基于DSP的微電網(wǎng)泛能控制實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

張建良，　吳　越，　齊冬蓮，　王立志

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027)

0　引　言

隨著對能源需求的快速增長，人們迫切需要對各種新能源發(fā)電技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)融合和有效管理。在此背景下，微電網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展起來，并成為現(xiàn)階段國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題[1-6]。通過構(gòu)建微電網(wǎng)泛能控制器有助于實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)系統(tǒng)的有效控制[7-9]。本文將基于DSP單元，搭建主要由DSP系統(tǒng)控制器、觸摸顯示屏、上位機(jī)等硬件部分和模塊控制程序、底層驅(qū)動程序和通信程序等軟件部分組成微電網(wǎng)泛能控制實(shí)驗(yàn)平臺。

該實(shí)驗(yàn)平臺可以方便直觀地實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)中各種新能源發(fā)電模塊，如風(fēng)機(jī)、光伏等的有效控制[10-11]；同時基于DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算能力，可以達(dá)到對新能源發(fā)電等模塊運(yùn)行管理的實(shí)時性要求。通過該微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建和實(shí)施，不僅可以為高等院校電氣類學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動手能力訓(xùn)練提供實(shí)踐平臺，而且也可以為電氣領(lǐng)域的科學(xué)研究提供良好的設(shè)備支撐，推動高等院校電氣學(xué)科創(chuàng)新性人才培養(yǎng)體系的進(jìn)一步完善[12-15]。

1　實(shí)驗(yàn)平臺的總體結(jié)構(gòu)

1.1　實(shí)驗(yàn)平臺的結(jié)構(gòu)

基于DSP的微電網(wǎng)泛能控制實(shí)驗(yàn)平臺主要功能是實(shí)現(xiàn)對新能源發(fā)電、儲能等模塊的半實(shí)物仿真控制，該平臺主要由DSP系統(tǒng)控制器為主的硬件部分和相應(yīng)的功能程序軟件部分構(gòu)成，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件組成部分包括：① 該實(shí)驗(yàn)平臺將采用TI公司TMS320F28377D型DSP為核心，并通過搭建相關(guān)外圍電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息與控制信息在DSP與平臺中各個硬件部分之間的通信和轉(zhuǎn)換，從而構(gòu)成DSP系統(tǒng)控制器，并通過控制連接線實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)中新能源發(fā)電模塊、儲能模塊等變換器的控制；② 為了具有更好的人機(jī)交互環(huán)境，采用觸摸顯示屏實(shí)現(xiàn)對DSP內(nèi)部信息的實(shí)時監(jiān)控；③ 采用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)核心控制程序的調(diào)試以及對實(shí)驗(yàn)平臺中多個DSP控制器的監(jiān)控和協(xié)調(diào)功能。

軟件組成部分主要包括：① 底層驅(qū)動程序。實(shí)現(xiàn)DSP核心電路中寄存器以及外圍功能電路相關(guān)芯片的初始化程序等；② 模塊控制程序。包括前期在上位機(jī)中為風(fēng)機(jī)、光伏等新能源發(fā)電模塊和儲能模塊所設(shè)計(jì)的在Matlab環(huán)境下的模塊控制程序，以及轉(zhuǎn)換成C語言并下載到相應(yīng)DSP控制器中運(yùn)行的C語言環(huán)境下的模塊控制程序；③ 通信程序。包括通過RS-485通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)DSP的ADC單元采集數(shù)據(jù)實(shí)時顯示到顯示屏，以及通過基于TCP/IP的Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)讀取采集DSP端的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)。

1.2　實(shí)驗(yàn)平臺的具體組成

1.2.1硬件部分

(1) DSP主芯片選型。DSP系統(tǒng)控制器的作用主要是完成對電網(wǎng)數(shù)據(jù)的采樣，并對采樣數(shù)據(jù)處理以形成PWM控制開關(guān)管的通斷，達(dá)到對新能源發(fā)電等模塊的監(jiān)測與控制。為了實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)各模塊實(shí)時性控制，需要DSP具有較高的運(yùn)算速度。選用TI公司TMS320F28377D型DSP具有兩個處理器單元，極大提高了芯片的數(shù)據(jù)處理能力，同時該DSP具有豐富的接口，足夠滿足實(shí)驗(yàn)平臺的通信與處理需求，實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)中電力數(shù)據(jù)的采樣與相關(guān)模塊的控制功能。

(2) 網(wǎng)絡(luò)通信單元。采用致遠(yuǎn)公司的IPORT-2模塊，實(shí)現(xiàn)DSP系統(tǒng)控制器與上位機(jī)之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，電路原理圖如圖2所示。該單元具備多功能型嵌入式以太網(wǎng)與串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，方便實(shí)驗(yàn)平臺中相關(guān)部分以靈活可靠的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和連接功能。

圖2以太網(wǎng)模塊

(3) 觸控屏單元。采用迪文DGUS基于K600+內(nèi)核設(shè)計(jì)的屏幕，將GUI分解成控件并按頁面來配置，而控件顯示則直接由變量控制，通過將幾個簡單的頁面疊加以形成特定顯示頁面。該屏幕方便用戶通過組態(tài)軟件設(shè)計(jì)交互界面和配置變量，DSP系統(tǒng)控制器與屏幕只需通過寄存器進(jìn)行交互，開發(fā)過程方便快捷。

(4) PWM電路和AD采樣電路。PWM單元的電路原理圖如圖3所示，其中U1，U2為PWM電壓轉(zhuǎn)換芯片，將DSP輸出的3.3 V PWM電壓轉(zhuǎn)換成變換器接口對應(yīng)的5 V PWM電壓。AD采樣電路將新能源發(fā)電等模塊變換器端的電網(wǎng)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，便于DSP系統(tǒng)控制器進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和控制，其電路原理圖如圖4所示。

最后將所設(shè)計(jì)的兩個以太網(wǎng)口、兩個AD接口、一個PWM接口、PWM電壓轉(zhuǎn)換芯片、485芯片、I2C存儲芯片及相關(guān)電阻焊接到PCB板，并將F28377D套件與外擴(kuò)電路板連接，最終得到DSP系統(tǒng)控制器的電路板實(shí)物如圖5所示。

1.2.2軟件部分

圖3PWM電路原理圖

圖4AD模塊電路原理圖

圖5　DSP系統(tǒng)控制器電路板實(shí)物圖

為了發(fā)揮硬件部分的功能作用，采用TI公司配套的Code Composer Studio (CCS) 軟件，開展基于DSP系統(tǒng)控制器的程序設(shè)計(jì)與調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)內(nèi)部模塊的有效控制。實(shí)驗(yàn)平臺的軟件部分主要包括三部分：

(1) 底層驅(qū)動程序部分。該部分是保證硬件部分正常工作的基礎(chǔ)，主要包括實(shí)現(xiàn)對DSP相關(guān)寄存器以及外圍電路單元的芯片初始化工作，具體包括A/D模塊初始化、PWM模塊初始化、定時器初始化、SCI模塊初始化以及其他相關(guān)芯片初始化程序等。

(2) 模塊控制程序部分。該部分是微電網(wǎng)泛能控制實(shí)驗(yàn)平臺的核心功能部分，直接決定了平臺的功能實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)穩(wěn)定性能。為了減少直接在DSP環(huán)境下編寫代碼容易出錯的缺陷，同時加快平臺的開發(fā)進(jìn)度，在實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建過程中采取首先在上位機(jī)Matlab環(huán)境下設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)、光伏新能源發(fā)電等模塊的模塊控制程序，待調(diào)試通過后再轉(zhuǎn)換成C語言代碼，并下載到相應(yīng)的DSP控制器中運(yùn)行；進(jìn)而利用DSP中ADC電路實(shí)時采集新能源發(fā)電等模塊變換器端輸出的三相電壓、電流、頻率等數(shù)據(jù)，經(jīng)過DSP中運(yùn)行的控制算法輸出PWM波，以控制新能源發(fā)電等模塊變換器中開關(guān)管的通斷，以滿足電能并網(wǎng)波形要求。在模塊控制程序中，通過定時器設(shè)定采樣周期，在達(dá)到預(yù)定時間后定時器中斷置位標(biāo)志位，在主程序中不斷查詢該標(biāo)志位，若標(biāo)志位置位則ADC啟動采樣新能源發(fā)電等模塊發(fā)送過來的模擬量，并運(yùn)行相應(yīng)模塊的控制算法，輸出PWM控制波。為充分利用DSP處理器性能以提高控制效果，將中斷周期設(shè)定為0.25 ms，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺的控制周期為0.25 ms。

(3) 通信程序部分。該部分主要實(shí)現(xiàn)對DSP控制器實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控和傳遞功能，包括兩個方面的通信和信息傳遞：① 為了就地觀測新能源發(fā)電等模塊的實(shí)時數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀況，利用RS-485通信協(xié)議，將DSP中ADC單元的采集數(shù)據(jù)實(shí)時顯示到相應(yīng)模塊旁邊的觸控屏單元；② 為了對微電網(wǎng)全局系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)控，基于TCP/IP的Modbus協(xié)議，在上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)人機(jī)接口界面，以讀取DSP系統(tǒng)控制器端采集的微電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2　實(shí)驗(yàn)平臺的性能指標(biāo)

通過構(gòu)建微電網(wǎng)泛能控制實(shí)驗(yàn)平臺，將實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)中新能源發(fā)電等模塊的實(shí)時監(jiān)控與運(yùn)行優(yōu)化，包括基本功能和擴(kuò)展功能兩個部分：

(1) 基本功能。實(shí)驗(yàn)平臺對新能源發(fā)電等模塊的運(yùn)行模擬量實(shí)現(xiàn)實(shí)時采樣功能，主要包括：① 采樣通道>12個，采樣時間<1 ms；② 能夠生成SVPWM信號并進(jìn)行輸出，以控制開關(guān)管的有效通斷，其中信號數(shù)量12路，輸出頻率0～3 kHz；③ 通過以太網(wǎng)方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，傳輸數(shù)據(jù)通道數(shù)>5路(包括電壓、電流、功率值等)，接收數(shù)據(jù)通道1路，傳輸速率>1 MB/s；④ 具備外圍電路擴(kuò)展能力，包括實(shí)現(xiàn)串口通信功能，傳輸數(shù)據(jù)種類不少于9類，串口波特率115 200；⑤ 實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換時間<1 ms，轉(zhuǎn)換精度12位。

(2) 擴(kuò)展功能。實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)對新能源發(fā)電等模塊的分布式控制功能，主要包括：① 在集中式通信和分布式通信條件下對光伏、風(fēng)機(jī)、儲能等變換器中開關(guān)管通斷狀態(tài)以及電壓、電流狀態(tài)量的控制；② 具備對新能源發(fā)電等模塊的模擬與保護(hù)功能，主要包括對光伏、風(fēng)機(jī)、蓄電池進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，實(shí)現(xiàn)對分布式能源的保護(hù)控制，包括直流母線電壓控制、并網(wǎng)功率控制、分布式電源開關(guān)控制、分布式電源過欠壓、過欠頻和過流保護(hù)等；③ 實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的交互功能，包括電壓、電流、頻率、工作狀態(tài)(正常狀態(tài)、故障狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、停機(jī)狀態(tài))等的實(shí)時傳輸功能(由DSP系統(tǒng)控制器發(fā)送至上位機(jī)系統(tǒng))；④ 遙調(diào)信號功率的實(shí)時控制功能(由上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送至DSP系統(tǒng)控制器)；⑤ 實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電等模塊的協(xié)同控制功能，包括光伏集群備用率參考值傳輸功能(由上位機(jī)傳送指令至任意一臺可用光伏發(fā)電模塊)，光伏集群輸出功率的分布式協(xié)同分配；⑥ 具備微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全模擬功能，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)在延時、丟包、數(shù)據(jù)篡改等故障下的模擬和恢復(fù)功能。

3　實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用

構(gòu)建微電網(wǎng)泛能控制實(shí)驗(yàn)平臺，有助于培育和形成以微電網(wǎng)為核心的電力信息控制綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，有助于將電力控制類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重心從以單體控制為主逐步轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)級協(xié)調(diào)控制的教學(xué)模式上，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的系統(tǒng)性和內(nèi)容的真實(shí)性[8]。該實(shí)驗(yàn)平臺將覆蓋“信號分析與處理”課程中信號的采樣、濾波器設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以及“控制理論”“電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制”中電子模擬實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)動態(tài)特性等綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，同時可以擴(kuò)展形成微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)等探究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，大大增加學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的興趣，有助于不斷改進(jìn)高等學(xué)校微電網(wǎng)相關(guān)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式和效果[8,12]。進(jìn)一步地，該實(shí)驗(yàn)平臺的成功構(gòu)建，為高校教師在新能源發(fā)電、微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)等研究應(yīng)用領(lǐng)域提供平臺基礎(chǔ)，為高等學(xué)校科研和教學(xué)改革工作提供了有力的實(shí)驗(yàn)支撐。通過結(jié)合實(shí)際教學(xué)、科研和工業(yè)應(yīng)用場景，利用基于DSP的微電網(wǎng)泛能控制實(shí)驗(yàn)平臺，可以實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)以及配電網(wǎng)的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真模擬和經(jīng)濟(jì)分析，有利于為研究部門和電網(wǎng)企業(yè)的技術(shù)設(shè)計(jì)、投資分析等提供有效的決策參考[7,11]；同時，基于該平臺系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)理念和豐富的擴(kuò)展接口，針對智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和科研實(shí)際特點(diǎn)，可以不斷拓展和延伸實(shí)驗(yàn)平臺的功能，在服務(wù)工業(yè)企業(yè)產(chǎn)品測試和科研實(shí)驗(yàn)等方面，提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)保障和經(jīng)驗(yàn)支撐，有助于加快微電網(wǎng)相關(guān)科研項(xiàng)目和產(chǎn)業(yè)實(shí)施的推進(jìn)效果[13]。

4　結(jié)　語

微電網(wǎng)泛能控制實(shí)驗(yàn)平臺的建立，有助于將以微電網(wǎng)為代表的電力信息控制類實(shí)驗(yàn)教學(xué)重心，從以單體控制為主逐步轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)級協(xié)調(diào)控制的教學(xué)模式上，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的系統(tǒng)性和綜合性，增加學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的興趣，有助于不斷改進(jìn)電力控制類實(shí)驗(yàn)的教學(xué)形式和授課效果；同時系統(tǒng)化的平臺設(shè)計(jì)方案有助于開展面向“信號分析與處理”“現(xiàn)代控制理論”“電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制”等專業(yè)核心課程的綜合性和探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而推進(jìn)學(xué)科交叉融合水平，優(yōu)化理論知識與實(shí)驗(yàn)技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)和創(chuàng)新模式，不斷改進(jìn)電氣信息控制類課程的教學(xué)模式和教學(xué)手段；該實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)成果為高校教師在新能源發(fā)電、微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)等研究應(yīng)用領(lǐng)域，提供強(qiáng)有力的平臺基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)支撐，有助于推動微電網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域的科研技術(shù)項(xiàng)目和應(yīng)用示范工程的實(shí)施和發(fā)展。

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