林区生态观测站光储单元协调控制器设计_曹慧颖.pdf

林区生态观测站光储单元协调控制器设计*曹慧颖1,刘素梅1,谢丽霞1,彭角奎1,赵泽宇1,金一凡1,刘 刚2(1.北京林业大学,北京1 0 0 0 9 1;2.华北电力大学,北京1 0 2 2 0 6)摘 要:在现有林区生态观测站中,存在着蓄电池频繁充放电影响自身寿命和系统运行效率低等问题。针对这些问题,设计了基于D S P+F P G A硬件控制架构的光储能单元协调控制器。该控制器根据林区光照特点与负荷用电需求,将光储单元与负荷的功率作为协调控制判据,采用多工作模式组合的协调控制方法,确保在系统电压稳定前提下实现尽量优先利用光伏电池直接为负荷供电,同时在光照充足时蓄电池进行下垂充电和三阶段快速充电,以均衡蓄电池S O C,提高系统续航能力。最终,经硬件在环实验,验证了所设计控制器的有效性。关键词:光储单元;协调控制器;林区生态观测站;控制模式;三阶段充电中图分类号:TM 9 1 2 D O I:1 0.1 9 7 6 8/j.c n k i.d g j s.2 0 2 3.0 2.0 3 5D e s i g no fC o o r d i n a t e dC o n t r o l l e ro fP h o t o v o l t a i cS t o r a g eU n i t o fF o r e s tE c o l o g i c a lO b s e r v a t i o nS t a t i o n*C AO H u i y i n g1,L I US u m e i1,X I EL i x i a1,P E N GJ i a o k u i1,Z HAOZ e y u1,J I NY i f a n1,L I UG a n g2(1.B e i j i n gF o r e s t r yU n i v e r s i t y,B e i j i n g1 0 0 0 9 1,C h i n a;2.N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y,B e i j i n g1 0 2 2 0 6,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h ee x i s t i n gf o r e s t e c o l o g i c a l o b s e r v a t i o ns t a t i o n s,t h e r ea r es o m ep r o b l e m s,s u c ha s f r e q u e n tb a t t e r yc h a r-g i n ga n dd i s c h a r g i n g,a f f e c t i n g t h e s e r v i c e l i f e a n d l o ws y s t e mo p e r a t i o ne f f i c i e n c y.T o s o l v e t h e s ep r o b l e m s,a c o o r d i n a t e dc o n t r o l l e ro f o p t i c a l e n e r g ys t o r a g eu n i t b a s e do nD S P+F P G Ah a r d w a r e c o n t r o l a r c h i t e c t u r e i sd e s i g n e d i n t h i sp a p e r.A c-c o r d i n gt o t h e l i g h t i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n d l o a dp o w e r d e m a n do f t h e f o r e s t a r e a,t h e c o n t r o l l e r t a k e s t h ep o w e r o f t h eo p t i-c a l s t o r a g eu n i t a n dt h e l o a da s t h ec o o r d i n a t e dc o n t r o l c r i t e r i o n.T h ec o o r d i n a t e dc o n t r o lm e t h o do fm u l t iw o r k i n gm o d ec o m b i n a t i o n i sa d o p t e dt oe n s u r e t h a tu n d e r t h ep r e m i s eo f s t a b l e s y s t e mv o l t a g e,p r i o r i t y i sg i v e n t o t h eu s eo f p h o t o v o l-t a i cc e l l s t od i r e c t l ys u p p l yp o w e r t ot h e l o a d.A t t h es a m et i m e,w h e nt h e l i g h t i ss u f f i c i e n t,t h eb a t t e r yw i l lb es a g g e da n dc h a r g e dr a p i d l y i nt h r e es t a g e s t ob a l a n c e t h eb a t t e r yS O Ca n d i m p r o v e t h es y s t e me n d u r a n c e.F i n a l l y,h a r d w a r e-i n-t h e-l o o pe x p e r i m e n t sv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so f t h ed e s i g n e dc o n t r o l l e r.K e yw o r d s:p h o t o v o l t a i cs t o r a g eu n i t;c o o r d i n a t i o nc o n t r o l l e r s;f o r e s te c o l o g i c a lo b s e r v a t i o ns t a t i o n s;c o n t r o lm o d e;t h r e e-s t a g ec h a r g i n g基金项目:北京林业大学“北京市级大学生创新创业训练计划”(编号S 2 0 2 1 1 0 0 2 2 0 9 4)收稿日期:2 0 2 2-0 3-0 40引言随着我国生态文明建设的逐步落实,“智慧林业”等生态战略相继被提出1-3,这使得用于生态信息采集的生态观测站在林区正得到大范围建设与应用。鉴于林区光照相对较充足,并且光伏电池成本相对较低,目前大多数生态观测站采用光伏电池与蓄电池相组合的发电单元作为供电电源。现有生态观测站的光储单元通常先将光伏电池收集的电能送至蓄电池,再由蓄电池为负荷提供电能4-5。这种电能收集与利用方式虽然较为简单,但是存在如下缺陷:林区遮挡现象造成光照不稳定,光伏电池输出功率时高时低,容易引发蓄电池频繁地在充放电之间切换,从而影响蓄电池寿命;光伏电池收集的电能需经蓄电池才能送至负荷端,蓄电池充放电所产生的功率损耗将影响系统运行效率,同时仅利用蓄电池为负荷供电,导致光储单元的续航能力完全受限于蓄电池容量;生态观测站往往存在多个蓄电池组,若无法实现荷电状态平衡,则可能导致某些蓄电池组 深 度 放 电 或 过 度 充 电,会 影 响 蓄 电 池 使 用 寿命6。如何对微电网光储单元协调控制,使得蓄电池均衡充放电,保证微电网功率平衡和电压稳定,变得至关重要7-8。然而,目前涉及光储单元协调控制的研究主要针对容量相对较大的微电网系统9,就经济性以及算法的复杂程度而言,并不适用于小容量光储发电单元。对于林区生态观测站来说,其生态监测用传感器对电压波动十分敏感,因此目前已有光伏电池和蓄电池的控制策略并不能很好地满足林区生态观测站的用电需求。针对林区生态观测站光储发电单元,其协调控制不仅需要考虑负荷对电压波动敏感的问题,还需要考虑林区植被遮盖导致光照时长短且随机变化强的特有问题。为了在611电工技术 电力设备 光照时长较短的情况下,确保发电单元的续航能力,需着重对蓄电池充电控制进行优化设计。文献1 0-1 1 针对独立光伏发电单元,提出采用恒流-恒压两阶段充电,以实现蓄电池的快速充电。而文献1 2 指出蓄电池浮充控制可实现对蓄电池的最大容量充电。因此,为了能够实现快速 充 电,并 尽 可 能 确 保 蓄 电 池 容 量 得 到 有 效 利用,恒流-恒压-浮充三段式充电更适用于生态观测站的光储发电单元。当微电网独立运行时,往往需要配备多组储能单元进行功率调节以实现系统稳定,优化复合储能分配,有效发挥各储能单元的能效。文献1 3 提出一种基于离散一致性算法的直流微电网电压控制策略,蓄电池采用恒压控制,既能够维持母线电压恒定,又能够防止端口电流过大从而缩短蓄电池使用寿命。文献1 4 提出了将蓄电池荷电状态(S t a t eo fC h a r g e,S O C)和下垂系数结合,使蓄电池充放电能量均衡。因此,为了实现能量均衡,选择采用荷电状态下垂控制蓄电池充放电。文献1 5 提出可以考虑微电网各个运行状态对蓄电池的不同需求,按照其状态划分为不同工作模式。综上,为了解决生态观测站光储发电单元传统供电模式存在的系统运行效率低、储能系统利用率低、蓄电池频繁充放电导致寿命缩短等问题,本文结合林区光照条件与生态观测站负荷用电需求,设计一种多工作模式组合的协调控制器。硬件方面采用D S P+F P G A控制架构,D S P芯片主要实现光储单元协调控制算法,而F P G A芯片作为调制波发生器驱动光储单元中变换器。软件算法设计方面,将光伏电池输出功率与负载吸收功率的差值、蓄电池剩余负荷状态作为协调切换控制判据,根据光照情况和负载的用电需求,提出采用多模式组合的协调切换控制方法,实现有光照时尽量由光伏电池直接为负荷供电,在光照充足时蓄电池进行均衡快速充电,同时避免所有蓄电池不间断工作,从而减少蓄电池的总充放电次数和时长。1光储发电单元协调控制器的硬件设计林区生态观测站的光储发电系统的拓扑结构如图1所示,由光伏阵列、蓄电池、直流负载、交流负载、各级变换器组成。光伏阵列与蓄电池分别经单向D C/D C变换器、双向D C/D C变换器接入直流母线。图1系统的拓扑结构图基于D S P+F P G A控制架构的协调控制器对硬件要求不高,以 常 见 的TM S 3 2 0 F 2 8 1 2芯 片(D S P)和C y c l o n eE P 2 C 8 Q 2 0 8 C 8(F P G A)芯片为核心,协调控制器的硬件结构框图如图2所示。其中,TM S 3 2 0 F 2 8 1 2芯片利用A D模块采集光储发电单元与负荷的电流和电压信息,通过计算分析,得到光伏电池输出功率与负载功率信息,进一步根据各单元功率情况,对光伏电池与蓄电池的工作模式进行组合,以实现多模式组合的协调控制算法。A D模块的采样工作模式选择级联模式下的顺序采样,用定时器T 1启动A/D转换,采样频率为6.2 5MH z,先将每次采样的数据保存起来,然后采样1 0次之后取平均值,作为一次准确采样结果。同时,A/D模块也将采集蓄电池的端电压用以判断S O C状态,避免蓄电池过充或者过放。图2协调控制器的硬件结构框图C y c l o n eE P 2 C 8 Q 2 0 8 C 8芯片主要将多模式组合的协调控制算法所产生的控制信号转为D C/D C变换器的驱动信号