光伏发电与储能一体化实验装置

张 强，张敬南，姚绪梁

（哈尔滨工程大学 智能科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

进入21 世纪以来，新能源发电技术突飞猛进、在工业、农业、军事等诸多领域中被广泛应用，成为推动经济发展、社会进步的关键科技力量之一。面对新能源发电技术的现状和未来需求，许多高等院校也将新能源发电相关知识体系纳入到对应学科和专业的课程体系中[1-3]，开设了“新能源与分布式发电”“新能源发电技术”“太阳能发电技术”等课程。

从这些课程的教学内容构成来看，虽然也包含基础理论知识，但更多的是基于实际工程和技术的需求，侧重专业知识的融合、贯通与应用。在理论授课的基础之上，都设置有对应的实验或实践教学环节。

与传统的专业课程相比，新能源发电技术类的课程开设时间较短，还没有形成体系化的教学流程和教学要求，各个院校都是依据自身的办学定位、专业特色及师资力量来自行决定具体的课程内容。这导致新能源发电技术类课程缺乏统一的实验教学大纲，也无法购置到能够很好地满足自身教学需求的实验仪器和设备。因此，各个高校大多依靠自行研制的实验装置来开展相关的实验与实践教学[4-9]。例如，河北大学研制了光伏发电虚拟仿真实验教学平台[4]、华北电力大学研制了新能源接入的多机电力系统实验平台[5]、天津大学研制了新能源利用综合演示实验平台[6]。但是自制的实验设备存在以下问题，限制了实验教学效果：①设备功能有限，只能完成指定的实验内容，缺乏可拓展性，难以与其他专业课程实验交叉融合，不能为大学生的创新创业活动及研究生的深层次科研实验提供支撑；②多为功能验证或演示性设备，学生参与的深度有限，无法满足培养学生能力的需求。

与新能源发电技术有关的设备和装置多种多样，但是光伏发电目前应用最为广泛、技术成熟且适合在实验教学环境下使用，同时考虑到光伏和储能相结合的技术发展趋势，本文以培养学生在光伏发电和储能技术领域分析、解决实际工程问题的能力为目标，设计了一种以DSP 为控制核心，由光伏电池、蓄电池和模块化电路构成的一体化实验装置。

1 实验装置总体方案设计

从电气专业的知识体系构成来看，光伏发电和储能技术涉及电力电子技术、自动控制原理、单片机技术、数字信号处理、软件编程等多门专业知识，为了实现对学生综合运用专业知识分析、解决问题能力的培养，本文设计的实验装置所能完成的实验内容主要包括：

（1）光伏电池输出电能的电力变换、最大功率点跟踪控制策略的设计；

（2）储能装置的充放电电路及充放电控制策略设计；

（3）控制算法和控制策略的软件编程及数字化实现；

（4）数据采集及数字信号处理。

光伏电源和储能装置在实际的低压、直流供电环境中应用较多，结合教学实验侧重于技术验证的特点，本文对实验装置的主电路拓扑结构提出了直流、低压、小功率的设计指标。

依据实验内容和实验指标，并且考虑到与其他课程实验的融合及后续的功能拓展，实验装置采用了模块化硬件拓扑结构和开放式软件构架的总体设计方案。

模块化硬件拓扑的结构框图如图1 所示。DC-DC升压单元、DC-DC 降压单元、光伏单元、储能单元构成了主电路；数据采集单元、控制单元、显示单元、通信单元、驱动单元构成了控制电路。在主电路中各个单元的端口1～6 之间，可根据实验内容的需求灵活连接，以实现不同的实验内容。

图1 模块化硬件拓扑的结构框图

2 模块化单元设计

1）DC-DC 升压单元。

DC-DC 升压单元主电路采用标准的boost 电路，电路结构如图2(a)所示。其中，端口1 为输入端口，输入电压允许范围为0～48 V；端口2 为输出端口，输出电压可调范围为0～60 V。电路中的器件参数和型号如表1 所示。

表1 主电路参数及器件型号

2）DC-DC 降压单元。

DC-DC 降压单元主电路采用标准的buck 电路，电路结构如图2(b)所示。其中，端口3 为输入端口，输入电压允许范围为0～60 V；端口4 为输出端口，输出电压可调范围为0～48 V。电路中的器件参数和型号参见表1。

图2 主电路结构图

3）光伏和储能单元。

光伏单元由光伏电池构成，依据DC-DC 升压和降压单元主电路的设计参数，结合现有光伏电池的常见规格，光伏电池的开路电压可选范围为10.5～43 V，峰值功率可选范围为5～100 W。

储能单元由蓄电池构成，可以选用常见的各种铅酸电池、锂电池等，其最大额定电压为48 V，充放电过程中的最大瞬时功率不超过100 W。在实验中，储能单元也可以选用超级电容器等其他形式的储能器件。

4）控制单元。

为了实现所设计的实验功能，要求控制单元必须具备A/D 转换、I/O 数字量输入/输出、数据通信等硬件资源及快速、强大的数据处理能力。TI 公司的DSP处理芯片TMS320F28335 的主频时钟频率最高可达150 MHz，可以编程设定系统的运行频率，拥有高性能的32 位CPU，集成了IEEE 754 单精度浮点单元（FPU），适用于数据处理；片内的资源丰富，包括多达18 个PWM 输出、3 个32 位CPU 定时器、3 个串口模块、16 路12 位高精度ADC 模块等。基于上述分析，将其作为实验装置的控制单元核心。

5）数据采集单元。

数据采集单元的功能是采集DC-DC 升压单元和DC-DC 降压单元的输入电压和电流、输出电压和电流及电感电流等。为了保证数据采集的精度并实现电气隔离，实验装置选用了霍尔型电压和电流传感器，分别为LEM 公司的LV25-P 和LA25-P。

电压和电流传感器输出信号调理电路的基本结构相同，如图3(a)所示。图中R1、C1 构成了RC 滤波环节，用以对输入的采样信号进行滤波，运算放大器OP07 和电阻R3、R4 组成同相放大电路，通过调节R3 和R4 的阻值可以设定放大倍数。信号调理电路采用了三端钳位二极管BAV99，实现对输出模拟电压信号的限幅。BAV99 中二极管正向导通压降是0.5 V 左右，在其管脚2 接由TL431 精密可调稳压源提供的2.5 V 电压，管脚1 接地。最终信号调理电路输出信号Output 的幅值被限制在0～3 V，满足DSP 的A/D 采集输入电压范围要求。

6）驱动单元。

DSP 的管脚输出量是电平信号，需要在控制电路与主电路之间加入驱动电路，在实现电气隔离的同时，对PWM 信号进行功率放大。实验装置利用两个高速光耦 6N137 分别实现对控制信号 PWMboost 和PWMbuck 的电气隔离。电气隔离后的两路PWM 信号再由IR2110 驱动芯片实现对MOSFET1 和MOSFET2的驱动控制，驱动电路原理图如图3(b)所示。

7）通信和显示单元。

为了便于学生对实验数据的观察和分析，实验装置设置有串行通信接口。由于DSP 的SCI 模块的通信引脚输出电平范围是0～3.3 V，而RS-232 标准为–3～–15 V 代表逻辑1，+3～+15 V 代表逻辑0，因此外部的串口无法与DSP 的SCIRXDA 和SCITXDA 直接连接，需要利用RS-232 通信芯片MAX3232 将电平进行转换，具体的串行通信电路原理图如图3(c)所示。

显示单元采用128×64 点阵的液晶显示器，可用来显示输出电压、电流等信息。

8）控制电源设计。

实验装置采用隔离型DC/DC 电源模块为控制电路提供±15 和5 V 的直流电，DC/DC 电源模块的输入电压范围为直流9～36 V，实验过程中既可以利用储能装置直接供电，也可以由外部电源供电。

基于上述设计方案研制而成的“光伏与储能一体化实验装置”如图4 所示。

图3 控制电路结构图

图4 实验装置实物图

3 实验设计

3.1 主电路设计

以光伏电池和储能装置联合运行的“光储一体化电源”实验为例，所采用的基于模块化单元的主电路结构如图5 所示。开路电压为21.5 V 的光伏单元接至DC-DC 升压单元的输入端口1；DC-DC 升压单元的输出端口2 的额定电压设为24 V，并与DC-DC 降压单元的输入端口3 连接形成24 V 直流母线；DC-DC 降压单元的的输出端口4 的额定电压设为12 V，并与外部负载连接；额定电压为24 V 的储能单元连接至24 V直流母线。

图5 光储一体化电源实验主电路结构图

3.2 程序设计

实验装置的主程序主要完成以下功能：

（1）配置DSP 资源，例如I/O、A/D、串行通信的初始化及中断设置等；

（2）控制显示单元完成液晶屏幕内容的刷新；

（3）完成与外部设备之间的串行通信。

其他控制功能主要在A/D 中断子程序中完成，主要包括：

（1）数据采集和数字滤波；

（2）判断电压、电流是否过限，若发生过限则执行保护控制；

（3）执行光伏电池的MPPT 控制算法；

（4）执行DC-DC 升压单元输出电压的控制算法，并输出MOSFET1 的控制信号；

（5）执行DC-DC 降压单元输出电压的控制算法，并输出MOSFET2 的控制信号

本文基于扰动观察法设计完成的光伏电池MPPT控制算法流程如图6 所示。图中P(k)为采样时刻光伏电池的输出瞬时功率，U(k)为采样时刻光伏电池的输出瞬时电压值，Ur为DC-DC 升压单元输出电压给定值，dU为电压增量。DC-DC 升压单元和DC-DC 降压单元均采用基于数字化增量式PI 控制器的电压电流双闭环控制策略。

图6 基于扰动观察法MPPT 控制流程图

4 实验效果

以节3 的实验方案为依据，在“新能源与分布式发电”课程实验中，由学生自行完成各个环节控制算法和控制策略的设计，并进行实验验证。在实验过程中，实验装置通过串行通信将采集到的光伏单元输出电压和输出电流传送到上位机，上位机依据获得的数据绘制出光伏电池输出电压和瞬时功率波形如图7(a)所示，MPPT 实验轨迹如图7(b)所示。数据和波形表明，实验装置上电启动后，在MPPT 控制策略的控制下，光伏电池的输出功率单调上升，最后稳定在15.8 W左右，实现了最大功率捕获。由于采用的是扰动观察法，因此稳态运行时光伏电池的输出电压和功率始终存在小幅度的波动。

图7 实验结果

图7(c)为负载功率为2 W 时，实验装置输出电压波形。启动过程中输出电压快速上升，经过超调和两个振荡周期后稳定在12 V，稳态时电压纹波小于2%，表明DC-DC 降压单元的控制器及其控制参数设计合理。稳态运行时负载所需功率明显小于光伏电池的输出功率，此时多余的能量存储到储能单元中，即储能单元处于充电状态。

图7(d)为负载功率为20 W 时，实验装置输出电压波形。稳态运行时负载所需功率大于光伏电池的输出功率，不足的能量由储能单元提供，此时储能单元处于放电状态。

通过该实验，可以加深学生对光伏发电和储能装置协调运行的理解，使学生掌握光伏电池MPPT 控制的机理，锻炼学生控制算法设计和控制策略数字化实现的能力。

除了光伏电池和储能装置联合运行的实验方案外，通过对不同主电路单元的选择及各个端口连接方式的变换，还可以开展多种形式的实验内容：①储能装置充放电实验；②光伏电池输出电能变换实验；③利用多个实验装置并联运行，模拟多分布式电源联合运行（微网）实验；④作为DC-DC 电力变换器与其他电源或装置相配合，进行电力变换实验等。

5 结语

本文设计了一种光伏发电与储能一体化实验装置，采用模块化硬件拓扑结构和开放式软件构架，为学生综合运用专业知识分析和解决新能源发电技术领域内的实际工程问题提供一个功能多样、设计灵活的实验平台。