(dòng)，電能質(zhì)量下降，將對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和調(diào)度產(chǎn)生不利影響。儲(chǔ)能系統(tǒng)恰好可以解決這類(lèi)問(wèn)題。獨(dú)立光伏系統(tǒng)一般帶蓄電池，可以最大限度地利用太陽(yáng)能，雖然蓄電池能量密度大，但功率密度比較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比較慢，不適合大電流的充放電，且頻繁的充放電會(huì)縮短其使用壽命。而超級(jí)電容器功率密度大，循環(huán)壽命長(zhǎng)，充放電速率快，非常適應(yīng)于大功率充放電和循環(huán)充放電的場(chǎng)合，但能量密度相對(duì)偏低[1-3]。超級(jí)電容器與蓄電池組成混合儲(chǔ)能，具有很好的互補(bǔ)性，在電動(dòng)汽車(chē)方面已得到廣泛應(yīng)用，在新能源發(fā)電方面也有非常好的應(yīng)用前景。一些高校也開(kāi)發(fā)了與光伏發(fā)電相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置[4-12]，其中文獻(xiàn)[4-11]主要著重于MPPT技術(shù)、并網(wǎng)逆變，文獻(xiàn)[12]只涉及蓄電池儲(chǔ)能。

本文設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立光伏發(fā)電混合儲(chǔ)能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)基于STM32F407開(kāi)發(fā)板，軟件系統(tǒng)基于μC/OS-II系統(tǒng)框架下的分模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多種光伏I-U曲線模擬、光伏列陣的局部遮陰、直流母線雙閉環(huán)控制、混合儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制等創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，為創(chuàng)新實(shí)踐教育提供了一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

其中，Kp，Ti，TD分別為比例、積分和微分時(shí)間常數(shù);IPWM為母線實(shí)際流進(jìn)逆變器的電流值;τ為L(zhǎng)PF低通濾波器時(shí)間常數(shù)，τ=RC。

仿真結(jié)果分析

1）蓄電池和超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能裝置，光照強(qiáng)度突變波動(dòng)仿真。在仿真時(shí)，直流母線電壓基準(zhǔn)值設(shè)置為48 V，初始的光照強(qiáng)度是800 W/m2，在0.6 s時(shí)突增為1000 W/m2，在0.7 s時(shí)又突變回800 W/m2。用來(lái)模擬光照強(qiáng)度變化時(shí)導(dǎo)致的系統(tǒng)波動(dòng)，負(fù)載設(shè)置20 Ω且直流母線設(shè)置48 V，光照強(qiáng)度突變導(dǎo)致系統(tǒng)波動(dòng)情況如圖5所示。

在0.6 s之前，光照強(qiáng)度為800 W/m2時(shí)，光伏陣列提供的功率小于負(fù)載的功率，因?yàn)楣β什铑~不大，此時(shí)蓄電池既不進(jìn)行充電，也不進(jìn)行放電，僅由超級(jí)電容器放電就能滿(mǎn)足負(fù)載功率。在0.6 s時(shí)，光照從800 W/m2突然增大為1000 W/m2，光伏陣列的輸出功率大于負(fù)載功率，并且系統(tǒng)的功率平衡瞬間被打破，超級(jí)電容器充電電流快速上升，吸收瞬間系統(tǒng)的多余功率，讓蓄電池有足夠的時(shí)間緩慢進(jìn)入充電狀態(tài)，蓄電池充電電流逐漸上升，母線電壓稍微上升，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)新的平衡。在0.7 s后，光照強(qiáng)度突然降為800 W/m2，光伏陣列輸出功率再次不足，超級(jí)電容器迅速反應(yīng)，由充電模式變?yōu)榉烹娔Ｊ剑杆贋樨?fù)載補(bǔ)充光伏缺額的功率，再一次使系統(tǒng)快速進(jìn)入平衡。

2）蓄電池和超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能裝置，負(fù)載突變波動(dòng)仿真。直流母線電壓基準(zhǔn)值設(shè)置為48 V，初始的負(fù)載設(shè)置為30 Ω，負(fù)載在0.6 s時(shí)突增為60 Ω，負(fù)載在0.7 s時(shí)突降為30 Ω，模擬因?yàn)樨?fù)載突變引起系統(tǒng)的突變，負(fù)載突變情況下系統(tǒng)波動(dòng)情況如圖6所示。

在0.6 s之前，光伏陣列輸出的功率不能為負(fù)載提供足夠的功率，但所需補(bǔ)充的功率不大，超級(jí)電容器工作在放電模式，為負(fù)載提供缺額功率。負(fù)載功率在0.6 s時(shí)突降，瞬時(shí)光伏陣列輸出的功率過(guò)多，超級(jí)電容器瞬時(shí)響應(yīng)進(jìn)入充電模式并吸收這剩余的功率，蓄電池緩慢進(jìn)入充電模式，最后系統(tǒng)進(jìn)入新的平衡。負(fù)載功率在0.7 s時(shí)突升，超級(jí)電容器瞬間進(jìn)入放電模式，短時(shí)間內(nèi)對(duì)缺額功率進(jìn)行補(bǔ)充。

在整個(gè)仿真中，直流母線電壓雖然出現(xiàn)波動(dòng)，但基本穩(wěn)定在48 V左右，光伏發(fā)電混合儲(chǔ)能系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)母線恒壓。在小波動(dòng)的情況下，超級(jí)電容器瞬間提供能量，改善了充放電曲線，使電池與超級(jí)電容器的儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略得到實(shí)現(xiàn)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)光照突變和負(fù)載突變的情形，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證協(xié)調(diào)控制策略的可行性。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)霍爾電流采樣的電壓值來(lái)判斷蓄電池和超級(jí)電容器處于放電或充電狀態(tài)。霍爾基準(zhǔn)電壓為2.5 V，大于2.5 V為充電狀態(tài)，低于2.5 V為放電狀態(tài)。

1）蓄電池和超級(jí)電容器均工作時(shí)，光照強(qiáng)度突變，由300 W/m2變?yōu)?00 W/m2再變?yōu)?00 W/m2，實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。在光照強(qiáng)度突變期間，蓄電池霍爾電壓有0.12 V的波動(dòng)，超級(jí)電容器的霍爾電壓出現(xiàn)0.52 V的波動(dòng)，直流母線電壓有6.4 V的波動(dòng)，波動(dòng)時(shí)間非常短暫，說(shuō)明光照強(qiáng)度突變時(shí)主要是超級(jí)電容器進(jìn)行充放電，直流母線電壓維持48.3 V的平均值。

2）蓄電池和超級(jí)電容器工作時(shí)，負(fù)載由15 Ω變?yōu)?0 Ω

再變?yōu)?5 Ω，實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。在負(fù)載突變期間，蓄電池霍爾電壓只有0.08 V的波動(dòng)，超級(jí)電容器的霍爾電壓出現(xiàn)0.4 V的波動(dòng)，直流母線電壓有9.6 V的波動(dòng)，說(shuō)明負(fù)載突變時(shí)主要是超級(jí)電容器進(jìn)行充放電，直流母線電壓依然維持48.3 V的平均值。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)混合儲(chǔ)能創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，光照強(qiáng)度和遮陰效果可編程，采用MATLAB/Simulink作為仿真平臺(tái)，硬件主電路采用模塊化設(shè)計(jì)，STM32F407開(kāi)發(fā)板和基于μC/OS-II系統(tǒng)框架下的分模塊軟件設(shè)計(jì)構(gòu)成控制系統(tǒng)，能夠有效提高學(xué)生對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的實(shí)踐動(dòng)手能力。同時(shí)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于頻率協(xié)調(diào)控制策略可以實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化控制，光照強(qiáng)度和負(fù)載突變情況下維持直流母線穩(wěn)定，減少蓄電池的充放電次數(shù)，延長(zhǎng)其使用壽命。目前，該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已參加廣東省節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽及廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育項(xiàng)目，已取得良好的效果。

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