獨立光伏發電混合儲能創新實驗平臺的研制

劉金華 吳佳楠

摘 ?要 為提高電氣信息類學生創新實踐能力，研制1 kW的獨立光伏發電混合儲能創新實驗平臺。該平臺由光伏模擬器及最大功率點跟蹤（MPPT）控制器、蓄電池及雙向DC/DC變換器、超級電容器及雙向DC/DC變換器等組成，控制系統由STM32F407

開發板和μC/OS-II系統框架下的模塊化軟件程序組成。詳細闡述各個模塊的功能和特點，并在光照強度和負載突變情況下，針對直流母線雙閉環控制、混合儲能系統（HESS）的協調控制算法進行MATLAB仿真分析和實驗結果驗證，結果表明，光照強度和負載突變情況下直流母線可以維持穩定，實現HESS的優化控制。該實驗平臺光照強度和遮陰效果可編程，軟硬件模塊化，能夠有效提高學生的實踐動手能力。

關鍵詞 光伏發電系統;混合儲能;創新實驗平臺;MATLAB

中圖分類號：G642.423 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：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

新工科教育和創客教育已成為我國高等教育改革的新理念和新模式，而培養大學生的創新實踐能力是其核心目標之一。太陽能發電技術是目前最具有發展前景的新能源技術，光伏電池、各種變流裝置及負載組成的小型獨立光伏發電系統，是電氣工程及其自動化專業學生掌握新能源發電技術的關鍵切入點。

獨立光伏系統運行時，光線變化較大或者短時接入重載時，會導致系統功率波動，電能質量下降，將對電網運行和調度產生不利影響。儲能系統恰好可以解決這類問題。獨立光伏系統一般帶蓄電池，可以最大限度地利用太陽能，雖然蓄電池能量密度大，但功率密度比較小，動態響應速度比較慢，不適合大電流的充放電，且頻繁的充放電會縮短其使用壽命。而超級電容器功率密度大，循環壽命長，充放電速率快，非常適應于大功率充放電和循環充放電的場合，但能量密度相對偏低[1-3]。超級電容器與蓄電池組成混合儲能，具有很好的互補性，在電動汽車方面已得到廣泛應用，在新能源發電方面也有非常好的應用前景。一些高校也開發了與光伏發電相關的實驗裝置[4-12]，其中文獻[4-11]主要著重于MPPT技術、并網逆變，文獻[12]只涉及蓄電池儲能。

本文設計一個獨立光伏發電混合儲能創新實驗平臺，硬件采用模塊化結構，控制系統基于STM32F407開發板，軟件系統基于μC/OS-II系統框架下的分模塊設計結構，可以實現多種光伏I-U曲線模擬、光伏列陣的局部遮陰、直流母線雙閉環控制、混合儲能的協調控制等創新實驗，為創新實踐教育提供了一個很好的實驗平臺。

其中，Kp，Ti，TD分別為比例、積分和微分時間常數;IPWM為母線實際流進逆變器的電流值;τ為LPF低通濾波器時間常數，τ=RC。

仿真結果分析

1）蓄電池和超級電容器作為儲能裝置，光照強度突變波動仿真。在仿真時，直流母線電壓基準值設置為48 V，初始的光照強度是800 W/m2，在0.6 s時突增為1000 W/m2，在0.7 s時又突變回800 W/m2。用來模擬光照強度變化時導致的系統波動，負載設置20 Ω且直流母線設置48 V，光照強度突變導致系統波動情況如圖5所示。

在0.6 s之前，光照強度為800 W/m2時，光伏陣列提供的功率小于負載的功率，因為功率差額不大，此時蓄電池既不進行充電，也不進行放電，僅由超級電容器放電就能滿足負載功率。在0.6 s時，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載功率，并且系統的功率平衡瞬間被打破，超級電容器充電電流快速上升，吸收瞬間系統的多余功率，讓蓄電池有足夠的時間緩慢進入充電狀態，蓄電池充電電流逐漸上升，母線電壓稍微上升，系統達到一個新的平衡。在0.7 s后，光照強度突然降為800 W/m2，光伏陣列輸出功率再次不足，超級電容器迅速反應，由充電模式變為放電模式，迅速為負載補充光伏缺額的功率，再一次使系統快速進入平衡。

2）蓄電池和超級電容器作為儲能裝置，負載突變波動仿真。直流母線電壓基準值設置為48 V，初始的負載設置為30 Ω，負載在0.6 s時突增為60 Ω，負載在0.7 s時突降為30 Ω，模擬因為負載突變引起系統的突變，負載突變情況下系統波動情況如圖6所示。

在0.6 s之前，光伏陣列輸出的功率不能為負載提供足夠的功率，但所需補充的功率不大，超級電容器工作在放電模式，為負載提供缺額功率。負載功率在0.6 s時突降，瞬時光伏陣列輸出的功率過多，超級電容器瞬時響應進入充電模式并吸收這剩余的功率，蓄電池緩慢進入充電模式，最后系統進入新的平衡。負載功率在0.7 s時突升，超級電容器瞬間進入放電模式，短時間內對缺額功率進行補充。

在整個仿真中，直流母線電壓雖然出現波動，但基本穩定在48 V左右，光伏發電混合儲能系統基本實現母線恒壓。在小波動的情況下，超級電容器瞬間提供能量，改善了充放電曲線，使電池與超級電容器的儲能協調控制策略得到實現。

5 實驗結果分析

針對光照突變和負載突變的情形，實驗驗證協調控制策略的可行性。實驗中根據霍爾電流采樣的電壓值來判斷蓄電池和超級電容器處于放電或充電狀態?；魻柣鶞孰妷簽?.5 V，大于2.5 V為充電狀態，低于2.5 V為放電狀態。

1）蓄電池和超級電容器均工作時，光照強度突變，由300 W/m2變為500 W/m2再變為300 W/m2，實驗波形如圖7所示。在光照強度突變期間，蓄電池霍爾電壓有0.12 V的波動，超級電容器的霍爾電壓出現0.52 V的波動，直流母線電壓有6.4 V的波動，波動時間非常短暫，說明光照強度突變時主要是超級電容器進行充放電，直流母線電壓維持48.3 V的平均值。

2）蓄電池和超級電容器工作時，負載由15 Ω變為40 Ω

再變為15 Ω，實驗波形如圖8所示。在負載突變期間，蓄電池霍爾電壓只有0.08 V的波動，超級電容器的霍爾電壓出現0.4 V的波動，直流母線電壓有9.6 V的波動，說明負載突變時主要是超級電容器進行充放電，直流母線電壓依然維持48.3 V的平均值。

6 結語

本文設計的獨立光伏發電系統混合儲能創新實驗平臺，光照強度和遮陰效果可編程，采用MATLAB/Simulink作為仿真平臺，硬件主電路采用模塊化設計，STM32F407開發板和基于μC/OS-II系統框架下的分模塊軟件設計構成控制系統，能夠有效提高學生對光伏發電技術的實踐動手能力。同時，仿真和實驗結果表明，基于頻率協調控制策略可以實現混合儲能系統的優化控制，光照強度和負載突變情況下維持直流母線穩定，減少蓄電池的充放電次數，延長其使用壽命。目前，該創新實驗平臺已參加廣東省節能減排社會實踐與科技競賽及廣東大學生科技創新培育項目，已取得良好的效果。

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