基于ZigBee的微網(wǎng)控制策略研究與實(shí)現(xiàn)

張 鴻，寧躍飛

(鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院，河南鄭州451191)

基于ZigBee的微網(wǎng)控制策略研究與實(shí)現(xiàn)

張 鴻，寧躍飛

(鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院，河南鄭州451191)

良好的微網(wǎng)控制策略是解決分布式電源并網(wǎng)的重要方法。在研究微網(wǎng)控制策略的基礎(chǔ)上，提出了利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和手段對相應(yīng)的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的方案。介紹了微網(wǎng)的運(yùn)行方法，選用了Droop控制方法作為微網(wǎng)的并網(wǎng)控制策略，并采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對其功能進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

分布式發(fā)電；微網(wǎng)；控制策略；物聯(lián)網(wǎng)

分布式發(fā)電是靈活利用可再生能源的主要方式之一。它可以有效地解決能源短缺、環(huán)境保護(hù)等問題。同時(shí)，作為傳統(tǒng)電源的一種補(bǔ)充，也可以解決傳統(tǒng)電源不能靈活追蹤負(fù)荷、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高的缺點(diǎn)。但是分布式發(fā)電系統(tǒng)一般都采用風(fēng)能、太陽能等發(fā)電方式構(gòu)成，具有一定的不可控性，同時(shí)分布式發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)削峰填谷、降低損耗、改善電網(wǎng)可靠性等環(huán)節(jié)上也產(chǎn)生了成本高、控制難、隨機(jī)性強(qiáng)等問題。因此，采取可靠的技術(shù)手段來解決分布式發(fā)電并網(wǎng)時(shí)所面臨的難題，是目前研究的重點(diǎn)。

微網(wǎng)是近年來提出的一種新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是一種集分布式電源、儲(chǔ)能裝置、電力電子裝置、負(fù)載和控制保護(hù)裝置于一身的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的智能系統(tǒng)[1]。微網(wǎng)的出現(xiàn)，不僅可以解決傳統(tǒng)大電網(wǎng)發(fā)電方式單一、投資大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，同時(shí)微網(wǎng)還可以把供電和供冷、供熱結(jié)合起來，形成有效的統(tǒng)一服務(wù)系統(tǒng)，對完善生產(chǎn)生活的服務(wù)體系具有重要的意義。

微網(wǎng)具有兩種運(yùn)行方式：一種是獨(dú)立運(yùn)行，即脫網(wǎng)孤島運(yùn)行方式，這種方式以微網(wǎng)為核心，與大電網(wǎng)相隔離，自成系統(tǒng)，可以不受大電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響；另一種方式是并網(wǎng)運(yùn)行，微網(wǎng)以某種方式與主網(wǎng)相連接，主要的運(yùn)行方式受主網(wǎng)支配的運(yùn)行方式。這兩種運(yùn)行過程需要具有靈活切換的能力，并且切換需要及時(shí)平滑。

微網(wǎng)運(yùn)行可控性強(qiáng)、規(guī)模小、運(yùn)行方式靈活，但是微網(wǎng)系統(tǒng)又是一門涉及多種學(xué)科的交叉技術(shù)，其運(yùn)行模式與控制策略的選擇對其運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，具有重要的意義。

1 微網(wǎng)的運(yùn)行策略分析及確定

圖1所示為文獻(xiàn)[1]提出的微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)。從圖中可知，多種發(fā)電形式均可順利成為微網(wǎng)的基本組成部分，其中包括了光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、生物質(zhì)發(fā)電等形式。同時(shí)微網(wǎng)系統(tǒng)中還特別增加了與供電系統(tǒng)相并行的供冷供暖系統(tǒng)。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用兩條線路完成功能：一條為電力線，主要作為供電線路；另一條為信息線，信息線的作用是將采集的數(shù)據(jù)上傳至中央控制單元，同時(shí)將中央控制單元的控制命令發(fā)送至微網(wǎng)的控制開關(guān)中，以完成微網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程調(diào)控。

圖1 微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)中的中央控制單元起到對微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析、確定運(yùn)行方式的目的。在中央控制單元中內(nèi)置的以微網(wǎng)控制策略為基礎(chǔ)的算法是其運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。

目前，微網(wǎng)的控制策略主要有三種，分別為：Droop控制策略、V/f控制策略、PQ控制策略[2]。

Droop控制策略主要是通過模仿傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)下垂特性而對逆變器進(jìn)行控制的一種方法。它主要利用系統(tǒng)輸出有功功率與頻率之間、無功功率與電壓幅值之間均呈現(xiàn)線性關(guān)系來調(diào)節(jié)微網(wǎng)的輸出有功功率和無功功率，具有切換平滑的優(yōu)勢。V/f控制策略是指恒壓恒頻控制策略。該策略主要實(shí)現(xiàn)了無論逆變器電源輸出的功率如何變化，其輸出的電壓幅值和頻率均在一定條件下維持不變的基本功能。而PQ控制策略是恒功率控制，主要的控制方式是通過對有功電流和無功電流的解耦控制，來實(shí)現(xiàn)當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)母線的頻率和電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，系統(tǒng)輸出的有功功率和無功功率能夠保持不變的策略。考慮到微網(wǎng)與并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)狀態(tài)的切換需要具有一定的平滑性，因此本設(shè)計(jì)采用Droop策略來作為微網(wǎng)的控制策略。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的微網(wǎng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

采用物聯(lián)網(wǎng)的方式來實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)控制系統(tǒng)是解決微網(wǎng)運(yùn)行過程的良好結(jié)構(gòu)選擇。物聯(lián)網(wǎng)的一種定義是：通過無線射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)(GPS)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[2]。在微網(wǎng)中，存在兩種線路通道，一種是電力線路，用以傳輸電能；另一種是信息通路，用以傳輸數(shù)據(jù)和控制命令。在本設(shè)計(jì)中，信息通路采用物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)，分別為感知層、通信層、中央控制與應(yīng)用層。在感知層中，采用短距離通信技術(shù)ZigBee來完成，由各ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星形結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)，信息傳輸選用2.4 GHz工作頻段，采用IEEE 802.15標(biāo)準(zhǔn)，具體芯片選用德州儀器生產(chǎn)的CC2530。CC2530節(jié)點(diǎn)的I/O口上連接各種電流、電壓等參數(shù)傳感器，采集的數(shù)據(jù)通過射頻方式傳輸至整個(gè)星形網(wǎng)的核心——協(xié)調(diào)器端。協(xié)調(diào)器也由CC2530來承擔(dān)，主要的任務(wù)是將各個(gè)終端ZigBee節(jié)點(diǎn)采集來的數(shù)據(jù)上傳至底層數(shù)據(jù)處理中心。整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的搭建是在符合ZigBee2007協(xié)議規(guī)范的協(xié)議棧軟件ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0的基礎(chǔ)上完成的。協(xié)調(diào)器上電后，由啟動(dòng)代碼來初始化硬件系統(tǒng)和軟件架構(gòu)需要的各個(gè)模塊，ZStack采用輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，由main()函數(shù)開始執(zhí)行，完成系統(tǒng)硬件初始化以及進(jìn)入OSAL操作系統(tǒng)層。

底層數(shù)據(jù)處理中心由嵌入式芯片來完成，ZigBee協(xié)調(diào)器與嵌入式芯片采用串口連接，芯片選用飛凌嵌入式ARM11的S3C6410開發(fā)板來擔(dān)當(dāng)。嵌入式中心的作用有兩個(gè)：一個(gè)是對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理，使其格式更加符合數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅涣硪粋€(gè)作用就是通信網(wǎng)關(guān)的功能，由于底層數(shù)據(jù)的通信協(xié)議采用ZigBee2007，而通信層采用工業(yè)以太網(wǎng)來完成，因此，嵌入式中心負(fù)責(zé)完成兩個(gè)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

中央控制單元設(shè)立在系統(tǒng)服務(wù)器中，除正常的應(yīng)用系統(tǒng)之外，最主要的就是Droop控制策略的實(shí)現(xiàn)。Droop控制策略的實(shí)現(xiàn)首先要依賴于硬件系統(tǒng)來完成。圖2是基于Droop控制的硬件功能框圖，整個(gè)系統(tǒng)的控制主體是功率控制和電壓電流雙閉環(huán)控制。功率環(huán)控制模塊以從ZigBee節(jié)點(diǎn)中上傳上來的各種逆變器及其他設(shè)備的輸出電壓及電流的采樣數(shù)據(jù)為依據(jù)，以有功功率及無功功率的計(jì)算為目標(biāo)，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對逆變器的有功功率和無功功率的計(jì)算，并將生成的結(jié)果輸入至下垂方程模塊中進(jìn)行P-f和Q-V計(jì)算，從而得出系統(tǒng)運(yùn)行的參考電壓。另一個(gè)控制模塊是電壓電流雙閉環(huán)控制模塊，該模塊是以功率環(huán)控制模塊所提供的電壓為依據(jù)，計(jì)算出當(dāng)前電壓的適應(yīng)性電流，并通過PWM脈沖形式輸入至逆變器進(jìn)行參數(shù)較正，同時(shí)該結(jié)果也會(huì)反饋至微網(wǎng)母線側(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖2 Droop控制三相全橋逆變器系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖2中所示的各部分功能，一部分完全依靠硬件來完成，例如數(shù)據(jù)的采集、通信等，而另一部分功能是需要進(jìn)行高精度計(jì)算的，例如功率的計(jì)算、參考電壓值的得出、參考電流值的得出等，這一部分功能在中央控制單元中完成，計(jì)算的依據(jù)是系統(tǒng)的無功及有功換算公式，具體如式(1)及式(2)所示[3]。

3 總結(jié)

本文從微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，對微網(wǎng)中逆變器的控制策略進(jìn)行了分析，確定了以Droop控制策略為基本控制策略的微網(wǎng)管理運(yùn)行系統(tǒng)，并對其主要設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明。

本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)的基本三層結(jié)構(gòu)，利用嵌入式系統(tǒng)和ZigBee技術(shù)構(gòu)建底層數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，借助工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送，并設(shè)立中央處理中心，完成數(shù)據(jù)的處理和控制命令的下達(dá)。

為了提高微網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，本系統(tǒng)采用了Droop的控制策略來對微網(wǎng)進(jìn)行管理，并設(shè)計(jì)了內(nèi)外環(huán)控制的方式，外環(huán)控制對Droop控制進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)環(huán)對電流和電壓進(jìn)行分析處理，形成了完整的控制體系，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

[1]黃小榮.微網(wǎng)運(yùn)行模式及控制策略研究[J].華東電力，2012(5)：798-799.

[2]張中鋒.微網(wǎng)逆變器的下垂控制策略研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2013：12-13.

[3]王寧.微網(wǎng)系統(tǒng)能量管理技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010：85-100.

Research and implementation of microgrid control strategy based on ZigBee

A good micro network control strategy was an important way to solve the distributed power grid.On the basis of the study on the control strategy for micro network,the use of the Internet of things technology and means were proposed to carry on the design and implementation of the function of the corresponding solution.The operation method of micro network was introduced.The DROOP control method was chosen as the network interconnection control strategy.At last the technology of wireless sensor network was used by the design to realized its function.

distributed generation;microgrid;control strategy;internet of things

TM 61

A

1002-087 X(2016)03-0725-02

2015-08-28

張鴻(1975—)，女，河南省人，碩士生，副教授，主要研究方向?yàn)檐浖こ獭D像處理。