基于LabVIEW软件数据采集的光储能量管理系统研究

孙富荣,倪 鹏

(国网乳山市供电公司,山东 乳山 264500)



基于LabVIEW软件数据采集的光储能量管理系统研究

孙富荣,倪 鹏

(国网乳山市供电公司,山东 乳山 264500)

为有效可靠地使用太阳能,避免光伏发电系统并网给电网带来电能质量与安全稳定的影响,笔者提出了一种通过LabVIEW软件进行能量管理的方法。该方法利用LabVIEW软件在数据采集方面的优越性和NI在软件和硬件集成应用方面的便利,对储能电池的充放电电流、直流母线电压等参数进行实时监控。根据光伏电池发电量以及储能电池的剩余容量,给出了能量管理系统的五种工作模式,以确保系统的快速响应以及高效运行,并通过搭建的实验平台验证了该方法有效性。

光伏发电;储能电池;NI;LabVIEW软件;能量管理

随着光伏发电、风力发电等可再生能源发电装机容量的不断增加,其输出功率波动对传统的电网电能质量与安全稳定的影响越来越受到重视[1]。光伏发电系统按是否与大电网相连接,分为离网运行和并网运行两种模式。由于太阳能电池的输出功率受光照强度和环境温度等因素的影响变化很大,并且光伏发电不能储存,因此当系统处于离网运行时需要加入储能设备对电能进行储存和调节[2-4]。尽管储能装置在一定程度上能起到抑制可再生能源输出功率波动的作用[5-6],但对于储能装置的实时监控设备以及维护设备相对匮乏。因此完善储能装置的监控与维护,对提高能量管理系统的可靠性运行以及快速响应性有着重要的现实意义。文献[1-2]提出了能量管理的核心是根据光伏电池和蓄电池的工作状态,控制单向变换器和双向变换器工作在合适的模式,从而使光伏电池和蓄电池协调工作,确保供电系统高效稳定运行以及快速的动态响应。文献[3]提出了一种基于平滑控制的超级电容与电池混合储能系统的能量管理方法,实现能量管理系统的高效运行。文献[4-6]给出了车载锂电池状态检测系统的软硬件,并在该系统上以不同的放电倍率对锂电池进行了研究。文献[7]针对独立光伏系统的特性,在LabVIEW软件环境下应用NI公司的Fieldpoint系列I/O模块和网络模块构建了检测系统,实现了对独立光伏系统进行在线检测和维护。

基于上述所言,为了更有效、可靠地使用光伏发电系统,本文对光伏能量管理系统做了深入研究,即在已有的独立光伏发电实验平台中加入了由锂电池构成的储能装置,通过单向DC/DC和双向DC/DC变换器实现光伏与储能的能量流动,并在此工作模式基础上,搭建了能量管理系统平台。将LabVIEW软件软件和NI的数据采集卡进行结合,通过LabVIEW软件编程,实现对所搭建的系统平台进行控制以及对电池电量、直流母线电压和输出负载电压等参数进行实时监控与测量,以达到提高系统的可靠运行和快速响应的目的。

1 光储能量管理系统

1.1 独立光伏发电系统

独立分布式光伏发电系统如图1所示,其中,光伏电池由光伏电源代替,能够对实际的天气、温度等参数按照一定曲线进行模拟,其输出电压范围:40～48 V;单向DC/DC变换器选用Boost电路,一方面能够提高光伏电池的直流输出电压(本实验系统中为:284～300 V DC),另一方面在一定程度上可以得到稳定的直流母线电压,直接带直流负载;双向DC/DC变换器可对高压侧和低压侧电压进行双向流动,其高压侧与单向DC/DC输出母线并联,低压侧与锂电池组串联;锂电池组由16块锂电池单体构成,输出额定电压49.6 V,电压上限为54 V。

该系统具有以下特点:

1) 锂电池具有长循环寿命、能量密度大、自放电率低、安全性等特点[7-8],因此该系统选用锂电池代替传统的蓄电池,减小电池组体积,提高了实验效率。

2) 锂电池组通过双向变换器进行充放电,控制简单,系统结构简单,系统体积小。此外,锂电池组与主电路通过双向变换器连接,在一定程度上可对锂电池进行保护。

3) 系统通过切换两个变换器的工作模式,实现系统在多个状态下运行。

4) 由于NI设备的引入,可提高系统的安全性,在检测上更加精确快速,在系统运行时,能方便的对电路中运行参数波形进行实时观测,有利于系统的长期稳定运行。

1.2 系统的工作模式

当独立光伏发电系统正常工作时,单向DC/DC工作在MPPT模式,实现了最大功率输出。双向DC/DC工作在Boost模式下,锂电池组通过双向变换器可为直流母线提供稳定电压。因而结合实际的光照、温度、储能系统的荷电状态等因素对光伏发电的影响,本文提出以下5种系统工作模式。

模式Ⅰ:当光伏输出功率PPV≥负载功率Po且电池电压UB≤UB-max时,此时光伏为负载供电,单向DC/DC工作在恒压模式,双向DC/DC工作在Buck模式向锂电池充电,其中UB-max=52 V,为锂电池的过充电压。

模式Ⅱ:当光伏输出功率PPV≥负载功率Po且电池电压UB≥UB-max时,单向DC/DC工作在恒压模式,双向变换器关机。

模式Ⅲ:当PPV

模式Ⅳ:当PPV

模式Ⅴ:当PPV

2 系统数据采集及控制

2.1 系统软件的实现

在长时间运行下,锂电池组单体电压会出现过低的情况,当某个单体电池出现长时间电压过低,会使该单体电池成为“落后电池”,该“落后电池”的荷电状态会严重减弱,寿命大大缩短,并且会影响整个电池组的正常工作,造成恶性循环[7-8]。而LabVIEW软件开发速度快,维护简单,加之与其配套的NI产品,采用无缝连接,大大提高了分布式光伏系统异常检测效率[9-10]。因此,在实验系统中,使用LabVIEW软件在数据采集方面的快速性和精确性,可明显降低“落后电池”出现的概率,提高系统的准确性,延长储能系统的使用寿命。此外,利用LabVIEW软件优势,本实验中完成了在数据采集以及输出控制信号方面的人机交互界面,用户可以方便观测系统中数据和波形的变化。储能系统的控制结构示意图如图2所示。

2.2 系统控制部分的实现

该系统采用NI公司的产品NI-PCI-6251数据采集卡[11]。NI-PCI作为16位高速板卡可实现对大容量数据的传输。该实验系统采用其自带的16路(1.25 MS/s)模拟量输入通道,实现对各单体电池电压的检测以及对主电路中的直流母线电压、电流进行实时监控;24路(2.8 MS/s)数字输出通道,实现对多个继电器的控制,到达控制电路与主电路的电气隔离以及对电路通断和系统工作模式切换的目的。依据本文对该系统制定的工作模式,在本实验平台控制策略的具体实施，如下所述:

1) 单向DC/DC变换器与双向DC/DC变换器的开机、关机状态由连接变换器的接触器进行控

制,对于驱动电路与主电路的电气隔离与控制,由继电器来实现。

2) 在LabVIEW软件的控制面板中,通过比较环节构成闭环控制结构,如对Boost电路的输出直流电压进行采样(采样频率1000 Hz),作为实际参考量,用户可在人机交互界面对该电压值的上限值进行定义,作为比较量。

3) 比较器的输出信号放入数组,作为单向、双向DC/DC变换器的开关量。通过FOR循环结构等待继电器驱动信号。

4) 该系统中还设有手动切除和接入操作,用于驱动电路和主电路的调试。

该系统的控制结构如图3所示。

3 实验结果及分析

为了验证本文提出的系统能量管理控制策略的有效性,在各工作模式正常运行时,瞬间增大负载,对负载电流io、电池电流iB进行了实时监控。

1) 工作模式Ⅰ,瞬间增大负载,负载电流io、电池电流iB波形如图4所示，UB≤UB-min,电池不充电也不放电,光伏为负载提供能量;UB-min

2) 工作模式Ⅱ,UB≥UB-max电池不充电,iB=0,io波形如图4(a)所示。

3) 工作模式Ⅲ,UB≤UB-min时,此时光伏能量不足，电池不能放电,切除负载且io、iB都为零。

4) 工作模式Ⅳ,UB-min

5)工作模式Ⅴ,UB≥UB-max,光伏的能量小于负载需要的能量,电池放电,波形与图5相同。

图3 LabVIEW软件系统控制图

图4 工作模式Ⅰ波形

图5 工作模式Ⅳ波形

4 结 语

本文提出了将LabVIEW软件和NI软硬件结合的方式应用到分布式光伏发电的能量管理系统中,其核心是通过NI-PCI的双向I/O口将板卡采集到的数据进行分析,并通过所提出的控制策略做出相应动作,对光伏发电系统的离网运行以及储能系统的充放电进行控制,从而实现系统能量管理;通过应用NI控制器的高精度性以及LabVIEW软件的数据流程序,对锂电池组进行实时监测,以提高安全性和快速响应。最后,通过现有的硬件系统对该方法进行了验证,其结果表明,该方法有效可行。

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(责任编辑 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。

孙富荣(1978—),男,助理工程师,研究方向为电网运维检修、配电网规划。

TM615

A

2095-6843(2016)02-0131-04