独立光伏发电混合储能创新实验平台的研制

    刘金华 吴佳楠

    

    

    

    摘 ?要 为提高电气信息类学生创新实践能力，研制1 kW的独立光伏发电混合储能创新实验平台。该平台由光伏模拟器及最大功率点跟踪（MPPT）控制器、蓄电池及双向DC/DC变换器、超级电容器及双向DC/DC变换器等组成，控制系统由STM32F407

    开发板和μC/OS-II系统框架下的模块化软件程序组成。详细阐述各个模块的功能和特点，并在光照强度和负载突变情况下，针对直流母线双闭环控制、混合储能系统（HESS）的协调控制算法进行MATLAB仿真分析和实验结果验证，结果表明，光照强度和负载突变情况下直流母线可以维持稳定，实现HESS的优化控制。该实验平台光照强度和遮阴效果可编程，软硬件模块化，能够有效提高学生的实践动手能力。

    关键词 光伏发电系统;混合储能;创新实验平台;MATLAB

    中图分类号：G642.423 ? ?文献标识码：B

    文章编号：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 系統研究背景

    新工科教育和创客教育已成为我国高等教育改革的新理念和新模式，而培养大学生的创新实践能力是其核心目标之一。太阳能发电技术是目前最具有发展前景的新能源技术，光伏电池、各种变流装置及负载组成的小型独立光伏发电系统，是电气工程及其自动化专业学生掌握新能源发电技术的关键切入点。

    独立光伏系统运行时，光线变化较大或者短时接入重载时，会导致系统功率波动，电能质量下降，将对电网运行和调度产生不利影响。储能系统恰好可以解决这类问题。独立光伏系统一般带蓄电池，可以最大限度地利用太阳能，虽然蓄电池能量密度大，但功率密度比较小，动态响应速度比较慢，不适合大电流的充放电，且频繁的充放电会缩短其使用寿命。而超级电容器功率密度大，循环寿命长，充放电速率快，非常适应于大功率充放电和循环充放电的场合，但能量密度相对偏低[1-3]。超级电容器与蓄电池组成混合储能，具有很好的互补性，在电动汽车方面已得到广泛应用，在新能源发电方面也有非常好的应用前景。一些高校也开发了与光伏发电相关的实验装置[4-12]，其中文献[4-11]主要着重于MPPT技术、并网逆变，文献[12]只涉及蓄电池储能。

    本文设计一个独立光伏发电混合储能创新实验平台，硬件采用模块化结构，控制系统基于STM32F407开发板，软件系统基于μC/OS-II系统框架下的分模块设计结构，可以实现多种光伏I-U曲线模拟、光伏列阵的局部遮阴、直流母线双闭环控制、混合储能的协调控制等创新实验，为创新实践教育提供了一个很好的实验平台。

    其中，Kp，Ti，TD分别为比例、积分和微分时间常数;IPWM为母线实际流进逆变器的电流值;τ为LPF低通滤波器时间常数，τ=RC。

    仿真结果分析

    1）蓄电池和超级电容器作为储能装置，光照强度突变波动仿真。在仿真时，直流母线电压基准值设置为48 V，初始的光照强度是800 W/m2，在0.6 s时突增为1000 W/m2，在0.7 s时又突变回800 W/m2。用来模拟光照强度变化时导致的系统波动，负载设置20 Ω且直流母线设置48 V，光照强度突变导致系统波动情况如图5所示。

    在0.6 s之前，光照强度为800 W/m2时，光伏阵列提供的功率小于负载的功率，因为功率差额不大，此时蓄电池既不进行充电，也不进行放电，仅由超级电容器放电就能满足负载功率。在0.6 s时，光照从800 W/m2突然增大为1000 W/m2，光伏阵列的输出功率大于负载功率，并且系统的功率平衡瞬间被打破，超级电容器充电电流快速上升，吸收瞬间系统的多余功率，让蓄电池有足够的时间缓慢进入充电状态，蓄电池充电电流逐渐上升，母线电压稍微上升，系统达到一个新的平衡。在0.7 s后，光照强度突然降为800 W/m2，光伏阵列输出功率再次不足，超级电容器迅速反应，由充电模式变为放电模式，迅速为负载补充光伏缺额的功率，再一次使系统快速进入平衡。

    2）蓄电池和超级电容器作为储能装置，负载突变波动仿真。直流母线电压基准值设置为48 V，初始的负载设置为30 Ω，负载在0.6 s时突增为60 Ω，负载在0.7 s时突降为30 Ω，模拟因为负载突变引起系统的突变，负载突变情况下系统波动情况如图6所示。

    在0.6 s之前，光伏阵列输出的功率不能为负载提供足够的功率，但所需补充的功率不大，超级电容器工作在放电模式，为负载提供缺额功率。负载功率在0.6 s时突降，瞬时光伏阵列输出的功率过多，超级电容器瞬时响应进入充电模式并吸收这剩余的功率，蓄电池缓慢进入充电模式，最后系统进入新的平衡。负载功率在0.7 s时突升，超级电容器瞬间进入放电模式，短时间内对缺额功率进行补充。

    在整个仿真中，直流母线电压虽然出现波动，但基本稳定在48 V左右，光伏发电混合储能系统基本实现母线恒压。在小波动的情况下，超级电容器瞬间提供能量，改善了充放电曲线，使电池与超级电容器的储能协调控制策略得到实现。

    5 实验结果分析

    针对光照突变和负载突变的情形，实验验证协调控制策略的可行性。实验中根据霍尔电流采样的电压值来判断蓄电池和超级电容器处于放电或充电状态。霍尔基准电压为2.5 V，大于2.5 V为充电状态，低于2.5 V为放电状态。

    1）蓄电池和超级电容器均工作时，光照强度突变，由300 W/m2变为500 W/m2再变为300 W/m2，实验波形如图7所示。在光照强度突变期间，蓄电池霍尔电压有0.12 V的波动，超级电容器的霍尔电压出现0.52 V的波动，直流母线电压有6.4 V的波动，波动时间非常短暂，说明光照强度突变时主要是超级电容器进行充放电，直流母线电压维持48.3 V的平均值。

    2）蓄电池和超级电容器工作时，负载由15 Ω變为40 Ω

    再变为15 Ω，实验波形如图8所示。在负载突变期间，蓄电池霍尔电压只有0.08 V的波动，超级电容器的霍尔电压出现0.4 V的波动，直流母线电压有9.6 V的波动，说明负载突变时主要是超级电容器进行充放电，直流母线电压依然维持48.3 V的平均值。

    6 结语

    本文设计的独立光伏发电系统混合储能创新实验平台，光照强度和遮阴效果可编程，采用MATLAB/Simulink作为仿真平台，硬件主电路采用模块化设计，STM32F407开发板和基于μC/OS-II系统框架下的分模块软件设计构成控制系统，能够有效提高学生对光伏发电技术的实践动手能力。同时，仿真和实验结果表明，基于频率协调控制策略可以实现混合储能系统的优化控制，光照强度和负载突变情况下维持直流母线稳定，减少蓄电池的充放电次数，延长其使用寿命。目前，该创新实验平台已参加广东省节能减排社会实践与科技竞赛及广东大学生科技创新培育项目，已取得良好的效果。

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