基于LabVIEW的光伏微网实验系统设计

孙广辉，朱正伟

(常州大学微电子与控制工程学院，江苏常州 213164)

随着全球能源危机的加剧，世界各国日益重视能源可持续发展战略的实施，分布式发电技术作为可持续发展战略核心技术之一，逐渐受世界各国关注。目前，光伏微网系统配备的监控系统大多由微电网研制单位自主研发，普遍存在一些问题，比如开发环境封闭，拓展性和通用性差；不能实现网络互联和数据共享；监控数据储存采用传统的文本、Excel 和TDMS 等形式，管理查询不方便等[1]。也有不少厂商生产和提供一些适用性好、功能比较完善的组态软件产品，但普遍开发成本过高，用户需要支付不菲的使用授权费用。上述问题对我国工程教育的发展产生较大阻力，为了增强学生工程意识，结合社会需求和人才培养定位，积极构架工程实验实践系统，提出一种10 kW 的光伏微网实验系统设计方案。

1 光伏微网实验系统结构

光伏微网是指由分布式电源、储能装置、可控负荷等装置按一定运行规则汇集而成的小型发配电系统，具有联网和孤岛两种运行模式[2]。由于光伏微网在供电方面具有可靠性、安全性、可持续性等方面的优势，因此受到人们的青睐。为了能够对光伏微网的运行特性进行深入的理论和实验研究，故搭建一个小型分布式光伏微网实验系统。

图1 所示为光伏微网实验系统示意图，主要由太阳电池板、离并网逆变器、蓄电池组、监控系统等部分组成。

图1 光伏微网实验系统示意图

2 主要硬件组件

2.1 离并网逆变器

在实际应用中，光伏发电功率输出受到电池板的温度和接收的光照强度等环境因素影响，为了确保光伏发电系统工作在最大功率点，选择带有最大功率跟踪控制(MPPT)功能的逆变器[3]。依据实验系统容量及用电量情况，系统选用2 台5 kW 单相双向储能固德威逆变器完成离并网逆变控制,具体逆变器参数如表1 所示。

表1 逆变器主要参数

固德威逆变器可在室内或室外应用，控制多路太阳电池方阵对蓄电池进行充电及自动控制蓄电池对负载供电，可将太阳电池板产生的直流电合理分配，完成蓄电池模块充电、负载供电及电网供电。在负荷低谷时将光伏发电系统输出的电能进行储存，在负荷高峰时释放蓄电池储存的电能，减少对电网的负荷压力；在电网故障时，可提供220 V 交流源供给重要负载，实现离网后备供电的功能。在不同的时间段，逆变器的工作模式是不同的，早上光伏发电主要用于微网自身的能量消耗，若有多余能量则对电池充电；午间，光照强烈，在电池满充状态下，除了满足微网的能量消耗，多余的光伏能量则馈入电网，赚取一定的收益；夜间，微网的能量主要由电池提供，当电池能量无法满足微网运行时，则由电网直接向微网供电。

2.2 太阳电池板

太阳电池板主要作用是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应直接转换成直流电，作为能量采集主要组件之一，其选择对整个实验平台至关重要。目前市场上的太阳电池板种类繁多，具体种类及优缺点比较如表2 所示[4]。考虑目前市场占有率、转换效率及优缺点，最后选用弱光发电突出、采用先进的电池正面绒、空间利用率高的茂迪多晶硅太阳电池板，具体相关参数如表3 所示。

表2 不同太阳电池性能对比

表3 电池板技术参数

依据逆变器功率参数、最大输入电压、最大输入电流及路数，太阳电池板分为两方阵，每组完成5 kW 容量设计。根据逆变器功率设计容量估算每方阵需要光伏板数量为5 000÷270≈20，考虑到逆变器光伏最大输入电压和最大输入电流，最大串联电池板数量为580/31.69≈18，实验系统采用10 串联为一组，两组为一方阵与逆变器连接。

为了实验实践地址相对集中，光伏微网实验系统安装在实验室楼顶。为保证10 kW 的光伏组件稳固、增加组件抗风、防雨特性及楼顶防水，采用膨胀螺栓固定楼面形式将安装基础设计在混凝土屋顶结构中。

2.3 蓄电池

储能单元不但要保证光伏微网离网时，平滑光伏发电和负载的功率波动及提高系统稳定性，同时满足重要负载在合理时间内不断工作要求。实验平台设计交流总负载的容量为10 kW，其中重要交负载占比为25%。为了保证光伏微网紧急情况下，重要交流负载不间断工作2 h，为降低蓄电池过放率、电池高充放电倍率导致电池容量减小的影响，电池储存能量计算时适当放些余量，采用剩余电量的50%估算，从而蓄电池需要的总存储电量为10×25%×2÷50%=10 kW[5-6]。

实验平台中双向储能逆变器电池输入参数中电池额定电压为48 V，同时综合考虑电池购置成本、环保性能、维护成本及循环次数等因素，实验平台采用AGM 型蓄电池，具体电池主要参数见表4。AGM 蓄电池具有免维护、内阻小、大电流放电性能好、适应温度广、自放电小、使用方便、可循环使用也可浮充使用、环保无污染等特点。蓄电池端电压为12 V、蓄电池容量为105 Ah，则需要1 000÷12÷105≈8，逆变器电池输入电压为48 V，8 块电池采用四个串联组成一组，然后连接到逆变器。

表4 AGM 蓄电池主要参数

2.4 主要接线说明

由上述设计参数可知，本平台的系统配置为：光伏组件一共40 块，20 块组成一个方阵，每个方阵中10 块串联为一组与逆变器-光伏端口相连接；蓄电池共8 块，4 个串联为一组与逆变器电池端口连接；逆变器直接给蓄电池组充电，也可给设备供电或向电网输电。具体连接示意图如图2 所示。

图2 逆变器接线示意图

为了便于不同实验状态的应用，系统增加工作模式切换开关和控制柜。工作模式的切换由两个双电源自动转换开关控制，切换模块可自动或手动调节；一般处于自动接通市电状态，若突然停电可自动切换到离网电源端；若处于手动状态，需手动切换电源，切忌处于自动状态时手动操作。控制柜实现对两个逆变器输出电能的控制，其接线图分别如图3 所示。当市电总开断开，则系统只能工作于微网模式；若其接通，离网输出空开断开则只能工作于并网模式；若离网输出空开接通，则系统可工作于自动状态。实验系统硬件整体图如图4 所示。

图3 控制柜内部接线图

图4 实验系统硬件整体图

3 上位机软件设计

LabVIEW 是一种采用图形化编程语言，具有良好的兼容性、扩展性和丰富的数据库和函数包的软件开发环境。LabVIEW 程序采用数据流驱动，对编程能力要求相对较低，深受初级编程人员青睐，同时可以直接与真实的物理设备相连获取数据并进行分析。软件大大提高了系统工作效率，被广泛应用于工业控制、学术研究、实践教学等领域。

实验系统结构功能图如图5 所示，主要由登录模块、系统配置模块、数据采集存储模块和数据查询模块组成。

图5 软件系统设计结构功能图

为了保证实验系统硬件设备安全运行，登录模块中增设用户权限管理单元，对不同用户设置不同权限等级，满足不同层次实验对设备的控制范围。由于系统中RS485 设备较多，为避免冲突采用“一主多从”模式，同时数据采集模块采用Modbus TCP 通信协议提升Modbus 请求与响应的效率，通过LabVIEW 的数据通讯选项中的Modbus Master 模块完成设备运行状态的监控。实验系统应用SQL Server 存储系统数据，通过LabVIEW 中的“Create Date Link”选项，完成与数据库的连接并自动生成ActiveX 数据对象(ADO)访问数据库的UDL 格式文件，然后借助LabVIEW 中Database 模块实现实验系统与SQL Server 数据库的连接、管理和存储光伏微网历史数据。

LabVIEW 可以通过自带组件完成C++、Java、MATLAB等软件混合编程，便于实验教学设计。如LabVIEW 可以通过Matlabscript 组件实现与MATLAB 混合编程，将MATLAB 程序在算法运算上的优势充分融合到实验系统中[7]。实验系统既可以完成简单的电气入门实验，也可以进行大型设计型实验，同时还能满足研究型实验内容。光伏微网实验系统改变了传统的实验教学模式中脱离实际实验设备运行数据、弱化实验工程性的缺点，让学生基于真实工程环境自主探索、创新，同时克服了传统强电实验中存在的设备损坏和危害人身安全等隐患。

4 结论

为了满足工程教育培养需求，克服现在光伏微网系统缺点，积极构建10 kW 光伏微网系统，详细介绍了系统主要组成组件的选择依据和线路连接；同时为满足不同层级实验教学需求和简化实验系统数据管理，上位机中增加用户权限管理单元和采用ActiveX 数据对象(ADO)完成上位机与数据库连接。实践表明，光伏微网实验系统使理论和实际紧密结合，具有较强的工程性、复杂性和科学前沿性，对学生的创新实践能力的提升和高层次工程人才培养有着积极的作用，为光伏微网研究提供可靠的数据支持，有较大的推广和实用价值。