基于LabVIEW的光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)設(shè)計

孫廣輝，朱正偉

(常州大學微電子與控制工程學院，江蘇常州 213164)

隨著全球能源危機的加劇，世界各國日益重視能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，分布式發(fā)電技術(shù)作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略核心技術(shù)之一，逐漸受世界各國關(guān)注。目前，光伏微網(wǎng)系統(tǒng)配備的監(jiān)控系統(tǒng)大多由微電網(wǎng)研制單位自主研發(fā)，普遍存在一些問題，比如開發(fā)環(huán)境封閉，拓展性和通用性差；不能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享；監(jiān)控數(shù)據(jù)儲存采用傳統(tǒng)的文本、Excel 和TDMS 等形式，管理查詢不方便等[1]。也有不少廠商生產(chǎn)和提供一些適用性好、功能比較完善的組態(tài)軟件產(chǎn)品，但普遍開發(fā)成本過高，用戶需要支付不菲的使用授權(quán)費用。上述問題對我國工程教育的發(fā)展產(chǎn)生較大阻力，為了增強學生工程意識，結(jié)合社會需求和人才培養(yǎng)定位，積極構(gòu)架工程實驗實踐系統(tǒng)，提出一種10 kW 的光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏微網(wǎng)是指由分布式電源、儲能裝置、可控負荷等裝置按一定運行規(guī)則匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，具有聯(lián)網(wǎng)和孤島兩種運行模式[2]。由于光伏微網(wǎng)在供電方面具有可靠性、安全性、可持續(xù)性等方面的優(yōu)勢，因此受到人們的青睞。為了能夠?qū)夥⒕W(wǎng)的運行特性進行深入的理論和實驗研究，故搭建一個小型分布式光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)。

圖1 所示為光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)示意圖，主要由太陽電池板、離并網(wǎng)逆變器、蓄電池組、監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。

圖1 光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)示意圖

2 主要硬件組件

2.1 離并網(wǎng)逆變器

在實際應(yīng)用中，光伏發(fā)電功率輸出受到電池板的溫度和接收的光照強度等環(huán)境因素影響，為了確保光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點，選擇帶有最大功率跟蹤控制(MPPT)功能的逆變器[3]。依據(jù)實驗系統(tǒng)容量及用電量情況，系統(tǒng)選用2 臺5 kW 單相雙向儲能固德威逆變器完成離并網(wǎng)逆變控制,具體逆變器參數(shù)如表1 所示。

表1 逆變器主要參數(shù)

固德威逆變器可在室內(nèi)或室外應(yīng)用，控制多路太陽電池方陣對蓄電池進行充電及自動控制蓄電池對負載供電，可將太陽電池板產(chǎn)生的直流電合理分配，完成蓄電池模塊充電、負載供電及電網(wǎng)供電。在負荷低谷時將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能進行儲存，在負荷高峰時釋放蓄電池儲存的電能，減少對電網(wǎng)的負荷壓力；在電網(wǎng)故障時，可提供220 V 交流源供給重要負載，實現(xiàn)離網(wǎng)后備供電的功能。在不同的時間段，逆變器的工作模式是不同的，早上光伏發(fā)電主要用于微網(wǎng)自身的能量消耗，若有多余能量則對電池充電；午間，光照強烈，在電池滿充狀態(tài)下，除了滿足微網(wǎng)的能量消耗，多余的光伏能量則饋入電網(wǎng)，賺取一定的收益；夜間，微網(wǎng)的能量主要由電池提供，當電池能量無法滿足微網(wǎng)運行時，則由電網(wǎng)直接向微網(wǎng)供電。

2.2 太陽電池板

太陽電池板主要作用是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成直流電，作為能量采集主要組件之一，其選擇對整個實驗平臺至關(guān)重要。目前市場上的太陽電池板種類繁多，具體種類及優(yōu)缺點比較如表2 所示[4]?？紤]目前市場占有率、轉(zhuǎn)換效率及優(yōu)缺點，最后選用弱光發(fā)電突出、采用先進的電池正面絨、空間利用率高的茂迪多晶硅太陽電池板，具體相關(guān)參數(shù)如表3 所示。

表2 不同太陽電池性能對比

表3 電池板技術(shù)參數(shù)

依據(jù)逆變器功率參數(shù)、最大輸入電壓、最大輸入電流及路數(shù)，太陽電池板分為兩方陣，每組完成5 kW 容量設(shè)計。根據(jù)逆變器功率設(shè)計容量估算每方陣需要光伏板數(shù)量為5 000÷270≈20，考慮到逆變器光伏最大輸入電壓和最大輸入電流，最大串聯(lián)電池板數(shù)量為580/31.69≈18，實驗系統(tǒng)采用10 串聯(lián)為一組，兩組為一方陣與逆變器連接。

為了實驗實踐地址相對集中，光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)安裝在實驗室樓頂。為保證10 kW 的光伏組件穩(wěn)固、增加組件抗風、防雨特性及樓頂防水，采用膨脹螺栓固定樓面形式將安裝基礎(chǔ)設(shè)計在混凝土屋頂結(jié)構(gòu)中。

2.3 蓄電池

儲能單元不但要保證光伏微網(wǎng)離網(wǎng)時，平滑光伏發(fā)電和負載的功率波動及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時滿足重要負載在合理時間內(nèi)不斷工作要求。實驗平臺設(shè)計交流總負載的容量為10 kW，其中重要交負載占比為25%。為了保證光伏微網(wǎng)緊急情況下，重要交流負載不間斷工作2 h，為降低蓄電池過放率、電池高充放電倍率導(dǎo)致電池容量減小的影響，電池儲存能量計算時適當放些余量，采用剩余電量的50%估算，從而蓄電池需要的總存儲電量為10×25%×2÷50%=10 kW[5-6]。

實驗平臺中雙向儲能逆變器電池輸入?yún)?shù)中電池額定電壓為48 V，同時綜合考慮電池購置成本、環(huán)保性能、維護成本及循環(huán)次數(shù)等因素，實驗平臺采用AGM 型蓄電池，具體電池主要參數(shù)見表4。AGM 蓄電池具有免維護、內(nèi)阻小、大電流放電性能好、適應(yīng)溫度廣、自放電小、使用方便、可循環(huán)使用也可浮充使用、環(huán)保無污染等特點。蓄電池端電壓為12 V、蓄電池容量為105 Ah，則需要1 000÷12÷105≈8，逆變器電池輸入電壓為48 V，8 塊電池采用四個串聯(lián)組成一組，然后連接到逆變器。

表4 AGM 蓄電池主要參數(shù)

2.4 主要接線說明

由上述設(shè)計參數(shù)可知，本平臺的系統(tǒng)配置為：光伏組件一共40 塊，20 塊組成一個方陣，每個方陣中10 塊串聯(lián)為一組與逆變器-光伏端口相連接；蓄電池共8 塊，4 個串聯(lián)為一組與逆變器電池端口連接；逆變器直接給蓄電池組充電，也可給設(shè)備供電或向電網(wǎng)輸電。具體連接示意圖如圖2 所示。

圖2 逆變器接線示意圖

為了便于不同實驗狀態(tài)的應(yīng)用，系統(tǒng)增加工作模式切換開關(guān)和控制柜。工作模式的切換由兩個雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，切換模塊可自動或手動調(diào)節(jié)；一般處于自動接通市電狀態(tài)，若突然停電可自動切換到離網(wǎng)電源端；若處于手動狀態(tài)，需手動切換電源，切忌處于自動狀態(tài)時手動操作?？刂乒駥崿F(xiàn)對兩個逆變器輸出電能的控制，其接線圖分別如圖3 所示。當市電總開斷開，則系統(tǒng)只能工作于微網(wǎng)模式；若其接通，離網(wǎng)輸出空開斷開則只能工作于并網(wǎng)模式；若離網(wǎng)輸出空開接通，則系統(tǒng)可工作于自動狀態(tài)。實驗系統(tǒng)硬件整體圖如圖4 所示。

圖3 控制柜內(nèi)部接線圖

圖4 實驗系統(tǒng)硬件整體圖

3 上位機軟件設(shè)計

LabVIEW 是一種采用圖形化編程語言，具有良好的兼容性、擴展性和豐富的數(shù)據(jù)庫和函數(shù)包的軟件開發(fā)環(huán)境。LabVIEW 程序采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動，對編程能力要求相對較低，深受初級編程人員青睞，同時可以直接與真實的物理設(shè)備相連獲取數(shù)據(jù)并進行分析。軟件大大提高了系統(tǒng)工作效率，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、學術(shù)研究、實踐教學等領(lǐng)域。

實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖如圖5 所示，主要由登錄模塊、系統(tǒng)配置模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊和數(shù)據(jù)查詢模塊組成。

圖5 軟件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)功能圖

為了保證實驗系統(tǒng)硬件設(shè)備安全運行，登錄模塊中增設(shè)用戶權(quán)限管理單元，對不同用戶設(shè)置不同權(quán)限等級，滿足不同層次實驗對設(shè)備的控制范圍。由于系統(tǒng)中RS485 設(shè)備較多，為避免沖突采用“一主多從”模式，同時數(shù)據(jù)采集模塊采用Modbus TCP 通信協(xié)議提升Modbus 請求與響應(yīng)的效率，通過LabVIEW 的數(shù)據(jù)通訊選項中的Modbus Master 模塊完成設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控。實驗系統(tǒng)應(yīng)用SQL Server 存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過LabVIEW 中的“Create Date Link”選項，完成與數(shù)據(jù)庫的連接并自動生成ActiveX 數(shù)據(jù)對象(ADO)訪問數(shù)據(jù)庫的UDL 格式文件，然后借助LabVIEW 中Database 模塊實現(xiàn)實驗系統(tǒng)與SQL Server 數(shù)據(jù)庫的連接、管理和存儲光伏微網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)。

LabVIEW 可以通過自帶組件完成C++、Java、MATLAB等軟件混合編程，便于實驗教學設(shè)計。如LabVIEW 可以通過Matlabscript 組件實現(xiàn)與MATLAB 混合編程，將MATLAB 程序在算法運算上的優(yōu)勢充分融合到實驗系統(tǒng)中[7]。實驗系統(tǒng)既可以完成簡單的電氣入門實驗，也可以進行大型設(shè)計型實驗，同時還能滿足研究型實驗內(nèi)容。光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的實驗教學模式中脫離實際實驗設(shè)備運行數(shù)據(jù)、弱化實驗工程性的缺點，讓學生基于真實工程環(huán)境自主探索、創(chuàng)新，同時克服了傳統(tǒng)強電實驗中存在的設(shè)備損壞和危害人身安全等隱患。

4 結(jié)論

為了滿足工程教育培養(yǎng)需求，克服現(xiàn)在光伏微網(wǎng)系統(tǒng)缺點，積極構(gòu)建10 kW 光伏微網(wǎng)系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主要組成組件的選擇依據(jù)和線路連接；同時為滿足不同層級實驗教學需求和簡化實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理，上位機中增加用戶權(quán)限管理單元和采用ActiveX 數(shù)據(jù)對象(ADO)完成上位機與數(shù)據(jù)庫連接。實踐表明，光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)使理論和實際緊密結(jié)合，具有較強的工程性、復(fù)雜性和科學前沿性，對學生的創(chuàng)新實踐能力的提升和高層次工程人才培養(yǎng)有著積極的作用，為光伏微網(wǎng)研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持，有較大的推廣和實用價值。