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,主要由通信模块、分频器模块、载波发生模块和调制处理模块组成。通信模块主要实现与D S P芯片通信。分频器模块通过接收、处理D S P提供的高频脉冲信号,向F P-G A系统提供相对低频的脉冲信号,用于载波的发生与调制波的处理。载波发生模块接收分频器产生的低频脉冲,向调制处理模块提供1 0k H z的载波信号,载波幅值为7 5。调制处理模块接收载波与调制波,处理后产生PWM波输出至D C D C控制端。上述D S P芯片与F P G A芯片之间采用2根地址线和4根数据线,通过D S P的外部扩展接口实现通信。F P G A接收并处理D S P发送来的调制信号数据帧,并向调制处理模块输出调制波。数据帧的接收信号由D S P产生,D S P检测到一次信号时通过并行G P I O口接收一帧数据,数据帧包含地址、数据两个信息。在数据线位数有限的情况下,为保证F P G A能够高速准确地接收4路电压信息,采用1 0位并行同步通信方式,数据帧及触发信号格式如图3所示。其中,S C L提供触发脉冲,a d d r 01提供4路电压地址,d a t a 06提供电压信息。在S L C上升沿更新9位数据帧寄存器,根据数据帧寄存器中高2位的地址,将数据帧低7位送往对应的寄存器生成调制波。图3 D S P芯片与F P G A芯片之间通信的数据格式2协调切换控制方法及其实现与小容量光储单元光伏阵列采用M P P T控制、蓄电池采711电力设备 电工技术 用恒压控制的传统单一控制方法不同,本文所提多工作模式组合的协调控制方法,在考虑林区植被遮盖导致光照时长短且随机变化强、负荷对电压波动敏感问题基础上,遵循“尽可能减少蓄电池充放电次数、最大程度利用太阳能”的设计原则,针对不同光照情况及蓄电池1和蓄电池2的S O C状态,通过对光伏电池的M P P T控制模式与恒压控制模式、蓄电池的下垂充放电模式、三阶段快速充电控制模式与恒压放电模式进行优化组合,共设计7种组合模式,如图4所示。Pp v-光伏最大输出功率;Pl o a d-负载总功率;Pl o a d 1-重要负载功率图4系统的工作模式 (1)若光伏电池最大输出功率大于负载消耗总功率,且蓄电池1和2均未达到充电上限,则光伏电池运行于恒压控制模式,蓄电池1、2进行下垂充电,平衡蓄电池1和2的S O C值,抑制蓄电池过度充电。(2)若光伏电池最大输出功率大于负载消耗总功率,且蓄电池1或2已达到充电上限,则光伏电池仍运行于恒压控制模式,同时达到充电上限的蓄电池处于浮充模式,确保蓄电池进行最大容量充电。未达到充电上限的蓄电池进行恒流-恒压-浮充三阶段充电,实现尽可能在光照充足时快速完成充电。(3)若光伏电池最大输出功率大于负载消耗总功率,且蓄电池1和2均达到充电上限,则光伏电池运行于恒压控制模式,而蓄电池1和2处于浮充模式,确保进行最大容量充电。(4)若光伏电池最大输出功率小于负载消耗总功率,且蓄电池1和2均未达到放电下限,则光伏电池工作在最大功率追踪模式,尽可能地最大程度利用太阳能;蓄电池1和2进行下垂放电,平衡蓄电池1和2的S O C值,抑制蓄电池过度放电。此情况下,蓄电池1和2与光伏电池共同为负载供电。(5)若光伏电池最大输出功率小于负载消耗总功率,且蓄电池1或2已达到放电下限,则光伏电池工作在最大功率追踪模式,尽可能地最大程度利用太阳能;同时未达到放电下限的蓄电池采用恒压放电控制,以维持母线电压稳定。达到放电下限的蓄电池切断停机。此情况下,未达到放 电 下 限 的 蓄 电 池 与 光 伏 电 池 共 同 为 负 载供电。(6)若光伏电池最大输出功率小于负载消耗总功率,但大于重要负载消耗功率,且蓄电池1和2均达到放电下限,则光伏电池工作在最大功率追踪模式,尽可能地最大程度利用太阳能;蓄电池1和2切断停机;切除重要负载外的 其 他 负 载。此 情 况 下,光 伏 电 池 单 独 为 重 要 负 载供电。(7)若光伏电池最大输出功率小于重要负载消耗功率,且蓄电池1和2均达到放电下限,则整个系统中光伏电池与蓄电池切除停机。为了充分利用太阳能,并尽量减少蓄电池充放电次数,本设计中采用光伏电池为主电源、蓄电池为补充电源的控制模式组合思路。在光伏电池最大输出功率大于负载消耗功率的情况下,利用光伏电池为负荷供电。而若光伏电池最大输出功率小于负载消耗功率,由光伏电池与蓄电池共同为负荷供电。同时考虑到微电网系统中的重要负载,当光伏电池最大输出功率大于重要负载消耗功率时,由光伏电池单独只为重要负荷供电。在充放电过程中,为了确保光储发电单元始终能够为生态观测站提供稳定的电压,在上述7种组合模式中,任意组合模式下总会有一个电源(光伏电池或蓄电池)处于恒压控制模式,作为电压源支撑整个光储发电系统,确保直流母线电压始终能够维持不变。另外,上述7种组合模式之间切换,是将光伏电池最大输出功率与负载吸收功率的差值以及蓄电池S O C状态作为判据,这样不仅可以按照光照条件调节光储发电单元的运行控制模式,还可以避免模式切换导致直流母线电压波动的问题。在上述多工作模式组合的协调控制方法中,光伏电池的工作模式主要包括恒压控制和MP P T控制。恒压控制与MP P T控制均采用电压外环、电流内环的双闭环控制方法。其中,恒压控制主要通过控制直流母线电压,确保在811电工技术 电力设备 光照充 足 情 况 下 光 伏 电 池 作 为 电 压 源 支 撑 整 个 电 网。MP P T控制采用扰动观测法,主要通过不断调节光伏电池阵列的输出电压,根据调整前后的输出功率来寻找最大功率运行点,确保最大程度地利用光伏电池为负荷供电。恒压控制与MP P T控制具体的控制算法已相对成熟,这里不再赘述。蓄电池的工作模式主要包括下垂控制充放电、三段式充电。蓄电池的下垂控制充放电优化2组蓄电池储能分配,实现2组蓄电池均衡充放电,此时为恒流充电,而三段式充电加快蓄电池的充电速率,提高整个系统的续航能力,两者均采用双闭环控制方法。其中,下垂控制充放电加入能量均衡系数,将下垂系数与蓄电池S O C组合,根据S O C值对下垂系数进行修改,使得2组蓄电池充电时,S O C较大的充电较慢,S O C较小的充电较快;放电时反之。本文使用的下垂控制计算式1 6为:Ud c=Ud c r e f-id cR(1)R=R0kd(2)S O C=S O C0-1Cb a tiLdt(3)kd=e-p(S O C-S O CA),id c0ep(S O C-S O CA),id c01,S O C=S O CA(4)式中,为2组蓄电池的标号;Ud c为蓄电池的输出电压;id c为蓄电池的输出电流;R为蓄电池的虚拟下垂系数;R0为 初 始 固 定 下 垂 系 数,本 文 取1;kd为 均 衡 系 数;S O C为蓄电池的荷电状态;S O C0为蓄电池的初始荷电状态;Cb a t为锂电池容量;iL为蓄电池的输出电流;S O CA为两组蓄电池的平均荷电状态;p为收敛系数,本文取1.2。蓄电池的控制框图如图5所示。图5基于能量均衡的蓄电池下垂控制框图三段式充电方法有恒流-恒压-浮充三个阶段。蓄电池充电控制时不再引入能量均衡系数,具体算法实现流程如图6所示。蓄电池电压较低时,其与给定电压之间的差值较大,若电压P I控制器输出值达到限幅值,则将该限幅值作为电流环的输入参考值,通过电流环的控制使蓄电池以恒流充电的方式进行快速充电。当蓄电池的电压逐渐上升,其与给定电压之间的差值逐渐减小时,电压P I控制器将发挥作用,使蓄电池进入恒压充电阶段,蓄电池电压稳定在给定电压值上。随着充电功率的逐渐增加,通过判断蓄电池充电电流是否小于预定的最小充电电流来切换给定电压的值,实现恒压充电与浮充充电工作模式的切换。图6蓄电池的三段式充电控制3实验结果分析结合上述协调控制器的硬件结构以及相关控制算法,搭建的实物模型如图7所示,系统的各部分参数见表1。下面将通过分析不同光照条件下光储发电单元的运行特性,验证所设计控制器的有效性。图7林区生态观测站的光储发电系统的实物模型表1部分输入输出参数组成部分物理量参数光伏模块峰值功率1 k W输出电压91 8 VD C蓄电池组额定容量1 2 V7 A h额定电压1 2 V恒流充电电流2.7 A恒压充电压1 3 V浮充电压1 3.2 VB o o s t变换器输入电压4 8 VD C输出电压稳定值4 8 VD C911电力设备 电工技术 续表组成部分物理量参数双向变换器放电输出电压4 8 VD C放电限流值7 A充电输出额定电压1 2 V直流负载额定功率可随负载大小改变额定电压4 8 V交流负载额定功率可随负载大小改变额定电压2 2 0 V3.1强光照条件下系统运行特性分析假设在光照强度为1 0 0 0 W/m2时,光 伏 以 恒 压 模式运行维持直流母线电压,同时对蓄电池进行充电。蓄电池S O C变化曲线如图8所示,可见在蓄电池充电过程中,0.7s前蓄电池1的S O C值大于蓄电池2,根据均衡充电思想,充电过程中蓄电池2的充电功率较大,速度较快,蓄电池1的充电功率较小,速度较慢;0.7s时,蓄电池1的S O C达到9 0%,蓄电池1进入浮充状态,蓄电池2进入三段式快速充电状态;0.7 5s时,蓄电池2的S O C达到9 0%,进入浮充状态;约1.2s时,2组蓄电池均充满电。蓄电池充电过程中电流与电压的变化曲线分别如图9、图1 0所示,可见蓄电 池 在 恒 流充电阶段以3A的恒定电流快速充电,此时蓄电池两端电压随着S O C的上升也在不断上升,随后蓄电池以1 4V的恒定电压充电,充电电流不断下降,待电流降至0.2A后进入浮充充电,浮充充电的电压为1 3.6V,约2.3 5s后蓄电池电量已经充满。图8强光照条件下蓄电池S O C变化曲线 图9充电电流波形 图1 0充电电压波形图1 1、图1 2分别为蓄电池进行三阶段充电过程中,生态观测站的直流母线电压和交流侧电压的变化规律。由此可以看出,在整个充电过程中直流母线电压始终稳定在4 8V,交流侧电压也维持稳定,其峰值约为3 1 1V,频率为5 0H z,能够满足交流负荷的需求。图1 1直流母线电压波形 图1 2交流电压波形图1 3为光储单元中各模块的功率变化规律。由此可以看出,在蓄电池下垂、恒流与恒压充电阶段,光伏电池同时为负载和蓄电池供电,光伏电池的输出功率在2 4 0 W到2 8 0W区间内波动,负载的吸收功率为1 7 0W,蓄电池的吸收功率为6 0 W;在蓄电池浮充阶段,光伏电池输出功率有所下降,其功率主要用于为负荷供电,光伏输出功率高于负载吸收功率,主要是因为各D C/D C变换器中存在有功功率损耗。图1 3强光条件下光储发电单元各模块功率变化曲线3.2弱光照条件下系统运行特性分析假设1.6s时光照强度从1 0 0 0W/m2变为1 5 0W/m2,蓄电池从充电模式进入放电模式,光伏电池从恒压模式切换为MP P T模式,蓄电池与光伏电池共同为负载供电。蓄电池S O C变化曲线如图1 4所示,可见开始2组蓄电池进行下垂放电,蓄电池1的S O C(简称S O C1)较高,放电较快,蓄电池2的S O C(简称S O C2)较低,放电较慢;S O C1低于2 0%,则蓄电池1停止放电,蓄电池2继续放电;S O C2低于2 0%,蓄电池2停止放电。此情况下,系统直流母线电压和交流电压波形如图1 5、图1 6所示。由此可见,直流母线电压在模式切换过程中有轻微的下降,但是很快又维持在4 8V;交流电压波形没有受到直流母线电压的影响,其电压峰值约为3 1 1V,频率为5 0H z,能够满足交流负载需求。图1 4弱光照条件下蓄电池S O C变化曲线021电工技术 电力设备 图1 5直流母线电压 图1 6交流电压光储单元各模块的功率变化情况如图1 7所示,其中虚线为0参考线。强光条件下,光伏电池输出功率在2 4 0W到2 8 0W之间波动,蓄电池吸收功率为4 0 W,负载吸收功率为1 1 0W。光照突然发生变化后,光伏以MP P T模式运行,光伏电池输出功率为8 0 W,蓄电池输出功率为2 4 0W,部分有功功率损耗在各D C/D C变换器上。2.2s时,蓄电池放电结束,光伏输出功率不足以供应给全部负载,切除不重要负载,继续给重要负载供电,光伏输出功率为1 0 0W,负载吸收功率为8 5W。图1 7不同光照条件下光储发电单元各模块功率变化曲线3.3本文使用蓄电池充放电方式与传统充放电方式的比较 本文使用蓄电池充放电控制方式主要包括下垂控制充放电、三段式充电。在本文中,将下垂控制充放电时蓄电池1和2的S O C变化速度差异与传统充放电方式进行比较;同时,将三段式充电时单组蓄电池的S O C增长速度与传统充放电方式进行比较。首先在光照强度为1 2 0 0 W/m2、蓄电池初始S O C1为3 0%,S O C2为3 5%时,分别用本文所述基于荷电状态的下垂控制充电方法与普通充电方法为蓄电池充电。不同方法作用下蓄电池S O C变化曲线如图8、图1 8所示。对比分析发现,在基于荷电状态的下垂控制充电方式下,蓄电池1的初始S O C较高,充电速度较慢,蓄电池2的初始S O C较低,充电速度较快,实现了2组蓄电池均衡充电。而普通充电方法没有采用下垂控制,2组蓄电池的充电速度相等,蓄电池1率先充满电后容易过充,影响电池寿命。在光照强度为1 5 0 W/m2,蓄电池初始S O C1为8 0%,S O C2为6 0%时,分别用本文所述基于荷电状态的下垂控制放电方法与普通放电方法使蓄电池放电。不同方法作用下蓄电池S O C变化曲线如图1 4、图1 9所示。对比分析发现,在基于荷电状态的下垂控制放电方式下,蓄电池1的初始S O C较低,放电较慢,蓄电池2的初始S O C较高,放电较快,实现了2组蓄电池均衡放电。而普通放电方法没有采用下垂控制,2组蓄电池的放电速度相等,蓄电池1率先放完电后容易过放,影响电池寿命。图1 8传统充电方法的 S O C变化曲线 图1 9传统放电方法的 S O C变化曲线然后,在光照强度为1 2 0 0 W/m2、蓄电池初始S O C均为4 5%时,分别用本文所提光储协调控制器和传统单一控制模式为同一蓄电池充电。不同控制器作用下蓄电池S O C变化曲线如图2 0、图2 1所示。对比分析发现,在光储协调控制器作用下,蓄电池充电经过1.7个单位时长即可将电量充至9 0%,随后进入浮充电状态。而传统单一控制模式作用下,由于蓄电池仅采用恒压充电,需要经过7.8个单位时长才能将蓄电池电量充至9 0%。另外,由于传统小容量光储单元控制策略并未对蓄电池进行过充以及过放的保护,蓄电池在8.9个单位时长后进入过充状态,这将会影响蓄电池的寿命。图2 0本文光储协调控制器的 充电S O C曲线 图2 1传统光储协调控制器的 充电S O C曲线4结语目前,林区生态观测站光储发电系统多采用光伏与蓄电池直接耦合的方式,各单元运行控制模式单一,并未对光伏电池与蓄电池进行协调控制,因而存在着系统运行效率低、蓄电池不均衡充电及频繁过充过放导致寿命缩短、系统续航能力不足等问题。针对这些问题,本文设计了一种适用于林区生态观测站的光储单元协调控制器,该控制器硬件采用TM S 3 2 0 F 2 8 1 2和C y c l o n e E P 2 C 8 Q 2 0 8 C 8芯片,算法上采用多模式组合的协调控制策略,将光伏电池作为主电源,蓄电池作为补充电源,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121电力设备 电工技术 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。为了避免蓄电池过充和过放,所提协调控制器通过下垂控制充放电,合理选择蓄电池的充电上限和放电下限,设置了过充和过放保护。此外,不同于传统小容量光储单元,所提协调控制器还对蓄电池的充电进行优化,采用恒流-恒压-浮充的三段式充电控制策略,使得蓄电池在光照强时能够快速充电,以提高光储单元的续航能力。本文还提出采用由各单位实时功率区分的不同的7种光伏运行状态和蓄电池充放电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,在光照充足时由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。最终,经实验验证了所设计控制器能够在不同模式下维持直流母线电压稳定,并能确保蓄电池在光照充足情况下进行均衡快速充电。参考文献1 应兴亮,廖建国.生态文明视角下高职“智慧林业”课程体系的建设探索J.现代农业研究,2 0 2 1,2 7(1 1):6 4-6 6.2 田晓晖,李国志,朱安明.森林资源动态监测信息化管理平台建设J.林业科技通讯,2 0 2 0(7):6 7-6 8.3 王永雄.林业基层管理中应用智慧林业技术的探索与实践J.林业科技情报,2 0 2 0,5 2(3):8 1-8 3.4 郭亚娟,韩冰,马林,等.独立户用光伏发电系统的设计与研究J.湖北农机化,2 0 2 0(8):1 4 2-1 4 3.5R.S a l l i n e n,T.M e s s o,T.R o i n i l a.M i t i g a t i n gv o l t a g ef l u c t u a t i o n si nb a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m sC.2 0 1 92 0 t h Wo r k s h o po n C o n t r o la n d M o d e l i n gf o r P o w e r E l e c t r o n i c s(C OM-P E L),T o r o n t o,ON,C a n a d a,2 0 1 9.6 张良,闫凯宏,冷祥彪,等.考虑S O C自均衡的直流微电网协调控制策略研究J.吉林电力,2 0 2 1,4 9(5):2 1-2 5.7L.L o n g.R e s e a r c ho fe n e r g ys t o r a g ed e v i c e sa n dp o w e rc o o r-d i n a t e dc o n t r o l s t r a t e g yo fm i c r og r i dw i t hp h o t o-v o l t a i cc o n-n e c t e dC.2 0 1 6C h i n a I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nE l e c t r i c i-t yD i s t r i b u t i o n(C I C E D),X i a n,2 0 1 6.8 康家玉,陈 馨儿,史晨 雨.基 于 储 能 荷 电 状 态 分 级 的 直 流微电 网 协 调 控 制 方 法 J.热 力 发 电,2 0 2 2,5 1(5):1 2 7-1 3 5.9 周建萍,朱建萍,崔屹,等.光储独立直流微电网的协同控制策略研究J.电源技术,2 0 1 6,4 0(1 2):2 4 0 0-2 4 0 4.1 0 王国军,邵 天章.光伏 发 电 系 统 蓄 电 池 充 放 电 均 衡 控 制仿真研究J.电气应用,2 0 1 8,3 7(1 1):2 8-3 4.1 1 丰俊杰.基于储能寿命评估模型的分布式储能优化配置研究D.杭州:杭州电子科技大学,2 0 2 1.1 2 陈金锋,贾 科,宣 振文,等.基 于 离 散 一 致 性 算 法 的 直 流微电网电压控制策略J.浙江电力,2 0 1 9,3 8(8):6 5-7 1.1 3 李靖,王志和,倪浩.基于改进下垂控制的直流微网运行研究J.发电技术,2 0 2 1,4 2(6):7 6 5-7 7 4.1 4 郑丽君,王 子鹏,吕世 轩,等.基 于 荷 电 状 态 的 直 流 微 电网中多储能分 级 运 行 控 制 方 法J.电 网 技 术,2 0 2 1,4 5(3):1 0 0 6-1 0 1 5.1 5 刘欣月.基于功率分层的直流微电网 协调 控制 策 略J.科技风,2 0 1 9(2 0):1 9 9.1 6O l i v e i r aTR,S i l v aW,D o n o s o-G a r c i aPF.D i s t r i b u t e d s e c o n d a r yl e v e l c o n t r o l f o re n e r g ys t o r a g em a n a g e m e n t i nD C m i c r o g r i d sJ.I E E ET r a n s a c t i o n so nS m a r tG r i d,2 0 1 6:1-1 1.(上接第1 0 8页)图5程序流程4结语智能型嵌入式电动执行机构控制器在智能型电动执行机构的基础上,将硬件平台升级为C o r t e x-M 4A RM架构平台,并对硬件功能进行模块化设计,软件引入嵌入式操作系统,实现了多任务实时调度,提高了电动执行机构控制器的稳定性和可靠性。同时,基于嵌入式操作系统的控制器实现了智能显示功能,且以图形化显示(力矩、温度、压力、流量曲线显示)为主,不仅能够显示清晰、流畅的画面和图形,而且能够提供更多的功能和内容供客户使用,加强了与客户间的交互,提升了电动执行机构的使用体验,因此智能型嵌入式电动执行机构必将是电动执行机构发展趋势。参考文献1 唐涛.智能型电动执行器的研制J.重型机械,2 0 1 0(S 2):1 6 6-1 6 9.2 吴运国,郭庆.用于调节阀的高精度直行程核级电动执行机构J.机械制造,2 0 2 2(2):1 1-1 3.3 王泉,吴中海,陈仪香,等.智能嵌入式系统专题前言J.软件学报,2 0 2 0(9):2 6 2 5-2 6 2 6.4 张宇,吴江,李德胜,等.防爆型双作用电液执行机构的研制J.机械制造,2 0 2 1(2):3 8-4 0.5 关今羽,刘旭颖,王可.火力发电厂智能型电动执行机构的特点J.电站系统工程,2 0 1 7(1):7 3-7 4.6 乐永波,章欢,蒋莉娟.基于A RM的U C O S 2操作系统的研究J.应用科技,2 0 0 9(3):7 0.221电工技术 电力设备