基于超级电容储能的光伏发电系统开放性实验平台的制作方法

本发明属于新能源应用技术领域，具体涉及一种基于超级电容储能的光伏发电系统开放性实验平台。

背景技术：

随着节能减排呼声的日益高涨，光伏发电技术应用领域也日加广泛。但光伏发电系统发电功率的间歇性和不确定性给光伏并网工作带来了严峻的挑战。当前，为了实现对光伏发电功率间歇性和不确定性的补偿，多采用蓄电池储能系统。然而蓄电池储能系统寿命低、重量大，在特殊应用环境中还需配备七氟丙烷消防系统，如大型远洋船舶，经济性较差。

为了解决蓄电池储能系统在新能源技术上的缺陷，将超级电容替代蓄电池作为系统的功率缓冲装置必将成为未来光伏并网电力系统的发展趋势。然而，超级电容储能系统的引用需要设计合理充放电控制策略以实现对光伏输出功率波动的补偿、延缓光伏大功率突变时光伏并网功率变化趋势和在并网端短路故障时增强光伏低压穿越能力等功能。另外，目前能量管理系统设计不够合理，未能优化超级电容的容量，限制了整个系统的经济性和可靠性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于超级电容储能的光伏发电系统开放性实验平台，负载工况的自定义设计有助于光伏发电系统对不同工作环境的实验需求，为光伏并网电力系统的推广提供实验支持。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于超级电容储能的光伏发电系统开放性实验平台，其特征在于：它包括通过网络相互通讯的主设备模块和上位机模块；其中，

主设备模块包括直流母线，直流电源和功率散耗器分别与直流母线连接，以及超级电容通过dc/dc变换器与直流母线连接；

上位机中设有控制系统，用于实现光伏发电工况、负载运行工况和dc/dc变换器控制策略的设计优化；控制系统中设有光伏发电系统模型、mppt模型和负载功率调理算法，通过输入太阳辐射量、环境温度和负载工况，输出直流电源输出功率和功率散耗器功率曲线，经网络传送至主设备模块，实现对直流电源和功率散耗器的控制；实时监测直流母线和超级电容的电压/电流，通过控制系统所设计的dc/dc变流器的控制算法，输出dc/dc变流器占空比，控制主设备模块中的dc/dc变流器。

按上述方案，所述的负载功率调理算法，具体为：对所选负载工况的功率曲线进行处理，实现改变负载瞬时功率突变量、延长负载在某一功率等级运行时间、增强负载在某一频率上的功率波动的工况模拟，为超级电容dc/dc变换器的控制策略的设计和优化提供实验条件。

按上述方案，所述的主设备模块设置2组电压、电流采集卡，分别实时采集超级电容输出端和直流母线端的电压、电流信号；

超级电容输出端的电压、电流信号采集到控制系统中根据离散状态空间模型计算出超级电容荷电状态soc；

直流母线端的电压、电流信号与计算所得的超级电容荷电状态soc一起作为超级电容dc/dc变换器的控制策略和光伏/超级电容能量管理系统的设计及优化提供数据支持。

按上述方案，所述的离散状态空间模型具体为：

u(k)＝r1i(k)+f[soc(k)]+v(k)(2)

式中i(k)、u(k)分别为超级电容输出端电流、电压信号，uc(k)为k时刻超级电容开路电压，soc(k)为k时刻超级电容荷电状态，uc(k+1)为k+1时刻超级电容开路电压，soc(k+1)为k+1时刻超级电容荷电状态，q0是超级电容的额定容量，δt为采集步长，r1是超级电容等效串联电阻，r2为超级电容等效并联电阻，c为超级电容的理想电容，f[soc(k)]为超级电容soc与端电压的非线性函数关系，状态变量为为一些不可测的随机变量对状态量的干扰，v(k)是超级电容端电压的测量噪音。

按上述方案，所述的主设备模块与上位机采用以太网通讯，具体通过设备端的lan接口、路由器、网线与上位机模块相连，建立局域网，实现上位机模块对主设备模块的控制。

按上述方案，所述的控制系统内设报警平台，通过对直流母线电压、功率散耗器及直流电源的工作功率和超级电容荷电状态soc和超级电容输出电压进行监控，当其中任一参数超出设定范围，自动引发报警，显示在控制系统的前面板中。

按上述方案，当控制系统触发报警时，立即启动系统保护：控制系统同时向直流电源、dc/dc变换器发出停止运行指令；一定时间后，控制系统关闭功率散耗器。

按上述方案，所述的控制系统为labview控制系统。

按上述方案，所述的一定时间为3s。

本发明的有益效果为：通过在控制系统中编写自定义光伏工况、负载工况以及dc/dc变换器控制策略，满足对基于超级电容储能的光伏发电系统的超级电容充放电控制策略和能量管理系统设计优化的实验需求，为光伏并网电力系统的推广提供实验支持。

附图说明

图1为本发明一实施例的系统框架图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种基于超级电容储能的光伏发电系统开放性实验平台，包括通过网络相互通讯的主设备模块和上位机模块；其中，

主设备模块包括直流母线，直流电源和功率散耗器分别与直流母线连接，以及超级电容通过dc/dc变换器与直流母线连接。

上位机中设有控制系统，用于实现光伏发电工况、负载运行工况和dc/dc变换器控制策略的设计优化；控制系统中设有光伏发电系统模型、mppt模型和负载功率调理算法，通过输入太阳辐射量、环境温度和负载工况，输出直流电源输出功率和功率散耗器功率曲线，经网络传送至主设备模块，实现对直流电源和功率散耗器的控制；实时监测直流母线和超级电容的电压/电流，通过控制系统所设计的dc/dc变流器的控制算法，输出dc/dc变流器占空比，控制主设备模块中的dc/dc变流器。

所述的负载功率调理算法，具体为：对所选负载工况的功率曲线进行处理，实现改变负载瞬时功率突变量、延长负载在某一功率等级运行时间、增强负载在某一频率上的功率波动的工况模拟，为超级电容dc/dc变换器的控制策略的设计和优化提供实验条件。

所述的主设备模块设置2组电压、电流采集卡，分别实时采集超级电容输出端和直流母线端的电压、电流信号；超级电容输出端的电压、电流信号采集到控制系统中根据离散状态空间模型计算出超级电容荷电状态soc；直流母线端的电压、电流信号与计算所得的超级电容荷电状态soc一起作为超级电容dc/dc变换器的控制策略和光伏/超级电容能量管理系统的设计及优化提供数据支持。

所述的离散状态空间模型具体为：

u(k)＝r1i(k)+f[soc(k)]+v(k)(2)

式中i(k)、u(k)分别为超级电容输出端电流、电压信号，uc(k)为k时刻超级电容开路电压，soc(k)为k时刻超级电容荷电状态，uc(k+1)为k+1时刻超级电容开路电压，soc(k+1)为k+1时刻超级电容荷电状态，q0是超级电容的额定容量，δt为采集步长，r1是超级电容等效串联电阻，r2为超级电容等效并联电阻，c为超级电容的理想电容，f[soc(k)]为超级电容soc与端电压的非线性函数关系，状态变量为为一些不可测的随机变量对状态量的干扰，v(k)是超级电容端电压的测量噪音。

所述的主设备模块与上位机采用以太网通讯，具体通过设备端的lan接口、路由器、网线与上位机模块相连，建立局域网，实现上位机模块对主设备模块的控制。

所述的控制系统内设报警平台，通过对直流母线电压、功率散耗器及直流电源的工作功率和超级电容荷电状态soc和超级电容输出电压进行监控，当其中任一参数超出设定范围，自动引发报警，显示在控制系统的前面板中。当控制系统触发报警时，立即启动系统保护：控制系统同时向直流电源、dc/dc变换器发出停止运行指令；一定时间(本实施例设定为3s)后，控制系统关闭功率散耗器。

本实施例中，所述的控制系统为labview控制系统，该控制系统具有二次开发功能。

本发明的原理：通过labview控制系统控制设计光伏发电模型和mppt模型对直流电源进行控制，使其输出功率具有光伏功率特性。采用labview控制系统设计负载功率调理算法实现对不同工作环境的工况模拟。通过采集主设备模块中超级电容端和直流母线端的电压、电流信号，计算出超级电容的荷电状态，并为dc/dc变流器的控制策略和储能容量优化和光伏/超级电容能量管理系统的设计及优化提供数据支持。直流电源输出功率由labview控制系统控制，通过在labview控制系统设计光伏发电系统和mppt模块，通过输入的太阳辐射量和环境温度，输出直流电源输出功率信号经以太网控制直流电源工作，实现其对光伏电源的模拟。

本发明装置特点：针对基于超级电容储能的光伏发电系统，提供一种基于labview控制系统的开放性研究平台，该实验平台支持光伏发电模型、负载功率曲线模型、超级电容控制策略和混合电力系统能量管理优化的二次开发，适用光伏发电系统在对多种不同工作环境的实验需求。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。