光伏發電與儲能一體化實驗裝置

張 強，張敬南，姚緒梁

（哈爾濱工程大學 智能科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

進入21 世紀以來，新能源發電技術突飛猛進、在工業、農業、軍事等諸多領域中被廣泛應用，成為推動經濟發展、社會進步的關鍵科技力量之一。面對新能源發電技術的現狀和未來需求，許多高等院校也將新能源發電相關知識體系納入到對應學科和專業的課程體系中[1-3]，開設了“新能源與分布式發電”“新能源發電技術”“太陽能發電技術”等課程。

從這些課程的教學內容構成來看，雖然也包含基礎理論知識，但更多的是基于實際工程和技術的需求，側重專業知識的融合、貫通與應用。在理論授課的基礎之上，都設置有對應的實驗或實踐教學環節。

與傳統的專業課程相比，新能源發電技術類的課程開設時間較短，還沒有形成體系化的教學流程和教學要求，各個院校都是依據自身的辦學定位、專業特色及師資力量來自行決定具體的課程內容。這導致新能源發電技術類課程缺乏統一的實驗教學大綱，也無法購置到能夠很好地滿足自身教學需求的實驗儀器和設備。因此，各個高校大多依靠自行研制的實驗裝置來開展相關的實驗與實踐教學[4-9]。例如，河北大學研制了光伏發電虛擬仿真實驗教學平臺[4]、華北電力大學研制了新能源接入的多機電力系統實驗平臺[5]、天津大學研制了新能源利用綜合演示實驗平臺[6]。但是自制的實驗設備存在以下問題，限制了實驗教學效果：①設備功能有限，只能完成指定的實驗內容，缺乏可拓展性，難以與其他專業課程實驗交叉融合，不能為大學生的創新創業活動及研究生的深層次科研實驗提供支撐；②多為功能驗證或演示性設備，學生參與的深度有限，無法滿足培養學生能力的需求。

與新能源發電技術有關的設備和裝置多種多樣，但是光伏發電目前應用最為廣泛、技術成熟且適合在實驗教學環境下使用，同時考慮到光伏和儲能相結合的技術發展趨勢，本文以培養學生在光伏發電和儲能技術領域分析、解決實際工程問題的能力為目標，設計了一種以DSP 為控制核心，由光伏電池、蓄電池和模塊化電路構成的一體化實驗裝置。

1 實驗裝置總體方案設計

從電氣專業的知識體系構成來看，光伏發電和儲能技術涉及電力電子技術、自動控制原理、單片機技術、數字信號處理、軟件編程等多門專業知識，為了實現對學生綜合運用專業知識分析、解決問題能力的培養，本文設計的實驗裝置所能完成的實驗內容主要包括：

（1）光伏電池輸出電能的電力變換、最大功率點跟蹤控制策略的設計；

（2）儲能裝置的充放電電路及充放電控制策略設計；

（3）控制算法和控制策略的軟件編程及數字化實現；

（4）數據采集及數字信號處理。

光伏電源和儲能裝置在實際的低壓、直流供電環境中應用較多，結合教學實驗側重于技術驗證的特點，本文對實驗裝置的主電路拓撲結構提出了直流、低壓、小功率的設計指標。

依據實驗內容和實驗指標，并且考慮到與其他課程實驗的融合及后續的功能拓展，實驗裝置采用了模塊化硬件拓撲結構和開放式軟件構架的總體設計方案。

模塊化硬件拓撲的結構框圖如圖1 所示。DC-DC升壓單元、DC-DC 降壓單元、光伏單元、儲能單元構成了主電路；數據采集單元、控制單元、顯示單元、通信單元、驅動單元構成了控制電路。在主電路中各個單元的端口1～6 之間，可根據實驗內容的需求靈活連接，以實現不同的實驗內容。

圖1 模塊化硬件拓撲的結構框圖

2 模塊化單元設計

1）DC-DC 升壓單元。

DC-DC 升壓單元主電路采用標準的boost 電路，電路結構如圖2(a)所示。其中，端口1 為輸入端口，輸入電壓允許范圍為0～48 V；端口2 為輸出端口，輸出電壓可調范圍為0～60 V。電路中的器件參數和型號如表1 所示。

表1 主電路參數及器件型號

2）DC-DC 降壓單元。

DC-DC 降壓單元主電路采用標準的buck 電路，電路結構如圖2(b)所示。其中，端口3 為輸入端口，輸入電壓允許范圍為0～60 V；端口4 為輸出端口，輸出電壓可調范圍為0～48 V。電路中的器件參數和型號參見表1。

圖2 主電路結構圖

3）光伏和儲能單元。

光伏單元由光伏電池構成，依據DC-DC 升壓和降壓單元主電路的設計參數，結合現有光伏電池的常見規格，光伏電池的開路電壓可選范圍為10.5～43 V，峰值功率可選范圍為5～100 W。

儲能單元由蓄電池構成，可以選用常見的各種鉛酸電池、鋰電池等，其最大額定電壓為48 V，充放電過程中的最大瞬時功率不超過100 W。在實驗中，儲能單元也可以選用超級電容器等其他形式的儲能器件。

4）控制單元。

為了實現所設計的實驗功能，要求控制單元必須具備A/D 轉換、I/O 數字量輸入/輸出、數據通信等硬件資源及快速、強大的數據處理能力。TI 公司的DSP處理芯片TMS320F28335 的主頻時鐘頻率最高可達150 MHz，可以編程設定系統的運行頻率，擁有高性能的32 位CPU，集成了IEEE 754 單精度浮點單元（FPU），適用于數據處理；片內的資源豐富，包括多達18 個PWM 輸出、3 個32 位CPU 定時器、3 個串口模塊、16 路12 位高精度ADC 模塊等?；谏鲜龇治?，將其作為實驗裝置的控制單元核心。

5）數據采集單元。

數據采集單元的功能是采集DC-DC 升壓單元和DC-DC 降壓單元的輸入電壓和電流、輸出電壓和電流及電感電流等。為了保證數據采集的精度并實現電氣隔離，實驗裝置選用了霍爾型電壓和電流傳感器，分別為LEM 公司的LV25-P 和LA25-P。

電壓和電流傳感器輸出信號調理電路的基本結構相同，如圖3(a)所示。圖中R1、C1 構成了RC 濾波環節，用以對輸入的采樣信號進行濾波，運算放大器OP07 和電阻R3、R4 組成同相放大電路，通過調節R3 和R4 的阻值可以設定放大倍數。信號調理電路采用了三端鉗位二極管BAV99，實現對輸出模擬電壓信號的限幅。BAV99 中二極管正向導通壓降是0.5 V 左右，在其管腳2 接由TL431 精密可調穩壓源提供的2.5 V 電壓，管腳1 接地。最終信號調理電路輸出信號Output 的幅值被限制在0～3 V，滿足DSP 的A/D 采集輸入電壓范圍要求。

6）驅動單元。

DSP 的管腳輸出量是電平信號，需要在控制電路與主電路之間加入驅動電路，在實現電氣隔離的同時，對PWM 信號進行功率放大。實驗裝置利用兩個高速光耦 6N137 分別實現對控制信號 PWMboost 和PWMbuck 的電氣隔離。電氣隔離后的兩路PWM 信號再由IR2110 驅動芯片實現對MOSFET1 和MOSFET2的驅動控制，驅動電路原理圖如圖3(b)所示。

7）通信和顯示單元。

為了便于學生對實驗數據的觀察和分析，實驗裝置設置有串行通信接口。由于DSP 的SCI 模塊的通信引腳輸出電平范圍是0～3.3 V，而RS-232 標準為–3～–15 V 代表邏輯1，+3～+15 V 代表邏輯0，因此外部的串口無法與DSP 的SCIRXDA 和SCITXDA 直接連接，需要利用RS-232 通信芯片MAX3232 將電平進行轉換，具體的串行通信電路原理圖如圖3(c)所示。

顯示單元采用128×64 點陣的液晶顯示器，可用來顯示輸出電壓、電流等信息。

8）控制電源設計。

實驗裝置采用隔離型DC/DC 電源模塊為控制電路提供±15 和5 V 的直流電，DC/DC 電源模塊的輸入電壓范圍為直流9～36 V，實驗過程中既可以利用儲能裝置直接供電，也可以由外部電源供電。

基于上述設計方案研制而成的“光伏與儲能一體化實驗裝置”如圖4 所示。

圖3 控制電路結構圖

圖4 實驗裝置實物圖

3 實驗設計

3.1 主電路設計

以光伏電池和儲能裝置聯合運行的“光儲一體化電源”實驗為例，所采用的基于模塊化單元的主電路結構如圖5 所示。開路電壓為21.5 V 的光伏單元接至DC-DC 升壓單元的輸入端口1；DC-DC 升壓單元的輸出端口2 的額定電壓設為24 V，并與DC-DC 降壓單元的輸入端口3 連接形成24 V 直流母線；DC-DC 降壓單元的的輸出端口4 的額定電壓設為12 V，并與外部負載連接；額定電壓為24 V 的儲能單元連接至24 V直流母線。

圖5 光儲一體化電源實驗主電路結構圖

3.2 程序設計

實驗裝置的主程序主要完成以下功能：

（1）配置DSP 資源，例如I/O、A/D、串行通信的初始化及中斷設置等；

（2）控制顯示單元完成液晶屏幕內容的刷新；

（3）完成與外部設備之間的串行通信。

其他控制功能主要在A/D 中斷子程序中完成，主要包括：

（1）數據采集和數字濾波；

（2）判斷電壓、電流是否過限，若發生過限則執行保護控制；

（3）執行光伏電池的MPPT 控制算法；

（4）執行DC-DC 升壓單元輸出電壓的控制算法，并輸出MOSFET1 的控制信號；

（5）執行DC-DC 降壓單元輸出電壓的控制算法，并輸出MOSFET2 的控制信號

本文基于擾動觀察法設計完成的光伏電池MPPT控制算法流程如圖6 所示。圖中P(k)為采樣時刻光伏電池的輸出瞬時功率，U(k)為采樣時刻光伏電池的輸出瞬時電壓值，Ur為DC-DC 升壓單元輸出電壓給定值，dU為電壓增量。DC-DC 升壓單元和DC-DC 降壓單元均采用基于數字化增量式PI 控制器的電壓電流雙閉環控制策略。

圖6 基于擾動觀察法MPPT 控制流程圖

4 實驗效果

以節3 的實驗方案為依據，在“新能源與分布式發電”課程實驗中，由學生自行完成各個環節控制算法和控制策略的設計，并進行實驗驗證。在實驗過程中，實驗裝置通過串行通信將采集到的光伏單元輸出電壓和輸出電流傳送到上位機，上位機依據獲得的數據繪制出光伏電池輸出電壓和瞬時功率波形如圖7(a)所示，MPPT 實驗軌跡如圖7(b)所示。數據和波形表明，實驗裝置上電啟動后，在MPPT 控制策略的控制下，光伏電池的輸出功率單調上升，最后穩定在15.8 W左右，實現了最大功率捕獲。由于采用的是擾動觀察法，因此穩態運行時光伏電池的輸出電壓和功率始終存在小幅度的波動。

圖7 實驗結果

圖7(c)為負載功率為2 W 時，實驗裝置輸出電壓波形。啟動過程中輸出電壓快速上升，經過超調和兩個振蕩周期后穩定在12 V，穩態時電壓紋波小于2%，表明DC-DC 降壓單元的控制器及其控制參數設計合理。穩態運行時負載所需功率明顯小于光伏電池的輸出功率，此時多余的能量存儲到儲能單元中，即儲能單元處于充電狀態。

圖7(d)為負載功率為20 W 時，實驗裝置輸出電壓波形。穩態運行時負載所需功率大于光伏電池的輸出功率，不足的能量由儲能單元提供，此時儲能單元處于放電狀態。

通過該實驗，可以加深學生對光伏發電和儲能裝置協調運行的理解，使學生掌握光伏電池MPPT 控制的機理，鍛煉學生控制算法設計和控制策略數字化實現的能力。

除了光伏電池和儲能裝置聯合運行的實驗方案外，通過對不同主電路單元的選擇及各個端口連接方式的變換，還可以開展多種形式的實驗內容：①儲能裝置充放電實驗；②光伏電池輸出電能變換實驗；③利用多個實驗裝置并聯運行，模擬多分布式電源聯合運行（微網）實驗；④作為DC-DC 電力變換器與其他電源或裝置相配合，進行電力變換實驗等。

5 結語

本文設計了一種光伏發電與儲能一體化實驗裝置，采用模塊化硬件拓撲結構和開放式軟件構架，為學生綜合運用專業知識分析和解決新能源發電技術領域內的實際工程問題提供一個功能多樣、設計靈活的實驗平臺。