林区生态观测站光储单元协调控制器设计_曹慧颖.pdf
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1、 林区生态观测站光储单元协调控制器设计*曹慧颖1,刘素梅1,谢丽霞1,彭角奎1,赵泽宇1,金一凡1,刘 刚2(1.北京林业大学,北京1 0 0 0 9 1;2.华北电力大学,北京1 0 2 2 0 6)摘 要:在现有林区生态观测站中,存在着蓄电池频繁充放电影响自身寿命和系统运行效率低等问题。针对这些问题,设计了基于D S P+F P G A硬件控制架构的光储能单元协调控制器。该控制器根据林区光照特点与负荷用电需求,将光储单元与负荷的功率作为协调控制判据,采用多工作模式组合的协调控制方法,确保在系统电压稳定前提下实现尽量优先利用光伏电池直接为负荷供电,同时在光照充足时蓄电池进行下垂充电和三阶段快
2、速充电,以均衡蓄电池S O C,提高系统续航能力。最终,经硬件在环实验,验证了所设计控制器的有效性。关键词:光储单元;协调控制器;林区生态观测站;控制模式;三阶段充电中图分类号:TM 9 1 2 D O I:1 0.1 9 7 6 8/j.c n k i.d g j s.2 0 2 3.0 2.0 3 5D e s i g no fC o o r d i n a t e dC o n t r o l l e ro fP h o t o v o l t a i cS t o r a g eU n i t o fF o r e s tE c o l o g i c a lO b s e r v a
3、 t i o nS t a t i o n*C AO H u i y i n g1,L I US u m e i1,X I EL i x i a1,P E N GJ i a o k u i1,Z HAOZ e y u1,J I NY i f a n1,L I UG a n g2(1.B e i j i n gF o r e s t r yU n i v e r s i t y,B e i j i n g1 0 0 0 9 1,C h i n a;2.N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y,B e i j i n
4、 g1 0 2 2 0 6,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h ee x i s t i n gf o r e s t e c o l o g i c a l o b s e r v a t i o ns t a t i o n s,t h e r ea r es o m ep r o b l e m s,s u c ha s f r e q u e n tb a t t e r yc h a r-g i n ga n dd i s c h a r g i n g,a f f e c t i n g t h e s e r v i c e l i f e a n
5、d l o ws y s t e mo p e r a t i o ne f f i c i e n c y.T o s o l v e t h e s ep r o b l e m s,a c o o r d i n a t e dc o n t r o l l e ro f o p t i c a l e n e r g ys t o r a g eu n i t b a s e do nD S P+F P G Ah a r d w a r e c o n t r o l a r c h i t e c t u r e i sd e s i g n e d i n t h i sp a p
6、 e r.A c-c o r d i n gt o t h e l i g h t i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n d l o a dp o w e r d e m a n do f t h e f o r e s t a r e a,t h e c o n t r o l l e r t a k e s t h ep o w e r o f t h eo p t i-c a l s t o r a g eu n i t a n dt h e l o a da s t h ec o o r d i n a t e dc o n t r o l c
7、r i t e r i o n.T h ec o o r d i n a t e dc o n t r o lm e t h o do fm u l t iw o r k i n gm o d ec o m b i n a t i o n i sa d o p t e dt oe n s u r e t h a tu n d e r t h ep r e m i s eo f s t a b l e s y s t e mv o l t a g e,p r i o r i t y i sg i v e n t o t h eu s eo f p h o t o v o l-t a i cc e
8、 l l s t od i r e c t l ys u p p l yp o w e r t ot h e l o a d.A t t h es a m et i m e,w h e nt h e l i g h t i ss u f f i c i e n t,t h eb a t t e r yw i l lb es a g g e da n dc h a r g e dr a p i d l y i nt h r e es t a g e s t ob a l a n c e t h eb a t t e r yS O Ca n d i m p r o v e t h es y s t
9、 e me n d u r a n c e.F i n a l l y,h a r d w a r e-i n-t h e-l o o pe x p e r i m e n t sv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so f t h ed e s i g n e dc o n t r o l l e r.K e yw o r d s:p h o t o v o l t a i cs t o r a g eu n i t;c o o r d i n a t i o nc o n t r o l l e r s;f o r e s te c o l o
10、g i c a lo b s e r v a t i o ns t a t i o n s;c o n t r o lm o d e;t h r e e-s t a g ec h a r g i n g基金项目:北京林业大学“北京市级大学生创新创业训练计划”(编号S 2 0 2 1 1 0 0 2 2 0 9 4)收稿日期:2 0 2 2-0 3-0 40引言随着我国生态文明建设的逐步落实,“智慧林业”等生态战略相继被提出1-3,这使得用于生态信息采集的生态观测站在林区正得到大范围建设与应用。鉴于林区光照相对较充足,并且光伏电池成本相对较低,目前大多数生态观测站采用光伏电池与蓄电池相组合的发电
11、单元作为供电电源。现有生态观测站的光储单元通常先将光伏电池收集的电能送至蓄电池,再由蓄电池为负荷提供电能4-5。这种电能收集与利用方式虽然较为简单,但是存在如下缺陷:林区遮挡现象造成光照不稳定,光伏电池输出功率时高时低,容易引发蓄电池频繁地在充放电之间切换,从而影响蓄电池寿命;光伏电池收集的电能需经蓄电池才能送至负荷端,蓄电池充放电所产生的功率损耗将影响系统运行效率,同时仅利用蓄电池为负荷供电,导致光储单元的续航能力完全受限于蓄电池容量;生态观测站往往存在多个蓄电池组,若无法实现荷电状态平衡,则可能导致某些蓄电池组 深 度 放 电 或 过 度 充 电,会 影 响 蓄 电 池 使 用 寿命6。如
12、何对微电网光储单元协调控制,使得蓄电池均衡充放电,保证微电网功率平衡和电压稳定,变得至关重要7-8。然而,目前涉及光储单元协调控制的研究主要针对容量相对较大的微电网系统9,就经济性以及算法的复杂程度而言,并不适用于小容量光储发电单元。对于林区生态观测站来说,其生态监测用传感器对电压波动十分敏感,因此目前已有光伏电池和蓄电池的控制策略并不能很好地满足林区生态观测站的用电需求。针对林区生态观测站光储发电单元,其协调控制不仅需要考虑负荷对电压波动敏感的问题,还需要考虑林区植被遮盖导致光照时长短且随机变化强的特有问题。为了在611电工技术 电力设备 光照时长较短的情况下,确保发电单元的续航能力,需着重
13、对蓄电池充电控制进行优化设计。文献1 0-1 1 针对独立光伏发电单元,提出采用恒流-恒压两阶段充电,以实现蓄电池的快速充电。而文献1 2 指出蓄电池浮充控制可实现对蓄电池的最大容量充电。因此,为了能够实现快速 充 电,并 尽 可 能 确 保 蓄 电 池 容 量 得 到 有 效 利用,恒流-恒压-浮充三段式充电更适用于生态观测站的光储发电单元。当微电网独立运行时,往往需要配备多组储能单元进行功率调节以实现系统稳定,优化复合储能分配,有效发挥各储能单元的能效。文献1 3 提出一种基于离散一致性算法的直流微电网电压控制策略,蓄电池采用恒压控制,既能够维持母线电压恒定,又能够防止端口电流过大从而缩短
14、蓄电池使用寿命。文献1 4 提出了将蓄电池荷电状态(S t a t eo fC h a r g e,S O C)和下垂系数结合,使蓄电池充放电能量均衡。因此,为了实现能量均衡,选择采用荷电状态下垂控制蓄电池充放电。文献1 5 提出可以考虑微电网各个运行状态对蓄电池的不同需求,按照其状态划分为不同工作模式。综上,为了解决生态观测站光储发电单元传统供电模式存在的系统运行效率低、储能系统利用率低、蓄电池频繁充放电导致寿命缩短等问题,本文结合林区光照条件与生态观测站负荷用电需求,设计一种多工作模式组合的协调控制器。硬件方面采用D S P+F P G A控制架构,D S P芯片主要实现光储单元协调控制算
15、法,而F P G A芯片作为调制波发生器驱动光储单元中变换器。软件算法设计方面,将光伏电池输出功率与负载吸收功率的差值、蓄电池剩余负荷状态作为协调切换控制判据,根据光照情况和负载的用电需求,提出采用多模式组合的协调切换控制方法,实现有光照时尽量由光伏电池直接为负荷供电,在光照充足时蓄电池进行均衡快速充电,同时避免所有蓄电池不间断工作,从而减少蓄电池的总充放电次数和时长。1光储发电单元协调控制器的硬件设计林区生态观测站的光储发电系统的拓扑结构如图1所示,由光伏阵列、蓄电池、直流负载、交流负载、各级变换器组成。光伏阵列与蓄电池分别经单向D C/D C变换器、双向D C/D C变换器接入直流母线。图
16、1系统的拓扑结构图基于D S P+F P G A控制架构的协调控制器对硬件要求不高,以 常 见 的TM S 3 2 0 F 2 8 1 2芯 片(D S P)和C y c l o n eE P 2 C 8 Q 2 0 8 C 8(F P G A)芯片为核心,协调控制器的硬件结构框图如图2所示。其中,TM S 3 2 0 F 2 8 1 2芯片利用A D模块采集光储发电单元与负荷的电流和电压信息,通过计算分析,得到光伏电池输出功率与负载功率信息,进一步根据各单元功率情况,对光伏电池与蓄电池的工作模式进行组合,以实现多模式组合的协调控制算法。A D模块的采样工作模式选择级联模式下的顺序采样,用定时
17、器T 1启动A/D转换,采样频率为6.2 5MH z,先将每次采样的数据保存起来,然后采样1 0次之后取平均值,作为一次准确采样结果。同时,A/D模块也将采集蓄电池的端电压用以判断S O C状态,避免蓄电池过充或者过放。图2协调控制器的硬件结构框图C y c l o n eE P 2 C 8 Q 2 0 8 C 8芯片主要将多模式组合的协调控制算法所产生的控制信号转为D C/D C变换器的驱动信号,主要由通信模块、分频器模块、载波发生模块和调制处理模块组成。通信模块主要实现与D S P芯片通信。分频器模块通过接收、处理D S P提供的高频脉冲信号,向F P-G A系统提供相对低频的脉冲信号,用
18、于载波的发生与调制波的处理。载波发生模块接收分频器产生的低频脉冲,向调制处理模块提供1 0k H z的载波信号,载波幅值为7 5。调制处理模块接收载波与调制波,处理后产生PWM波输出至D C D C控制端。上述D S P芯片与F P G A芯片之间采用2根地址线和4根数据线,通过D S P的外部扩展接口实现通信。F P G A接收并处理D S P发送来的调制信号数据帧,并向调制处理模块输出调制波。数据帧的接收信号由D S P产生,D S P检测到一次信号时通过并行G P I O口接收一帧数据,数据帧包含地址、数据两个信息。在数据线位数有限的情况下,为保证F P G A能够高速准确地接收4路电压
19、信息,采用1 0位并行同步通信方式,数据帧及触发信号格式如图3所示。其中,S C L提供触发脉冲,a d d r 01提供4路电压地址,d a t a 06提供电压信息。在S L C上升沿更新9位数据帧寄存器,根据数据帧寄存器中高2位的地址,将数据帧低7位送往对应的寄存器生成调制波。图3 D S P芯片与F P G A芯片之间通信的数据格式2协调切换控制方法及其实现与小容量光储单元光伏阵列采用M P P T控制、蓄电池采711电力设备 电工技术 用恒压控制的传统单一控制方法不同,本文所提多工作模式组合的协调控制方法,在考虑林区植被遮盖导致光照时长短且随机变化强、负荷对电压波动敏感问题基础上,遵
20、循“尽可能减少蓄电池充放电次数、最大程度利用太阳能”的设计原则,针对不同光照情况及蓄电池1和蓄电池2的S O C状态,通过对光伏电池的M P P T控制模式与恒压控制模式、蓄电池的下垂充放电模式、三阶段快速充电控制模式与恒压放电模式进行优化组合,共设计7种组合模式,如图4所示。Pp v-光伏最大输出功率;Pl o a d-负载总功率;Pl o a d 1-重要负载功率图4系统的工作模式 (1)若光伏电池最大输出功率大于负载消耗总功率,且蓄电池1和2均未达到充电上限,则光伏电池运行于恒压控制模式,蓄电池1、2进行下垂充电,平衡蓄电池1和2的S O C值,抑制蓄电池过度充电。(2)若光伏电池最大输
21、出功率大于负载消耗总功率,且蓄电池1或2已达到充电上限,则光伏电池仍运行于恒压控制模式,同时达到充电上限的蓄电池处于浮充模式,确保蓄电池进行最大容量充电。未达到充电上限的蓄电池进行恒流-恒压-浮充三阶段充电,实现尽可能在光照充足时快速完成充电。(3)若光伏电池最大输出功率大于负载消耗总功率,且蓄电池1和2均达到充电上限,则光伏电池运行于恒压控制模式,而蓄电池1和2处于浮充模式,确保进行最大容量充电。(4)若光伏电池最大输出功率小于负载消耗总功率,且蓄电池1和2均未达到放电下限,则光伏电池工作在最大功率追踪模式,尽可能地最大程度利用太阳能;蓄电池1和2进行下垂放电,平衡蓄电池1和2的S O C值
22、,抑制蓄电池过度放电。此情况下,蓄电池1和2与光伏电池共同为负载供电。(5)若光伏电池最大输出功率小于负载消耗总功率,且蓄电池1或2已达到放电下限,则光伏电池工作在最大功率追踪模式,尽可能地最大程度利用太阳能;同时未达到放电下限的蓄电池采用恒压放电控制,以维持母线电压稳定。达到放电下限的蓄电池切断停机。此情况下,未达到放 电 下 限 的 蓄 电 池 与 光 伏 电 池 共 同 为 负 载供电。(6)若光伏电池最大输出功率小于负载消耗总功率,但大于重要负载消耗功率,且蓄电池1和2均达到放电下限,则光伏电池工作在最大功率追踪模式,尽可能地最大程度利用太阳能;蓄电池1和2切断停机;切除重要负载外的
23、其 他 负 载。此 情 况 下,光 伏 电 池 单 独 为 重 要 负 载供电。(7)若光伏电池最大输出功率小于重要负载消耗功率,且蓄电池1和2均达到放电下限,则整个系统中光伏电池与蓄电池切除停机。为了充分利用太阳能,并尽量减少蓄电池充放电次数,本设计中采用光伏电池为主电源、蓄电池为补充电源的控制模式组合思路。在光伏电池最大输出功率大于负载消耗功率的情况下,利用光伏电池为负荷供电。而若光伏电池最大输出功率小于负载消耗功率,由光伏电池与蓄电池共同为负荷供电。同时考虑到微电网系统中的重要负载,当光伏电池最大输出功率大于重要负载消耗功率时,由光伏电池单独只为重要负荷供电。在充放电过程中,为了确保光储
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- 林区 生态 观测站 单元 协调 控制器 设计 曹慧颖
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