基于LabVIEW的光伏微網實驗系統設計

孫廣輝，朱正偉

(常州大學微電子與控制工程學院，江蘇常州 213164)

隨著全球能源危機的加劇，世界各國日益重視能源可持續發展戰略的實施，分布式發電技術作為可持續發展戰略核心技術之一，逐漸受世界各國關注。目前，光伏微網系統配備的監控系統大多由微電網研制單位自主研發，普遍存在一些問題，比如開發環境封閉，拓展性和通用性差；不能實現網絡互聯和數據共享；監控數據儲存采用傳統的文本、Excel 和TDMS 等形式，管理查詢不方便等[1]。也有不少廠商生產和提供一些適用性好、功能比較完善的組態軟件產品，但普遍開發成本過高，用戶需要支付不菲的使用授權費用。上述問題對我國工程教育的發展產生較大阻力，為了增強學生工程意識，結合社會需求和人才培養定位，積極構架工程實驗實踐系統，提出一種10 kW 的光伏微網實驗系統設計方案。

1 光伏微網實驗系統結構

光伏微網是指由分布式電源、儲能裝置、可控負荷等裝置按一定運行規則匯集而成的小型發配電系統，具有聯網和孤島兩種運行模式[2]。由于光伏微網在供電方面具有可靠性、安全性、可持續性等方面的優勢，因此受到人們的青睞。為了能夠對光伏微網的運行特性進行深入的理論和實驗研究，故搭建一個小型分布式光伏微網實驗系統。

圖1 所示為光伏微網實驗系統示意圖，主要由太陽電池板、離并網逆變器、蓄電池組、監控系統等部分組成。

圖1 光伏微網實驗系統示意圖

2 主要硬件組件

2.1 離并網逆變器

在實際應用中，光伏發電功率輸出受到電池板的溫度和接收的光照強度等環境因素影響，為了確保光伏發電系統工作在最大功率點，選擇帶有最大功率跟蹤控制(MPPT)功能的逆變器[3]。依據實驗系統容量及用電量情況，系統選用2 臺5 kW 單相雙向儲能固德威逆變器完成離并網逆變控制,具體逆變器參數如表1 所示。

表1 逆變器主要參數

固德威逆變器可在室內或室外應用，控制多路太陽電池方陣對蓄電池進行充電及自動控制蓄電池對負載供電，可將太陽電池板產生的直流電合理分配，完成蓄電池模塊充電、負載供電及電網供電。在負荷低谷時將光伏發電系統輸出的電能進行儲存，在負荷高峰時釋放蓄電池儲存的電能，減少對電網的負荷壓力；在電網故障時，可提供220 V 交流源供給重要負載，實現離網后備供電的功能。在不同的時間段，逆變器的工作模式是不同的，早上光伏發電主要用于微網自身的能量消耗，若有多余能量則對電池充電；午間，光照強烈，在電池滿充狀態下，除了滿足微網的能量消耗，多余的光伏能量則饋入電網，賺取一定的收益；夜間，微網的能量主要由電池提供，當電池能量無法滿足微網運行時，則由電網直接向微網供電。

2.2 太陽電池板

太陽電池板主要作用是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應直接轉換成直流電，作為能量采集主要組件之一，其選擇對整個實驗平臺至關重要。目前市場上的太陽電池板種類繁多，具體種類及優缺點比較如表2 所示[4]。考慮目前市場占有率、轉換效率及優缺點，最后選用弱光發電突出、采用先進的電池正面絨、空間利用率高的茂迪多晶硅太陽電池板，具體相關參數如表3 所示。

表2 不同太陽電池性能對比

表3 電池板技術參數

依據逆變器功率參數、最大輸入電壓、最大輸入電流及路數，太陽電池板分為兩方陣，每組完成5 kW 容量設計。根據逆變器功率設計容量估算每方陣需要光伏板數量為5 000÷270≈20，考慮到逆變器光伏最大輸入電壓和最大輸入電流，最大串聯電池板數量為580/31.69≈18，實驗系統采用10 串聯為一組，兩組為一方陣與逆變器連接。

為了實驗實踐地址相對集中，光伏微網實驗系統安裝在實驗室樓頂。為保證10 kW 的光伏組件穩固、增加組件抗風、防雨特性及樓頂防水，采用膨脹螺栓固定樓面形式將安裝基礎設計在混凝土屋頂結構中。

2.3 蓄電池

儲能單元不但要保證光伏微網離網時，平滑光伏發電和負載的功率波動及提高系統穩定性，同時滿足重要負載在合理時間內不斷工作要求。實驗平臺設計交流總負載的容量為10 kW，其中重要交負載占比為25%。為了保證光伏微網緊急情況下，重要交流負載不間斷工作2 h，為降低蓄電池過放率、電池高充放電倍率導致電池容量減小的影響，電池儲存能量計算時適當放些余量，采用剩余電量的50%估算，從而蓄電池需要的總存儲電量為10×25%×2÷50%=10 kW[5-6]。

實驗平臺中雙向儲能逆變器電池輸入參數中電池額定電壓為48 V，同時綜合考慮電池購置成本、環保性能、維護成本及循環次數等因素，實驗平臺采用AGM 型蓄電池，具體電池主要參數見表4。AGM 蓄電池具有免維護、內阻小、大電流放電性能好、適應溫度廣、自放電小、使用方便、可循環使用也可浮充使用、環保無污染等特點。蓄電池端電壓為12 V、蓄電池容量為105 Ah，則需要1 000÷12÷105≈8，逆變器電池輸入電壓為48 V，8 塊電池采用四個串聯組成一組，然后連接到逆變器。

表4 AGM 蓄電池主要參數

2.4 主要接線說明

由上述設計參數可知，本平臺的系統配置為：光伏組件一共40 塊，20 塊組成一個方陣，每個方陣中10 塊串聯為一組與逆變器-光伏端口相連接；蓄電池共8 塊，4 個串聯為一組與逆變器電池端口連接；逆變器直接給蓄電池組充電，也可給設備供電或向電網輸電。具體連接示意圖如圖2 所示。

圖2 逆變器接線示意圖

為了便于不同實驗狀態的應用，系統增加工作模式切換開關和控制柜。工作模式的切換由兩個雙電源自動轉換開關控制，切換模塊可自動或手動調節；一般處于自動接通市電狀態，若突然停電可自動切換到離網電源端；若處于手動狀態，需手動切換電源，切忌處于自動狀態時手動操作。控制柜實現對兩個逆變器輸出電能的控制，其接線圖分別如圖3 所示。當市電總開斷開，則系統只能工作于微網模式；若其接通，離網輸出空開斷開則只能工作于并網模式；若離網輸出空開接通，則系統可工作于自動狀態。實驗系統硬件整體圖如圖4 所示。

圖3 控制柜內部接線圖

圖4 實驗系統硬件整體圖

3 上位機軟件設計

LabVIEW 是一種采用圖形化編程語言，具有良好的兼容性、擴展性和豐富的數據庫和函數包的軟件開發環境。LabVIEW 程序采用數據流驅動，對編程能力要求相對較低，深受初級編程人員青睞，同時可以直接與真實的物理設備相連獲取數據并進行分析。軟件大大提高了系統工作效率，被廣泛應用于工業控制、學術研究、實踐教學等領域。

實驗系統結構功能圖如圖5 所示，主要由登錄模塊、系統配置模塊、數據采集存儲模塊和數據查詢模塊組成。

圖5 軟件系統設計結構功能圖

為了保證實驗系統硬件設備安全運行，登錄模塊中增設用戶權限管理單元，對不同用戶設置不同權限等級，滿足不同層次實驗對設備的控制范圍。由于系統中RS485 設備較多，為避免沖突采用“一主多從”模式，同時數據采集模塊采用Modbus TCP 通信協議提升Modbus 請求與響應的效率，通過LabVIEW 的數據通訊選項中的Modbus Master 模塊完成設備運行狀態的監控。實驗系統應用SQL Server 存儲系統數據，通過LabVIEW 中的“Create Date Link”選項，完成與數據庫的連接并自動生成ActiveX 數據對象(ADO)訪問數據庫的UDL 格式文件，然后借助LabVIEW 中Database 模塊實現實驗系統與SQL Server 數據庫的連接、管理和存儲光伏微網歷史數據。

LabVIEW 可以通過自帶組件完成C++、Java、MATLAB等軟件混合編程，便于實驗教學設計。如LabVIEW 可以通過Matlabscript 組件實現與MATLAB 混合編程，將MATLAB 程序在算法運算上的優勢充分融合到實驗系統中[7]。實驗系統既可以完成簡單的電氣入門實驗，也可以進行大型設計型實驗，同時還能滿足研究型實驗內容。光伏微網實驗系統改變了傳統的實驗教學模式中脫離實際實驗設備運行數據、弱化實驗工程性的缺點，讓學生基于真實工程環境自主探索、創新，同時克服了傳統強電實驗中存在的設備損壞和危害人身安全等隱患。

4 結論

為了滿足工程教育培養需求，克服現在光伏微網系統缺點，積極構建10 kW 光伏微網系統，詳細介紹了系統主要組成組件的選擇依據和線路連接；同時為滿足不同層級實驗教學需求和簡化實驗系統數據管理，上位機中增加用戶權限管理單元和采用ActiveX 數據對象(ADO)完成上位機與數據庫連接。實踐表明，光伏微網實驗系統使理論和實際緊密結合，具有較強的工程性、復雜性和科學前沿性，對學生的創新實踐能力的提升和高層次工程人才培養有著積極的作用，為光伏微網研究提供可靠的數據支持，有較大的推廣和實用價值。