孫富榮,倪 鵬
(國(guó)網(wǎng)乳山市供電公司,山東 乳山 264500)
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基于LabVIEW軟件數(shù)據(jù)采集的光儲(chǔ)能量管理系統(tǒng)研究
孫富榮,倪 鵬
(國(guó)網(wǎng)乳山市供電公司,山東 乳山 264500)
為有效可靠地使用太陽(yáng)能,避免光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來(lái)電能質(zhì)量與安全穩(wěn)定的影響,筆者提出了一種通過(guò)LabVIEW軟件進(jìn)行能量管理的方法。該方法利用LabVIEW軟件在數(shù)據(jù)采集方面的優(yōu)越性和NI在軟件和硬件集成應(yīng)用方面的便利,對(duì)儲(chǔ)能電池的充放電電流、直流母線(xiàn)電壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)光伏電池發(fā)電量以及儲(chǔ)能電池的剩余容量,給出了能量管理系統(tǒng)的五種工作模式,以確保系統(tǒng)的快速響應(yīng)以及高效運(yùn)行,并通過(guò)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了該方法有效性。
光伏發(fā)電;儲(chǔ)能電池;NI;LabVIEW軟件;能量管理
隨著光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增加,其輸出功率波動(dòng)對(duì)傳統(tǒng)的電網(wǎng)電能質(zhì)量與安全穩(wěn)定的影響越來(lái)越受到重視[1]。光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否與大電網(wǎng)相連接,分為離網(wǎng)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種模式。由于太陽(yáng)能電池的輸出功率受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度等因素的影響變化很大,并且光伏發(fā)電不能儲(chǔ)存,因此當(dāng)系統(tǒng)處于離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要加入儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)電能進(jìn)行儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)[2-4]。盡管儲(chǔ)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(dòng)的作用[5-6],但對(duì)于儲(chǔ)能裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備以及維護(hù)設(shè)備相對(duì)匱乏。因此完善儲(chǔ)能裝置的監(jiān)控與維護(hù),對(duì)提高能量管理系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行以及快速響應(yīng)性有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。文獻(xiàn)[1-2]提出了能量管理的核心是根據(jù)光伏電池和蓄電池的工作狀態(tài),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(xié)調(diào)工作,確保供電系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行以及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于平滑控制的超級(jí)電容與電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理方法,實(shí)現(xiàn)能量管理系統(tǒng)的高效運(yùn)行。文獻(xiàn)[4-6]給出了車(chē)載鋰電池狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件,并在該系統(tǒng)上以不同的放電倍率對(duì)鋰電池進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]針對(duì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)的特性,在LabVIEW軟件環(huán)境下應(yīng)用NI公司的Fieldpoint系列I/O模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊構(gòu)建了檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)獨(dú)立光伏系統(tǒng)進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)和維護(hù)。
基于上述所言,為了更有效、可靠地使用光伏發(fā)電系統(tǒng),本文對(duì)光伏能量管理系統(tǒng)做了深入研究,即在已有的獨(dú)立光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中加入了由鋰電池構(gòu)成的儲(chǔ)能裝置,通過(guò)單向DC/DC和雙向DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)光伏與儲(chǔ)能的能量流動(dòng),并在此工作模式基礎(chǔ)上,搭建了能量管理系統(tǒng)平臺(tái)。將LabVIEW軟件軟件和NI的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行結(jié)合,通過(guò)LabVIEW軟件編程,實(shí)現(xiàn)對(duì)所搭建的系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行控制以及對(duì)電池電量、直流母線(xiàn)電壓和輸出負(fù)載電壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與測(cè)量,以達(dá)到提高系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和快速響應(yīng)的目的。
1.1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)
獨(dú)立分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示,其中,光伏電池由光伏電源代替,能夠?qū)?shí)際的天氣、溫度等參數(shù)按照一定曲線(xiàn)進(jìn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中為:284~300 V DC),另一方面在一定程度上可以得到穩(wěn)定的直流母線(xiàn)電壓,直接帶直流負(fù)載;雙向DC/DC變換器可對(duì)高壓側(cè)和低壓側(cè)電壓進(jìn)行雙向流動(dòng),其高壓側(cè)與單向DC/DC輸出母線(xiàn)并聯(lián),低壓側(cè)與鋰電池組串聯(lián);鋰電池組由16塊鋰電池單體構(gòu)成,輸出額定電壓49.6 V,電壓上限為54 V。
該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):
1) 鋰電池具有長(zhǎng)循環(huán)壽命、能量密度大、自放電率低、安全性等特點(diǎn)[7-8],因此該系統(tǒng)選用鋰電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蓄電池,減小電池組體積,提高了實(shí)驗(yàn)效率。
2) 鋰電池組通過(guò)雙向變換器進(jìn)行充放電,控制簡(jiǎn)單,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,系統(tǒng)體積小。此外,鋰電池組與主電路通過(guò)雙向變換器連接,在一定程度上可對(duì)鋰電池進(jìn)行保護(hù)。
3) 系統(tǒng)通過(guò)切換兩個(gè)變換器的工作模式,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在多個(gè)狀態(tài)下運(yùn)行。
4) 由于NI設(shè)備的引入,可提高系統(tǒng)的安全性,在檢測(cè)上更加精確快速,在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),能方便的對(duì)電路中運(yùn)行參數(shù)波形進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè),有利于系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
1.2 系統(tǒng)的工作模式
當(dāng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí),單向DC/DC工作在MPPT模式,實(shí)現(xiàn)了最大功率輸出。雙向DC/DC工作在Boost模式下,鋰電池組通過(guò)雙向變換器可為直流母線(xiàn)提供穩(wěn)定電壓。因而結(jié)合實(shí)際的光照、溫度、儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)等因素對(duì)光伏發(fā)電的影響,本文提出以下5種系統(tǒng)工作模式。
模式Ⅰ:當(dāng)光伏輸出功率PPV≥負(fù)載功率Po且電池電壓UB≤UB-max時(shí),此時(shí)光伏為負(fù)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(guò)充電壓。
模式Ⅱ:當(dāng)光伏輸出功率PPV≥負(fù)載功率Po且電池電壓UB≥UB-max時(shí),單向DC/DC工作在恒壓模式,雙向變換器關(guān)機(jī)。
模式Ⅲ:當(dāng)PPV 模式Ⅳ:當(dāng)PPV 模式Ⅴ:當(dāng)PPV 2.1 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn) 在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下,鋰電池組單體電壓會(huì)出現(xiàn)過(guò)低的情況,當(dāng)某個(gè)單體電池出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間電壓過(guò)低,會(huì)使該單體電池成為“落后電池”,該“落后電池”的荷電狀態(tài)會(huì)嚴(yán)重減弱,壽命大大縮短,并且會(huì)影響整個(gè)電池組的正常工作,造成惡性循環(huán)[7-8]。而LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)速度快,維護(hù)簡(jiǎn)單,加之與其配套的NI產(chǎn)品,采用無(wú)縫連接,大大提高了分布式光伏系統(tǒng)異常檢測(cè)效率[9-10]。因此,在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,使用LabVIEW軟件在數(shù)據(jù)采集方面的快速性和精確性,可明顯降低“落后電池”出現(xiàn)的概率,提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。此外,利用LabVIEW軟件優(yōu)勢(shì),本實(shí)驗(yàn)中完成了在數(shù)據(jù)采集以及輸出控制信號(hào)方面的人機(jī)交互界面,用戶(hù)可以方便觀(guān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和波形的變化。儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。 2.2 系統(tǒng)控制部分的實(shí)現(xiàn) 該系統(tǒng)采用NI公司的產(chǎn)品NI-PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡[11]。NI-PCI作為16位高速板卡可實(shí)現(xiàn)對(duì)大容量數(shù)據(jù)的傳輸。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用其自帶的16路(1.25 MS/s)模擬量輸入通道,實(shí)現(xiàn)對(duì)各單體電池電壓的檢測(cè)以及對(duì)主電路中的直流母線(xiàn)電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;24路(2.8 MS/s)數(shù)字輸出通道,實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)繼電器的控制,到達(dá)控制電路與主電路的電氣隔離以及對(duì)電路通斷和系統(tǒng)工作模式切換的目的。依據(jù)本文對(duì)該系統(tǒng)制定的工作模式,在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制策略的具體實(shí)施,如下所述: 1) 單向DC/DC變換器與雙向DC/DC變換器的開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)狀態(tài)由連接變換器的接觸器進(jìn)行控 制,對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路與主電路的電氣隔離與控制,由繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 2) 在LabVIEW軟件的控制面板中,通過(guò)比較環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),如對(duì)Boost電路的輸出直流電壓進(jìn)行采樣(采樣頻率1000 Hz),作為實(shí)際參考量,用戶(hù)可在人機(jī)交互界面對(duì)該電壓值的上限值進(jìn)行定義,作為比較量。 3) 比較器的輸出信號(hào)放入數(shù)組,作為單向、雙向DC/DC變換器的開(kāi)關(guān)量。通過(guò)FOR循環(huán)結(jié)構(gòu)等待繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 4) 該系統(tǒng)中還設(shè)有手動(dòng)切除和接入操作,用于驅(qū)動(dòng)電路和主電路的調(diào)試。 該系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。 為了驗(yàn)證本文提出的系統(tǒng)能量管理控制策略的有效性,在各工作模式正常運(yùn)行時(shí),瞬間增大負(fù)載,對(duì)負(fù)載電流io、電池電流iB進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。 1) 工作模式Ⅰ,瞬間增大負(fù)載,負(fù)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(fù)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(shí),此時(shí)光伏能量不足,電池不能放電,切除負(fù)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(fù)載需要的能量,電池放電,波形與圖5相同。 圖3 LabVIEW軟件系統(tǒng)控制圖 圖4 工作模式Ⅰ波形 圖5 工作模式Ⅳ波形 本文提出了將LabVIEW軟件和NI軟硬件結(jié)合的方式應(yīng)用到分布式光伏發(fā)電的能量管理系統(tǒng)中,其核心是通過(guò)NI-PCI的雙向I/O口將板卡采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并通過(guò)所提出的控制策略做出相應(yīng)動(dòng)作,對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的離網(wǎng)運(yùn)行以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量管理;通過(guò)應(yīng)用NI控制器的高精度性以及LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)流程序,對(duì)鋰電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以提高安全性和快速響應(yīng)。最后,通過(guò)現(xiàn)有的硬件系統(tǒng)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證,其結(jié)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(chǔ)能系統(tǒng)能量管理方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(16): 36-41. 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(責(zé)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?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)維檢修、配電網(wǎng)規(guī)劃。 TM615 A 2095-6843(2016)02-0131-042 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及控制
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
4 結(jié) 語(yǔ)