基于LabVIEW軟件數據采集的光儲能量管理系統研究

孫富榮,倪 鵬

(國網乳山市供電公司,山東 乳山 264500)

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基于LabVIEW軟件數據采集的光儲能量管理系統研究

孫富榮,倪 鵬

(國網乳山市供電公司,山東 乳山 264500)

為有效可靠地使用太陽能,避免光伏發電系統并網給電網帶來電能質量與安全穩定的影響,筆者提出了一種通過LabVIEW軟件進行能量管理的方法。該方法利用LabVIEW軟件在數據采集方面的優越性和NI在軟件和硬件集成應用方面的便利,對儲能電池的充放電電流、直流母線電壓等參數進行實時監控。根據光伏電池發電量以及儲能電池的剩余容量,給出了能量管理系統的五種工作模式,以確保系統的快速響應以及高效運行,并通過搭建的實驗平臺驗證了該方法有效性。

光伏發電;儲能電池;NI;LabVIEW軟件;能量管理

隨著光伏發電、風力發電等可再生能源發電裝機容量的不斷增加,其輸出功率波動對傳統的電網電能質量與安全穩定的影響越來越受到重視[1]。光伏發電系統按是否與大電網相連接,分為離網運行和并網運行兩種模式。由于太陽能電池的輸出功率受光照強度和環境溫度等因素的影響變化很大,并且光伏發電不能儲存,因此當系統處于離網運行時需要加入儲能設備對電能進行儲存和調節[2-4]。盡管儲能裝置在一定程度上能起到抑制可再生能源輸出功率波動的作用[5-6],但對于儲能裝置的實時監控設備以及維護設備相對匱乏。因此完善儲能裝置的監控與維護,對提高能量管理系統的可靠性運行以及快速響應性有著重要的現實意義。文獻[1-2]提出了能量管理的核心是根據光伏電池和蓄電池的工作狀態,控制單向變換器和雙向變換器工作在合適的模式,從而使光伏電池和蓄電池協調工作,確保供電系統高效穩定運行以及快速的動態響應。文獻[3]提出了一種基于平滑控制的超級電容與電池混合儲能系統的能量管理方法,實現能量管理系統的高效運行。文獻[4-6]給出了車載鋰電池狀態檢測系統的軟硬件,并在該系統上以不同的放電倍率對鋰電池進行了研究。文獻[7]針對獨立光伏系統的特性,在LabVIEW軟件環境下應用NI公司的Fieldpoint系列I/O模塊和網絡模塊構建了檢測系統,實現了對獨立光伏系統進行在線檢測和維護。

基于上述所言,為了更有效、可靠地使用光伏發電系統,本文對光伏能量管理系統做了深入研究,即在已有的獨立光伏發電實驗平臺中加入了由鋰電池構成的儲能裝置,通過單向DC/DC和雙向DC/DC變換器實現光伏與儲能的能量流動,并在此工作模式基礎上,搭建了能量管理系統平臺。將LabVIEW軟件軟件和NI的數據采集卡進行結合,通過LabVIEW軟件編程,實現對所搭建的系統平臺進行控制以及對電池電量、直流母線電壓和輸出負載電壓等參數進行實時監控與測量,以達到提高系統的可靠運行和快速響應的目的。

1 光儲能量管理系統

1.1 獨立光伏發電系統

獨立分布式光伏發電系統如圖1所示,其中,光伏電池由光伏電源代替,能夠對實際的天氣、溫度等參數按照一定曲線進行模擬,其輸出電壓范圍:40～48 V;單向DC/DC變換器選用Boost電路,一方面能夠提高光伏電池的直流輸出電壓(本實驗系統中為:284～300 V DC),另一方面在一定程度上可以得到穩定的直流母線電壓,直接帶直流負載;雙向DC/DC變換器可對高壓側和低壓側電壓進行雙向流動,其高壓側與單向DC/DC輸出母線并聯,低壓側與鋰電池組串聯;鋰電池組由16塊鋰電池單體構成,輸出額定電壓49.6 V,電壓上限為54 V。

該系統具有以下特點:

1) 鋰電池具有長循環壽命、能量密度大、自放電率低、安全性等特點[7-8],因此該系統選用鋰電池代替傳統的蓄電池,減小電池組體積,提高了實驗效率。

2) 鋰電池組通過雙向變換器進行充放電,控制簡單,系統結構簡單,系統體積小。此外,鋰電池組與主電路通過雙向變換器連接,在一定程度上可對鋰電池進行保護。

3) 系統通過切換兩個變換器的工作模式,實現系統在多個狀態下運行。

4) 由于NI設備的引入,可提高系統的安全性,在檢測上更加精確快速,在系統運行時,能方便的對電路中運行參數波形進行實時觀測,有利于系統的長期穩定運行。

1.2 系統的工作模式

當獨立光伏發電系統正常工作時,單向DC/DC工作在MPPT模式,實現了最大功率輸出。雙向DC/DC工作在Boost模式下,鋰電池組通過雙向變換器可為直流母線提供穩定電壓。因而結合實際的光照、溫度、儲能系統的荷電狀態等因素對光伏發電的影響,本文提出以下5種系統工作模式。

模式Ⅰ:當光伏輸出功率PPV≥負載功率Po且電池電壓UB≤UB-max時,此時光伏為負載供電,單向DC/DC工作在恒壓模式,雙向DC/DC工作在Buck模式向鋰電池充電,其中UB-max=52 V,為鋰電池的過充電壓。

模式Ⅱ:當光伏輸出功率PPV≥負載功率Po且電池電壓UB≥UB-max時,單向DC/DC工作在恒壓模式,雙向變換器關機。

模式Ⅲ:當PPV

模式Ⅳ:當PPV

模式Ⅴ:當PPV

2 系統數據采集及控制

2.1 系統軟件的實現

在長時間運行下,鋰電池組單體電壓會出現過低的情況,當某個單體電池出現長時間電壓過低,會使該單體電池成為“落后電池”,該“落后電池”的荷電狀態會嚴重減弱,壽命大大縮短,并且會影響整個電池組的正常工作,造成惡性循環[7-8]。而LabVIEW軟件開發速度快,維護簡單,加之與其配套的NI產品,采用無縫連接,大大提高了分布式光伏系統異常檢測效率[9-10]。因此,在實驗系統中,使用LabVIEW軟件在數據采集方面的快速性和精確性,可明顯降低“落后電池”出現的概率,提高系統的準確性,延長儲能系統的使用壽命。此外,利用LabVIEW軟件優勢,本實驗中完成了在數據采集以及輸出控制信號方面的人機交互界面,用戶可以方便觀測系統中數據和波形的變化。儲能系統的控制結構示意圖如圖2所示。

2.2 系統控制部分的實現

該系統采用NI公司的產品NI-PCI-6251數據采集卡[11]。NI-PCI作為16位高速板卡可實現對大容量數據的傳輸。該實驗系統采用其自帶的16路(1.25 MS/s)模擬量輸入通道,實現對各單體電池電壓的檢測以及對主電路中的直流母線電壓、電流進行實時監控;24路(2.8 MS/s)數字輸出通道,實現對多個繼電器的控制,到達控制電路與主電路的電氣隔離以及對電路通斷和系統工作模式切換的目的。依據本文對該系統制定的工作模式,在本實驗平臺控制策略的具體實施，如下所述:

1) 單向DC/DC變換器與雙向DC/DC變換器的開機、關機狀態由連接變換器的接觸器進行控

制,對于驅動電路與主電路的電氣隔離與控制,由繼電器來實現。

2) 在LabVIEW軟件的控制面板中,通過比較環節構成閉環控制結構,如對Boost電路的輸出直流電壓進行采樣(采樣頻率1000 Hz),作為實際參考量,用戶可在人機交互界面對該電壓值的上限值進行定義,作為比較量。

3) 比較器的輸出信號放入數組,作為單向、雙向DC/DC變換器的開關量。通過FOR循環結構等待繼電器驅動信號。

4) 該系統中還設有手動切除和接入操作,用于驅動電路和主電路的調試。

該系統的控制結構如圖3所示。

3 實驗結果及分析

為了驗證本文提出的系統能量管理控制策略的有效性,在各工作模式正常運行時,瞬間增大負載,對負載電流io、電池電流iB進行了實時監控。

1) 工作模式Ⅰ,瞬間增大負載,負載電流io、電池電流iB波形如圖4所示，UB≤UB-min,電池不充電也不放電,光伏為負載提供能量;UB-min

2) 工作模式Ⅱ,UB≥UB-max電池不充電,iB=0,io波形如圖4(a)所示。

3) 工作模式Ⅲ,UB≤UB-min時,此時光伏能量不足，電池不能放電,切除負載且io、iB都為零。

4) 工作模式Ⅳ,UB-min

5)工作模式Ⅴ,UB≥UB-max,光伏的能量小于負載需要的能量,電池放電,波形與圖5相同。

圖3 LabVIEW軟件系統控制圖

圖4 工作模式Ⅰ波形

圖5 工作模式Ⅳ波形

4 結 語

本文提出了將LabVIEW軟件和NI軟硬件結合的方式應用到分布式光伏發電的能量管理系統中,其核心是通過NI-PCI的雙向I/O口將板卡采集到的數據進行分析,并通過所提出的控制策略做出相應動作,對光伏發電系統的離網運行以及儲能系統的充放電進行控制,從而實現系統能量管理;通過應用NI控制器的高精度性以及LabVIEW軟件的數據流程序,對鋰電池組進行實時監測,以提高安全性和快速響應。最后,通過現有的硬件系統對該方法進行了驗證,其結果表明,該方法有效可行。

[1] 張野, 郭力, 賈宏杰, 等. 基于平滑控制的混合儲能系統能量管理方法[J]. 電力系統自動化, 2012, 36(16): 36-41. ZHANG Ye, GUO Li, JIA Hongjie, et al. An energy management method of hybrid energy storage system based on smoothing control [J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(16): 36-41.

[2] 黃磊磊, 張建成, 楊珺, 等. 光伏儲能系統電池能量管理研究[J]. 電力科學與工程, 2012, 28(8): 7-12. HUANG Leilei, ZHANG Jiancheng, YANG Jun, et al. Study on the batteries energy management in photovoltaic energy storage system[J]. Electric Power Science and Engineering, 2012, 28(8): 7-12.

[3] 廖志凌, 阮新波. 獨立光伏發電系統能量管理控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2009, 29(21): 46-52. LIAO Zhiling, YUAN Xinbo. Energy management control strategy for stand-alone photovoltaic power system[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(21): 46-52.

[4] DUONG TRAN, ASHWIN M. KHAMBADKONE. Energy management for lifetime extension of energy storage system in micro-grid applications[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2013, 4(3): 1289-1296.

[5] 余章平, 谷剛, 張維威. 基于LabVIEW軟件的獨立光伏檢測系統[J]. 微計算機信息, 2008, 24(4): 138-140. YU Zhangping, GU Gang, ZHANG Weiwei. The stand-alone photovoltaic supervision system based on LabVIEW[J]. Microcomputer Information, 2008, 24(4): 138-140.

[6] 劉建濤, 張建成, 王珂, 等. 獨立光伏發電混合儲能系統容量優化研究[J]. 電網與清潔能源, 2012, 28(3): 85-90. LIU Jiantao, ZHANG Jiancheng, WANG Ke, et al. Capacity optimization of hybrid energy storage system in independent PV system[J]. Power System and Clean Energy, 2012, 28(3):85-90.

[7] 靳文濤, 馬會萌, 李建林, 等. 電池儲能系統平抑光伏功率波動控制方法研究[J]. 現代電力, 2013, 30(6): 21-26. JIN Wentao, MA Huimeng, LI Jianlin, et al. Research on control method of photovoltaic power fluctuation stabilized by battery energy storage system[J]. Modern Electric Power, 2013, 30(6): 21-26.

[8] 陳卓武, 陳鳴. 基于LabVIEW軟件的光伏組件IV曲線測量系統設計[J]. 華東電力, 2010, 38(6): 907-909. CHEN Zhuowu, CHEN Ming. Design of measuring system for IV characteristic curve of photovoltaic modules based on LabVIEW[J]. East China Electric Power, 2010, 38(6): 907-909.

[9] 黃耀波, 唐海定, 章歡, 等. 基于遺傳神經網絡的電動汽車鋰電池SOC預測[J]. 機電工程, 2013, 30(10): 1255-1258. HUANG Yaobo, TANG Haiding, ZHANG Huan, et al. Prediction of lithium-ion battery SOC in EV based on genetic neural network[J]. Mechanical & Electrical Engineering Magazine, 2013, 30(10): 1255-1258.

[10] CHELLADURAI SINKARAM, KAUSILLYAA RAJAKUMAR, VIJANTH ASIRVADAM. Modeling battery management system using the lithium-Ion battery[J]. IEEE International Conference on Control System. 2012, 23(25): 50-55.

[11] 韓雄, 韓肖清, 朱旋, 等. 基于PXI和LabVIEW軟件的光伏電池模擬器的設計[J]. 華東電力, 2012, 40(5): 882-884. HAN Xiong, HAN Xiaoqing, ZHU Xuan, et al. Design of photovoltaic battery simulator based on PXI and LabVIEW[J]. East China Electric Power, 2012, 40(5): 882-884.

(責任編輯 郭金光)

Research on photovoltaic energy storage system based on LabVIEW and data acquisition

SUN Furong, NI Peng

(State Grid Rushan Power Supply Company, Rushan 264500, China)

In order to effectively and reliably adopt solar energy and to avoid the influence of paralleled-in photovoltaic power system on the security and stability of grid power quality, the author proposed a method of energy management by means of LabVIEW. It is a method which realizes real-time surveillance and control of such parameters as charge-discharge current and DC line voltage based on its advantages on data collection and convenience of hardware integration application, and worked out five operating modes on the basis of generating capacity of photovoltaic cell and surplus capacity of energy storage battery, which insure quick response and high-efficiency operation of the system. Through the experimental platform, the effectiveness of the proposed energy management method is verifie.

photovoltaic power generation; energy storage battery; NI; LabVIEW; energy management

2015-11-15。

孫富榮(1978—),男,助理工程師,研究方向為電網運維檢修、配電網規劃。

TM615

A

2095-6843(2016)02-0131-04