房俊龍，趙朝陽，周清海，宋蕾，趙帥，王超

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱　150030）

溫室低壓光儲(chǔ)直流微網(wǎng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

房俊龍，趙朝陽，周清海，宋蕾，趙帥，王超

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱150030）

針對(duì)低壓直流負(fù)載新型溫室，研究設(shè)計(jì)新型溫室低壓光儲(chǔ)直流微網(wǎng)。提出擾動(dòng)觀察法與快速預(yù)測(cè)法結(jié)合混合最大功率點(diǎn)跟蹤算法，設(shè)計(jì)系統(tǒng)能量控制策略，實(shí)現(xiàn)光伏電池、蓄電池以及負(fù)載能量智能交換。搭建以TMS320F28335處理器為核心試驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案可行性。結(jié)果表明，最大功率點(diǎn)跟蹤效果良好，母線電壓穩(wěn)定。系統(tǒng)滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，為光儲(chǔ)直流微網(wǎng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立供電提供可能。

直流微網(wǎng)；控制策略；功率跟蹤；混合算法

房俊龍，趙朝陽，周清海，等.溫室低壓光儲(chǔ)直流微網(wǎng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，47（9）：52-63.

Fang Junlong，Zhao Zhaoyang，Zhou Qinghai，et al.Greenhouse low-voltage photovoltaic/battery DC micro-grid design and experiment［J］.Journal of Northeast Agricultural University，2016，47（9）：52-63.（in Chinese with English abstract）

現(xiàn)代化溫室具有智能化、少投入、高產(chǎn)出等優(yōu)點(diǎn)且應(yīng)用廣泛。遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)地區(qū)溫室大棚供電成本較高，部分地區(qū)甚至無電供應(yīng)，限制溫室中加熱、灌溉、通風(fēng)等智能化設(shè)備使用，制約智能溫室技術(shù)推廣。太陽能光伏發(fā)電是指利用光伏電池將太陽光輻射能轉(zhuǎn)化為電能，與儲(chǔ)能裝置結(jié)合后可作為獨(dú)立電源為偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)光伏發(fā)電相關(guān)技術(shù)開展大量研究，包括最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（Maximum power point tracking，MPPT）、光伏-蓄電池獨(dú)立供電系統(tǒng)、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等［1-6］。孫冠群等利用最大功率點(diǎn)跟蹤算法優(yōu)化光伏轉(zhuǎn)換效率，提高水泵用異步電動(dòng)機(jī)效率，優(yōu)化光伏水泵系統(tǒng)效率［7］；畢大強(qiáng)等針對(duì)海島光儲(chǔ)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種基于電壓幅值控制策略，利用直流母線電壓變化量作為系統(tǒng)模式切換基準(zhǔn)，無需控制器間通信連接，提高系統(tǒng)自治性［8］；Anastasios等利用模糊控制與PID算法相結(jié)合跟蹤光伏電池最大功率點(diǎn)，并仿真驗(yàn)證［9］；李春華等使用Matlab搭建基于混合儲(chǔ)能光伏微網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，分析該微網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能［10］；李斌等建立微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)仿真模型，優(yōu)化蓄電池工作過程［11］。以上研究主要集中在微網(wǎng)上層控制策略且最大功率點(diǎn)跟蹤算法復(fù)雜，不適用于微處理器實(shí)時(shí)控制。結(jié)構(gòu)上以光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并網(wǎng)或孤島運(yùn)行方式為主，母線電壓等級(jí)較高，所需蓄電池?cái)?shù)量多，成本較高，缺少針對(duì)溫室微網(wǎng)專門性研究。本文針對(duì)具有低壓直流負(fù)載新型溫室，設(shè)計(jì)溫室低壓光儲(chǔ)直流微網(wǎng)。提出適用于微處理器快速運(yùn)算特點(diǎn)混合最大功率點(diǎn)跟蹤方法，設(shè)計(jì)系統(tǒng)能量控制策略，并搭建低壓光儲(chǔ)直流微網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證。滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，為光儲(chǔ)直流微網(wǎng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立供電提供可能。

1　溫室低壓光儲(chǔ)直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

實(shí)際生產(chǎn)過程中，新型低壓溫室中用電設(shè)備功率較小。為最大程度提高系統(tǒng)性價(jià)比，降低蓄電池及變換器成本，系統(tǒng)直流母線電壓設(shè)置為48 V，直流水泵、直流風(fēng)扇等溫室負(fù)載與母線之間無變換器可直接使用。本文建立光儲(chǔ)直流微網(wǎng)由光伏陣列、儲(chǔ)能系統(tǒng)、變換器、直流負(fù)荷等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中光伏電池陣列通過單向DC-DC變換器與直流母線連接；蓄電池組通過雙向DC-DC變換器與直流母線連接。Ppv1～Ppvn表示光伏陣列輸出功率，Pb1～Pbn表示蓄電池組與母線交換功率，Pl1～Pln為負(fù)載消耗功率。直流母線DC Bus光伏陣列PV Array

圖1　溫室低壓光儲(chǔ)直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of greenhouse low-voltage photovoltaic/battery DC micro-grid system joint-power-supply system

微網(wǎng)原理如圖2所示［12］。

其中，單向DC-DC變換器由Boost電路組成，位于光伏陣列與直流母線之間，可跟蹤光伏電池最大功率點(diǎn)。雙向DC-DC變換器由Boost-Buck電路組成，位于蓄電池與直流母線之間，根據(jù)負(fù)載情況控制蓄電池充放電，與直流母線功率交換。電壓互感器、電流互感器采集光伏電池、蓄電池端電壓、電流以及母線電壓經(jīng)調(diào)理電路處理后將信號(hào)送至TMS 320F28335處理器中，處理器根據(jù)控制策略控制系統(tǒng)。

圖2　溫室低壓光儲(chǔ)直流微網(wǎng)原理Fig.2Principle diagram of greenhouse low-voltage photovoltaic/battery DC micro-grid system

2　光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤算法設(shè)計(jì)

2.1算法理論基礎(chǔ)

光伏電池主要利用光生伏打效應(yīng)工作，工作原理核心是P-N結(jié)，光伏電池單元主要部分為恒流源與二極管并聯(lián)回路。其等效電路［13-16］如圖3所示，其中Iph為光伏電池內(nèi)部光生電流，ID為光伏電池內(nèi)部暗電流，Rs為光伏電池內(nèi)部等效串聯(lián)電阻，Rsh為光伏電池內(nèi)部等效旁路電阻，RL為光伏電池外接負(fù)載電阻，IL為光伏電池輸出負(fù)載電流，Uoc為光伏電池開路電壓，UD為二極管等效端電壓。

圖3　光伏電池模型等效電路Fig.3Equivalent circuit for PV arrays

由圖3可知

根據(jù)二極管伏安特性可知

由式（1）、式（2）可知

在理想情況下設(shè)定Rs→0，Rsh→∞，此時(shí)光伏電池輸出電流表達(dá)式如式（4）所示。其中，q為電子電荷，A為光伏電池內(nèi)部P-N結(jié)曲線常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為光伏電池所處環(huán)境絕對(duì)溫度。

光伏電池輸出在最大功率點(diǎn)時(shí)，功率與電壓關(guān)系如式（7）所示

根據(jù)上式推斷可知，光伏電池最大功率點(diǎn)工作電壓Um與光伏電池開路電壓Uoc在外界溫度恒定時(shí)存在近似線性關(guān)系，假設(shè)兩者關(guān)系如式（10）所示。

另，根據(jù)式（7）定義

其中Ppv、Vpv、Ipv為某一時(shí)刻光伏陣列輸出功率、電壓及電流，判斷β與0關(guān)系可作為是否達(dá)到最大功率點(diǎn)參考條件。

2.2MPPT控制算法

光伏電池輸出特性具有非線性特點(diǎn)，輸出特性極易受周圍環(huán)境影響。擾動(dòng)觀察法具有控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、傳感器精度要求不高、跟蹤速度快等優(yōu)點(diǎn)，且在微處理器中容易實(shí)現(xiàn)。但在光照強(qiáng)度劇烈變化時(shí)極易出現(xiàn)誤判，無法兼顧控制精度與響應(yīng)速度，需對(duì)其改進(jìn)。

根據(jù)式（10）可知，利用參數(shù)k及Uoc可快速預(yù)測(cè)光伏電池最大功率點(diǎn)。本文選用浙江太陽光電能源有限公司生產(chǎn)100P42型光伏電池建模分析。在1 000 W·m-2，25℃時(shí)其單板參數(shù)為Uoc=25.2 V，Um=21 V，短路電流Isc=5.14 A，最大功率點(diǎn)電流Im= 4.76 A。光伏陣列在不同光照強(qiáng)度和溫度下曲線如圖4所示。

為表明比例關(guān)系，選取部分參數(shù)如表1所示。

圖4　光伏陣列功率-電壓曲線Fig.4Power-voltage curve of the PV arrays

表1　部分開路電壓-最大功率點(diǎn)電壓參數(shù)Table1Part of the Uoc-Umparameters

根據(jù)上述理論及建模分析，設(shè)定式（10）中k值為0.85。因此通過對(duì)光伏電池開路電壓Uoc檢測(cè)可快速預(yù)測(cè)當(dāng)前環(huán)境條件下最大功率點(diǎn)，但對(duì)開路電壓采樣需要周期性斷開負(fù)載。為避免頻繁斷開負(fù)載造成功率損耗，本文用擾動(dòng)觀察法與快速預(yù)測(cè)法跟蹤最大功率點(diǎn)，設(shè)定合理控制周期彌補(bǔ)兩種算法缺點(diǎn)，快速、準(zhǔn)確達(dá)到最大功率點(diǎn)，算法控制流程如圖5所示。

圖5　混合MPPT控制算法流程Fig.5Control scheme of hybrid MPPT

3　系統(tǒng)能量控制策略

系統(tǒng)能量控制策略主要包括單向DC-DC變換器控制策略、雙向DC-DC變換器控制策略及能量流動(dòng)策略［17］。

3.1DC-DC變換器控制策略

單向DC-DC變換器主要實(shí)現(xiàn)光伏陣列與母線連接，分為MPPT控制和恒壓控制兩種方式。當(dāng)系統(tǒng)能量不足時(shí)變換器在MPPT模式工作，最大效率為系統(tǒng)補(bǔ)充能量；系統(tǒng)能量充裕時(shí)，變換器工作在恒壓模式，減小系統(tǒng)能量供應(yīng)，其控制原理如圖6a所示。其中，Upv表示光伏陣列電壓，Ipv表示光伏陣列電流，Ubus表示直流母線電壓，Ubus-ref表示直流母線參考電壓。TMS320F28335對(duì)母線電壓采樣后根據(jù)策略選擇模式。MPPT模式通過本文提出混合MPPT控制算法（Hybrid maximum power point tracking，HMPPT）控制，恒壓模式下比較母線電壓與參考電壓，將比較差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后形成PWM波，控制開關(guān)管S0。

雙向DC-DC變換器主要實(shí)現(xiàn)蓄電池與直流母線連接，分為Boost模式和Buck式。當(dāng)母線電壓不足且蓄電池處于正常電壓范圍時(shí)，變換器工作在Boost模式，給母線提供能量。當(dāng)蓄電池電壓低于下限時(shí)，變換器工作在Buck模式，以一定電壓為蓄電池充電且限制其放電電流。其控制原理如圖6b所示。

其中，Ubat表示蓄電池電壓，Ubat-ref表示蓄電池參考電壓，Ibat表示蓄電池電流，Ibat-ref示蓄電池參考電流。TMS320F28335通過信號(hào)采樣后，根據(jù)控制策略選擇變換器模式。在Boost模式下，比較實(shí)時(shí)采集母線電壓與參考電壓，為避免電池過放，比較蓄電池放電電流采樣與參考值。在Buck模式，比較實(shí)時(shí)采集蓄電池電壓與參考值，同時(shí)比較蓄電池電流與參考值，避免充電電流過大。兩種模式均將比較信號(hào)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后形成PWM波控制開關(guān)管S1、S2。

圖6　變換器控制策略Fig.6 Control scheme of the converter

3.2系統(tǒng)能量流動(dòng)策略

系統(tǒng)各個(gè)部分組成參數(shù)如表2所示。設(shè)定母線電壓額定值為48 V，偏差為±2 V，蓄電池電壓上限值為過充電壓30 V，下限值為過放電壓20 V，為保護(hù)蓄電池壽命，最大充放電電流設(shè)置為10 A，遠(yuǎn)小于其額定值。

通過檢測(cè)光伏陣列電壓、蓄電池電壓、蓄電池充放電電流，與系統(tǒng)設(shè)定參考值比較，可判斷系統(tǒng)工作模式，如圖7所示，可將系統(tǒng)分為4種工作模式［18-20］，各工作模式工作原理如下。

工作模式1，如圖7a所示。光伏陣列輸出能量滿足負(fù)載需求且不超過上限值，且蓄電池電壓不超過上限值，即Ubus＜Ubus_max且Ubat＜Ubat_max。此時(shí)單向變換器工作在MPPT模式，雙向變換器工作在Buck模式。此時(shí)負(fù)載能量主要通過光伏陣列提供，多余能量通過雙向變換器Buck模式給蓄電池充電。

工作模式2，如圖7b所示。光伏陣列輸出能量大于上限值，且蓄電池電壓不超過上限值，即Ubus＞Ubus_max且Ubat＜Ubat_max，此時(shí)單向變換器工作在恒壓模式，限制光伏電池提供能量，多余能量通過雙向變換器Buck模式給蓄電池充電。

工作模式3，如圖7c所示。光伏陣列輸出小于負(fù)載需求，且蓄電池電壓大于下限值，即Ubus＜Ubus_min且Ubat＞Ubat_min。此時(shí)單向變換器工作在MPPT模式，雙向變換器工作在Boost模式。此時(shí)負(fù)載所需能量由光伏陣列和蓄電池共同提供。

工作模式4，如圖7d所示。光伏陣列輸出能量小于負(fù)載需求，且蓄電池電壓小于下限值，即Ubus＜Ubus_min且Ubat＜Ubat_min。此時(shí)斷開負(fù)載，單向變換器工作在MPPT模式為系統(tǒng)提供能量，雙向變換器工作在Buck模式為蓄電池充電，系統(tǒng)能量主要由光伏陣列提供。

表2　系統(tǒng)組成參數(shù)Table 2Parameters of the system

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1試驗(yàn)平臺(tái)

4.1.1信號(hào)采集與控制部分電路設(shè)計(jì)

信號(hào)采集與控制部分是溫室低壓光儲(chǔ)直流微網(wǎng)核心單元，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)采集與自治控制策略運(yùn)行，其電路框圖如圖8所示。其中，電壓互感器采用QBV10/25A型霍爾電壓傳感器，其初、次級(jí)之間絕緣，可測(cè)量交直流電壓信號(hào)，匝數(shù)比為2 500/1 000。電流互感器采用QBC100BS型霍爾電流傳感器，可測(cè)量交直流電流信號(hào)，匝數(shù)比為1/ 1 000。信號(hào)調(diào)理電路由電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波電路及比例電路組成?；ジ衅鬏敵鲭娏餍盘?hào)經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路后變換為電壓信號(hào)，濾波后由比例電路將電壓幅值限定在模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍內(nèi)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADI公司生產(chǎn)16位8通道同步AD轉(zhuǎn)換器。采用5 V單電源供電，可處理±10 V真雙極性輸入信號(hào)，通過高速SPI與DSP通信。電壓、電流信號(hào)經(jīng)過互感器、調(diào)理電路后采樣信號(hào)與實(shí)際信號(hào)關(guān)系如式（12）所示。

數(shù)字信號(hào)處理器采用TI公司生產(chǎn)32位浮點(diǎn)DSP處理器TMS320F28335。具有150 MHz高速處理能力，包括32位浮點(diǎn)處理單元、6通道DMA處理器、16位或32位外部接口（XINTF）、18個(gè)脈寬調(diào)制（PWM）輸出、6個(gè)事件捕捉輸入以及8個(gè)32位定時(shí)器。其中，PWM輸出管腳EPWM6B與AD7606 CVA、CVB管腳相連，控制AD7606啟動(dòng)；SPICLKA、SPISIMOA、SPISTEA、SPISOMIA分別與AD7606 SPI管腳相連進(jìn)行數(shù)據(jù)與命令交換；GPIO13作為外部中斷接收AD7606BUSY信號(hào)，讀取數(shù)據(jù)；EPWM5B通過光耦及驅(qū)動(dòng)芯片控制單向DC-DC變換器；控制EPWM4A、EPWM4B輸出互補(bǔ)PWM控制雙向DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電控制。

圖8　信號(hào)采集與控制部分電路框Fig.8Circuit block diagrams of signal acquisition and control part

4.1.2隔離驅(qū)動(dòng)部分電路設(shè)計(jì)

隔離驅(qū)動(dòng)部分電路由自舉式驅(qū)動(dòng)電路和光耦隔離電路組成，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電信號(hào)隔離，并抬高TMS320F28335輸出電壓，滿足開關(guān)功率器件通斷控制需要。

由于最大功率點(diǎn)跟蹤及系統(tǒng)能量控制過程中DSP輸出PWM信號(hào)脈沖寬度不斷變化，DC-DC變換器在高速狀態(tài)下工作，因此光耦芯片選用高速光耦6N315。驅(qū)動(dòng)電路由兩片自舉式驅(qū)動(dòng)芯片IR2110組成，如圖9所示。

圖9　驅(qū)動(dòng)電路Fig.9Drive circuit

IR2110-1為單向DC-DC變換器驅(qū)動(dòng)芯片。經(jīng)光耦輸出PWM信號(hào)連接在HIN管腳，為避免懸空對(duì)電路造成影響，LIN直接接地。開關(guān)管S1S極與Vs端相連，通過1 μF自舉電容C1儲(chǔ)存能量驅(qū)動(dòng)與HO連接G極，實(shí)現(xiàn)對(duì)S0通斷控制。IR2110-2為雙向DC-DC變換器驅(qū)動(dòng)芯片。經(jīng)光耦輸出互補(bǔ)PWM信號(hào)分別連接在HIN、LIN管腳上。開關(guān)管S2S極與開關(guān)管S1D極相連，共同連接在VS端。S2、S1G極分別連接在HO、LO管腳，C2、C3為1 μF自舉電容。其中，兩片IR2110片選SD直接接地，保證芯片一直處于工作狀態(tài)。VD2、VD3、VD4選擇快速恢復(fù)二極管可以加快開關(guān)管關(guān)斷速度，R1、R2、R3選擇5 Ω電阻可減小感容寄生二階振蕩。

4.1.3功率部分電路設(shè)計(jì)

功率部分電路如圖2所示，其主要參數(shù)如表3所示。

表3　功率部分電路組成參數(shù)Table 3Composition parameters for power section

4.1.4軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括主程序、中斷服務(wù)程序，軟件流程如圖10所示。

主程序主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)及外設(shè)初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、鎖相環(huán)、GPIO及中斷。為避免在定時(shí)器及外設(shè)初始化過程中發(fā)生中斷影響初始化，必須在GPIO初始化后關(guān)閉總中斷，等待模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器0及EPWM初始化完成后開啟總中斷即可。為提高系統(tǒng)工作實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率設(shè)置為最大頻率150 MHz，定時(shí)器0周期設(shè)置為100 μs。中斷服務(wù)程序包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器中斷程序及定時(shí)器0中斷程序兩部分，分別實(shí)現(xiàn)電壓、電壓電流信號(hào)采集及系統(tǒng)控制策略運(yùn)行。模數(shù)轉(zhuǎn)換器中斷程序由AD7606 BUSY信號(hào)觸發(fā)發(fā)生，為剔除干擾數(shù)據(jù)，將15次采樣數(shù)據(jù)放入堆棧，采用中位值濾波法處理數(shù)據(jù)濾波，濾波后通過式（12）轉(zhuǎn)換，結(jié)束后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。當(dāng)定時(shí)結(jié)束時(shí)，觸發(fā)定時(shí)器0中斷程序中斷，根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器中斷程序獲得變量數(shù)據(jù)選擇工作模式，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。

4.2測(cè)試分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，搭建試驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示。其中，光伏陣列使用DELTA公司生產(chǎn)SM3300型光伏模擬器模擬，設(shè)置為單板參數(shù)。蓄電池采用兩組12 V，100 AH蓄電池串聯(lián)組成。由于本文設(shè)計(jì)溫室低壓光儲(chǔ)直流微網(wǎng)主要針對(duì)溫室中光伏水泵，風(fēng)扇等負(fù)載設(shè)計(jì)，蓄電池主要起到能量補(bǔ)充作用。因此系統(tǒng)控制重點(diǎn)在于維持直流母線電壓穩(wěn)定，避免負(fù)載波動(dòng)影響母線電壓，造成水泵、風(fēng)扇等損壞。系統(tǒng)測(cè)試主要圍繞外界條件變化對(duì)直流母線電壓影響完成。測(cè)試過程中初始負(fù)載為100Ω，示波器型號(hào)為RIGOLMSO2072A，將其調(diào)整為滾動(dòng)模式，滾動(dòng)速率為2 s。測(cè)試中各待測(cè)點(diǎn)為圖8 中AD7606輸入通道V1～V5，因此示波器測(cè)量結(jié)果僅為各待測(cè)量變化趨勢(shì)，具體值根據(jù)式（12）轉(zhuǎn)換，測(cè)試過程中，通過電壓、電流表觀察記錄，并與示波器及上位機(jī)數(shù)據(jù)比較。

圖10　軟件流程Fig.10Software flow chart

圖11　系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.11Experimental platform of the system

4.2.1光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤測(cè)試

光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤測(cè)試，主要測(cè)試光照強(qiáng)度突變時(shí)，單向DC-DC變換器能否及時(shí)調(diào)整負(fù)載特性。測(cè)試波形如圖12a所示。

其中，通道1為母線電壓波形，通道2為光伏電池輸出電流波形，由于互感器比例作用，示波器捕獲數(shù)值較小，僅反映變化趨勢(shì)，具體值由上位機(jī)顯示，試驗(yàn)過程如下：

在t1時(shí)刻之前，系統(tǒng)穩(wěn)定工作在模式3，光照強(qiáng)度設(shè)定為1 000 W·m-2，此時(shí)母線電壓恒定在48 V，光伏電池輸出電流為0.48 A。在t1時(shí)刻突然調(diào)整光照強(qiáng)度為600 W·m-2，系統(tǒng)跟蹤最大功率點(diǎn)，根據(jù)波形可知，在t2時(shí)刻達(dá)到新最大功率點(diǎn)，光伏電池輸出為1.36 A。在t3時(shí)刻恢復(fù)光照強(qiáng)度為1 000 W·m-2，重新跟蹤最大功率點(diǎn)，且在t4時(shí)刻達(dá)到穩(wěn)定。根據(jù)波形，在t3～t4有短暫波動(dòng)，為直接預(yù)測(cè)法后擾動(dòng)觀察法效果。在上述過程中，由于蓄電池調(diào)節(jié)作用，母線電壓基本穩(wěn)定在48 V，波動(dòng)較小。截取圖12a中通道2波形如圖12b所示，反映系統(tǒng)在光照強(qiáng)度緩慢變化過程中，擾動(dòng)觀察法跟蹤效果。

4.2.2母線電壓穩(wěn)定性測(cè)試

母線穩(wěn)定性測(cè)試主要包含兩部分，通過改變負(fù)載以及光伏電池輸入能量進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖12（c）、12（d）所示。其中，通道1為母線電壓波形，通道2為蓄電池電流波形，由于互感器比例作用，示波器捕獲數(shù)值較小，僅反映變化趨勢(shì)，具體值由上位機(jī)顯示。

負(fù)載變化測(cè)試波形如圖12（c）所示，在t5時(shí)刻之前，負(fù)載為100 Ω，蓄電池電流為1.09 A。在t5時(shí)刻調(diào)節(jié)負(fù)載至160 Ω，觀察可知蓄電池放電電流減小至0.52 A，在t6時(shí)刻調(diào)節(jié)負(fù)載至220 Ω后，蓄電池放電電流減小至0.35 A，在t7時(shí)刻重新增大負(fù)載至160 Ω，蓄電池放電電流增至0.52 A。在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中，母線電壓維持恒定。

通過設(shè)定光伏輸出電壓模擬光伏電池受到遮蔽，輸出能量減少。試驗(yàn)波形如圖12（d）所示。在t8時(shí)刻突然減小光伏電池輸出，母線電壓有較大波動(dòng)，瞬間減小至43 V，此時(shí)蓄電池輸出電流增大，由1.09 A變化至1.32 A，而母線電壓在較短時(shí)間可重新穩(wěn)定至48 V。在t9時(shí)刻突然增大光伏電池輸出，母線電壓瞬間增加至58 V，根據(jù)波形可知，經(jīng)過短暫調(diào)節(jié)蓄電池輸出減小，母線恢復(fù)穩(wěn)定。

圖12　測(cè)試波形Fig.12Test waveforms

5　結(jié)論

a.本文提出一種新型溫室低壓光儲(chǔ)直流微網(wǎng)。系統(tǒng)直流母線電壓設(shè)置為48 V，直流水泵、直流風(fēng)扇等溫室負(fù)載與母線間無變換器即可直接使用，節(jié)省成本；

b.提出適用于微處理特點(diǎn)混合最大功率點(diǎn)跟蹤算法，用擾動(dòng)觀察法與快速預(yù)測(cè)法結(jié)合跟蹤最大功率點(diǎn)。減少算法復(fù)雜程度，使系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確達(dá)到最大功率點(diǎn)；

c.設(shè)計(jì)系統(tǒng)能量控制策略，搭建以TMS 320F28335處理器為核心試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能較快跟蹤至最大功率點(diǎn)，且母線電壓穩(wěn)定，可滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

［1］高春鳳，楊仁剛，井天軍.獨(dú)立微電網(wǎng)有功功率自主與協(xié)調(diào)控制［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（10）：113-121.

［2］吳紅斌，陶曉峰，丁明.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)MPPT-電壓控制策略仿真［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（1）：267-271.

［3］劉圣波，劉賀，趙燕東.基于離散時(shí)間紋波控制太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤算法［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（19）：130-137.

［4］李加念，洪添勝，倪慧娜.基于太陽能微灌系統(tǒng)恒壓供水自動(dòng)控制裝置研制［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（12）：86-93.

［5］張仁貢.農(nóng)村水能與太陽能混合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（14）：190-195.

［6］吳紅斌，陳斌，郭彩云.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中混合儲(chǔ)能單元容量?jī)?yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（4）：241-245

［7］孫冠群，孟慶海，王斌銳，等.基于最大功率點(diǎn)與最小損耗點(diǎn)跟蹤光伏水泵系統(tǒng)效率優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（11）：61-70.

［8］畢大強(qiáng)，范柱烽，解東光，等.海島光儲(chǔ)直流微電網(wǎng)自治控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（4）：886-891.

［9］Anastasios I D，Panagiotis K，Constantine A，et al.Adaptive fuzzy gain scheduling PID controller for maximum power point tracking of photovoltaic system［J］.Renewable Energy，2013，60（12）：202-214.

［10］李春華，朱新堅(jiān).基于混合儲(chǔ)能光伏微網(wǎng)動(dòng)態(tài)建模與仿真［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（1）：39-46.

［11］李斌，寶海龍，郭力.光儲(chǔ)微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)儲(chǔ)能控制策略［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2014，3（34）：8-15.

［12］Jou H L，Chang Y H，Wu J C，et al.Operation strategy for a labscale grid-connected photovoltaic generation system integrated with battery energy storage［J］.Energy Conversion and Manage?ment，2015，89（1）：197-204.

［13］Jiang J A，Su Y L，Shieh J C，et al.On application of a new hybrid maximum power point tracking（MPPT）based photovoltaic system to the closed plant factory［J］.Applied Energy，2014，124（7）：309-324.

［14］Wang J C，Su Y L，Shieh J C，et al.High-accuracy maximum pow?er point estimation for photovoltaic arrays［J］.Solar Energy Materi?als and Solar Cells，2011，95（3）：843-851.

［15］趙玉林，張冬梅，馬文川，等.局部陰影條件下光伏電池多峰值最大功率點(diǎn)控制策略［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，46（5）：89-94.

［16］趙爭(zhēng)鳴，陳建，孫曉瑛.太陽能光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012：44-45.

［17］廖志凌，阮新波.獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)能量管理控制策略［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（21）：46-52.

［18］張犁，孫凱，吳田進(jìn)，等.基于光伏發(fā)電直流微電網(wǎng)能量變換與管理［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（2）：248-254.

［19］袁建華，高峰，高厚磊，等.獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)一能量控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（1增）：248-253.

［20］賈貴璽，趙鋼超，溫世運(yùn)，等.獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化管理［J］.可再生能源，2012，30（12）：5-9.

Greenhouse low-voltage photovoltaic/battery DC micro-grid design and experiment

FANG Junlong，ZHAO Zhaoyang，ZHOU Qinghai，SONG Lei，ZHAO Shuai，WANG Chao
（School of Electric and Information，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Aiming at a new-type greenhouse only have low voltage DC loads，this paper designed a new type of greenhouse low-voltage photovoltaic/battery DC micro-grid.Then put up with hybrid MPPT algorithm which combined perturbation and observation method with fast predicting method；designed the control strategy of system capacity and thereby realized the intelligent energy flow among photovoltaic cell，battery and load.The paper set up the test platform with TMS320F28335 processor as the core and conducted experimental verification.The test results showed that：the tracing effect of maximum power point was favorable，and busbar voltage keeps stable.The system could satisfy production requirement，and provided possibility of independent power supply for optical storage DC micro-grid in remote area.

DC micro-grid；control strategy；power point tracing algorithm；hybrid algorithm

S214；TM91

A

1005-9369（2016）09-0052-12

2016-07-08

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題子課題項(xiàng)目（2014BAD06B04-1-09）

房俊龍（1971-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與微電網(wǎng)。E-mail：junlongfang@126.com