基于AVR单片机的直流储能微电网充放电控制系统_罗致.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 02 017基于 AV 单片机的直流储能微电网充放电控制系统罗致，黄旦莉，向环，阳维，孙柏杨(国家电网湖北省电力有限公司孝感供电公司，湖北 孝感432000)摘要:在直流储能微电网充放电控制中，动态响应往往较慢，需要花费大量时间，为此设计一种基于 AV 单片机的直流储能微电网充放电控制系统。基于 AV 单片机设计充放电控制器，将其作为控制器的微控制芯片;将控制器局域网络协议作为通信协议，选择的数据通信芯片为PCA82C250 通信芯片，实现数据通信模块设计;搭建上位机单元与存储器单元，通过 DC DC 全桥双向变换器实现回路的调控，利用离散化模块实现充放电控制器的离散化处理;设计回路调控模块，给出直流储能微电网的充电流程与放电流程，完成基于 AV 单片机的直流储能微电网充放电控制系统设计。在实际微电网中测试系统的充放电控制性能，结果表明设计系统的动态响应较快，能够实现稳定的充电与放电控制。关键词:AV 单片机;充放电控制器;直流储能微电网;充放电控制系统;变换器中图分类号:TM921 01文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)02 0083 05分布式发电(distributed generation，DG)以可再生能源为主，如生物质能、燃料电池等，在传统能源匮乏的情况下受到了全球的重视。然而这种发电方式也有一定的局限性，一旦电力系统出现故障，分布式发电就必须退出电网运行1。在这种情况下，分布式发电与其他发电方式相结合的微电网作为一种新型电网方式诞生了。作为一种“网中网”，微电网有着即插即用的特点，被认为是可控的，同时微电网也可以实现孤岛运行2。目前直流储能微电网受到学者们的广泛关注。在微电网中直流储能微电网是一种新型构成方式，相比交流微电网，直流储能微电网能够降低换流器方面的投入，保障电能质量3。对于直流储能微电网来说，其充放电控制一直是一个热点问题，对于该问题各国都非常重视。有关学者应用不平衡补偿技术、功率调节技术、波动抑制技术等对该问题进行了研究，并获得了大量的研究成果。本文对以往研究成果进行总结和深入研究，提出一种基于 AV单片机的直流储能微电网充放电控制系统，并对系统进行了现场应用。1基于 AV 单片机的直流储能微电网充放电控制系统设计1 1硬件设计1 1 1充放电控制器模块设计在充放电控制器模块中，将 AV 单片机作为充放电控制器的微控制芯片4。基于模块的功能需求，选择的 AV 单片机型号为 AT mega 1285。充放电控制器的具体硬件构成为充放电控制电路、CAN 接口电路、指示电路、拨码开关电路以及数据采集电路6。其中充放电控制电路的设计具体如图 1 所示。在 CAN 接口电路的设计中，总线收发器选择PCA82C250，通信控制器选择 SJA1000。电路主要用于对 CAN 总线进行接入。指示电路主要由 LED 电路、蜂鸣器电路构成，用于报警和对工作状态进行指示。拨码开关电路中选择的驱动器为 I2110，用于对节点地址进行设置。数据采集电路用于对剩余电量、温度、电流、电压等数据进行采集7。因此，在数据采集电路的收稿日期:2022 03 29作者简介:罗致(1971)，男，高级工程师，硕士，主要研究方向为电气工程及其自动化，lilicheanai662163 com382023 年 2 月机械设计与制造工程Feb 2023第 52 卷 第 2 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 2图 1设计的充放电控制电路设计中，需要分别对直流电流采集子电路、温度采集子电路、直流电压采集子电路以及剩余电量采集子电路进行设计。在直流电流采集子电路的设计中，使用的检测方法为霍尔元件检测法，选择的传感器为霍尔电流传感器，具体型号为 CS040GT，并通过 A/D 转换芯片进行模数转换8。在温度采集子电路的设计中，通过高精度热敏电阻采集蓄电池温度。在直流电压采集子电路的设计中，选择的测量方法为差分放大法，共设计 3 部分电路，分别为放大电路、光耦隔离电路以及分压电路。选择的信号放大器为 LM324，可放大 0 2 倍。在剩余电量采集子电路的设计中，使用的剩余电量检测方法为电量累计法、开路电压法。通过MAXIM(美信半导体)的 DS4368 芯片进行剩余电量的采样，并通过 A/D 转换芯片进行模数转换9。1 1 2数据通信模块设计在数据通信模块中，将控制器局域网络协议作为通信协议，选择的数据通信芯片为支持 CAN 通信协议的 PCA82C250 通信芯片10。数据通信模块的结构设计如图 2 所示。其中选用的通信芯片能够向 CAN 提供控制器接口以及物理总线，并且能够实施差动接收与发送。1 1 3数据存储模块设计数据存储模块能够实现直流储能微电网性能参数的存储和充电曲线的编制功能，分为上位机单元与存储器单元。为存储器单元设计一个存储芯片，该芯片由多图 2数据通信模块的结构设计个模块构成:IOMUX 模块、IOPAD 模块、SCU 数字模块、模拟电路实现模块、DFT 模块、TAP 测试接口模块、CSMT_CTL 电路模块、Flash_ctrl 电路模块、IP_CTL 模块、SAM 模块11。其中 IOMUX模块负责控制 PAD 输出信号以及 PAD 输入信号，选用的控制芯片为 SC8P1711E;IOPAD 模块负责I/O 单元的调用与集成，以实现管脚接入与信号控制，由各种 I/O 接口构成;SCU 数字模块负责接收来自 OSC 与 PO 的时钟信号和原始复位信号，使用的信号接收器是 A8296SEST T 接收器;模拟电路实现模块通过模拟比较器进行电路模拟，用于检测高压编程时管脚的电压;DFT 模块通过设置测试接口对 IP 良率(合格率)进行测试;TAP 测试接口模块通过 JTAG 访问测试端口对数据存储时的各种状态与操作进行检测;CSMT_CTL 电路模块通过串行测试接口进行串行测试;Flash_ctrl 电路模块通过信号控制器实现 Flash 存储器的信号控制;IP_CTL 模块通过 Eflash Memory IP 接口实现 IP 控制;SAM 模块用于对编程数据进行缓存，使用的缓存器为 MAX348SEESA+T。在上位机单元中，上位机选用的是2 kVA上482023 年第 52 卷机械设计与制造工程位机，使用的数据库是 MySQL 数据库。1 1 4回路调控模块设计利用变换器调控回路，选用 DC DC 全桥双向变换器。该变换器由两部分构成，分别为全桥逆变、全桥整流组。通过变换器中的全桥逆变实现能量转换，通过全桥整流组实现能量的传递，通过二者的结合实现功率流动12。在变换器中，使用的控制方法是双重移向控制。1 2软件设计1 2 1充放电模块设计在充放电模块中，分别设计直流储能微电网的充电流程与放电流程，具体如图 3 所示13。图 3充电流程与放电流程设计通过以上流程即可实现直流储能微电网充放电控制系统的充电与放电。1 2 2离散化模块设计通过离散化模块对充放电控制器实施离散化处理。通过后向差分法计算充放电控制器的离散化过程14。将充放电控制器的输入量用 e(t)来表示，输出量用 u(t)来表示，则充放电控制器的离散化过程表示为:e(t)u(t)=kp+ski(1)式中:kp为控制阈值;s 为模拟比例积分;ki为调节阈值。采用后向差分法构建对应的映射方程，具体如下:w=1+z1Ts(2)式中:w 为后向差分法的映射阈值;z 为调节阈值;Ts为采样频度15。通过后向差分法的对应映射方程对充放电控制器进行映射，获取数字充放电控制器的表达式:e(z)u(z)=kp+wski(3)通过增量式 PI 算法获取数字充放电控制器的差分方程:u(k)=u(k 1)+we(k)(kp+ki)+skie(k 1)(4)式中:u(k)为第k个采样周期对应输出量;e(k)为第 k 个采样周期对应输入量16。通过该方程可实现充放电控制器的离散化处理。通过以上离散化处理使充放电控制器能够参与数字控制过程，实现离散化模块的设计。1 2 3主程序模块设计通过主程序模块能够有效整合各功能模块的程序，同时能够合理分配各种系统资源，具体如下:分配 ADCINA0，即直流母线电压;分配 ADCINA1，即储能电池电压;分配 ADCINA2，即直流母线电流;分配 ADCINA3，即储能电池侧对应充放电电流;分配 GPIO26 27，即 D/A 转换控制信号;分配GPIO5，即继电器控制信号;分配 EPWM1A，即变换器 PWM 信号;分配 ADCINA4，即标准电阻电压。2系统应用与测试2 1直流储能微电网实验在某直流储能微电网中应用设计的基于 AV单片机的直流储能微电网充放电控制系统(下文简称设计系统)，对系统性能进行测试。直流储能微电网实验由本地负载、交流电网、储能单元、分布式发电单元、并网变换器构成。其中储能单元由超级电容与蓄电池构成;分布式发电单元由燃料电池、风机、光伏阵列构成。蓄电池的参数具体如下:充放电效率为 0 75，容量投资费用为 332 元/(kWh)，功率投资费用为 134 元/kW，运维费用为 0 021 元/(kWh)，使用年限为 30 a，最小荷电状态为 0 3，最大荷电状态为 1 0。风力发电机参数具体如下:单台功率为 42 W，安装高度为 12 m，切出风速为 26 m/s，切入风速为5 m/s，投资费 用 为 32 万 元/kW，运 维 费 用 为0 032 1元/(kWh)，使用年限为 20 a。光伏组件参数具体如下:组件功率为 2 kW，地表倾斜角为 0，温度系数为 0 009，投资费用为7 254元/kW，运维费用为0 015 2 元/(kWh)，使用年限为 25 a。并网变换器的参数具体如下:整流效率为582023 年第 2 期罗致:基于 AV 单片机的直流储能微电网充放电控制系统0 85;逆变效率为 0 98;投资费用为 3 200 元/kW;运维费用为 0 03 元/(kWh);使用年限为 30 a。2 2放电控制功能分析利用设计系统对直流储能微电网进行放电控制实验。在直流侧连接300 V 直流电源，以模拟超级电容器组，利用设计系统向电网进行电流馈入。对设计系统控制下的放电波形进行测试，其中放电模型启动后的波形如图 4 所示。在启动后，放电电流会在某个瞬间突增。图 4放电模型启动后的波形根据图 4 放电电流波形与 a 相电网电流波形可知，设计系统能够实现稳定的放电控制，同时其动态响应较快。在超调量为 100 V 时，放电模式的稳态实验波形如图 5 所示。图 5在超调量为 100 V 时放电模式的稳态实验波形图 5 同样证明了设计系统能够实现稳定的放电控制，且放电电流波形与 a 相电网电流波形能够保持平衡。2 3充电控制功能分析利用设计系统对直流储能微电网进行充电控制实验。在直流侧连接电阻负载，以模拟超级电容器组。在充电模式下，负载电流会在某个瞬间突增，启动后一段时间的电流波形如图 6 所示。图 6启动后一段时间的电流波形由图可知，在充电模式下，设计系统能够实现稳定的充电控制且其动态响应较快。在超调量为 100 V 时，充电模式的稳态实验波形如图 7 所示。图 7在超调量为 100 V 时充电模式的稳态实验波形由图可知，在超调量为 100 V 时，设计系统能够实现稳定的放电控制，证明了设计系统的可靠性。3结束语本文在直流储能微电网中设计了一种基于AV 单片机的直流储能微电网充放电控制系统，实现了稳定的微电网充放电控制，对于直流微电网未来的发展与普及具有重大意义。未来将会对该系统进一步改进，使其更符合直流储能微电网的发展趋势。682023 年第 52 卷机械设计与制造工程参考文献:1李春兰，任鹏，王长云，等 微电网中蓄电池充放电非线性控制策略研究 J 农业工程学报，2020，36(8):156 164 2马越超，王生铁，刘广忱，等 基于虚拟直流发电机的风储直流微