微電網仿真實驗平臺的設計與實現

張建良, 于 淼, 包哲靜, 齊冬蓮

(浙江大學 電氣工程學院, 浙江 杭州 310027)

近年來,融合風、氫、太陽能、燃料電池等清潔能源的微電網技術已成為我國能源技術的發展方向之一,它對于優化能源結構和保障國民經濟可持續發展具有重大戰略意義。微電網已成為國家科技產業發展中的一個新型產業[1-3]。在微電網理論研究及工程實驗方面,國內外眾多科研機構開展了一系列的探索研究[4-7]。

關于微電網技術研究和實驗教學是浙江大學電氣類專業的特色發展方向,是浙江大學“雙一流”建設的重要方面。開展微電網實驗教學平臺的系統化建設,是推動浙江大學電力專業教育改革和一流學科建設的重要方面,是實施創新型人才培養戰略的重要環節[8]。

目前,涉及新能源和微電網技術的實驗研究取得了一系列成果[3-5],然而現有的實驗方法和實驗裝置存在一些固有的缺點,尚不足以揭示微電網內部各個模塊單元的運行機理,不能實現學科知識的交叉融合以及培養學生的動手能力和創新意識,主要表現在：

(1) 涉及微電網技術的傳統教學和實驗研究大都基于單一控制對象,沒有系統、綜合性的實驗教學內容[9-10]；

(2) 較少考慮微電網中現有通信系統對電力物理系統運行控制和可靠性、經濟性等性能分析方面的影響；

(3) 微電網實驗涉及高壓操作部分一般是利用專業軟件進行數字仿真,實驗效果不理想,也影響學生參與的積極性[11-12]；

(4) 現有實驗器材和課程設置強調對于基本概念和結論的分析、驗證,缺乏實物操作,在一定程度上影響了學生對微電網相關技術內容的理解和掌握[13-14]。

鑒于新能源及微電網相關課程實驗教學的重要性,迫切需要開發新型、系統級的微電網仿真實驗教學平臺,解決實驗教學中以演示教學為主和學生動手不足的問題[15-16]。

基于系統化的實驗教學思想和開放性的實驗設計模式,在優化和整合現有的微電網實驗設備基礎上,開發集層次化教學服務和科研實踐為一體的微電網仿真實驗系統。該系統主要借助于DSP單元快速處理數據的能力,采用信號分析與處理技術獲取與處理微電網相關單元的信息和通信情況,實現對微電網中運行的電力信號進行實時采樣和處理；利用系統控制技術對微電網內部單元進行優化和協調,通過實物仿真和數字仿真的結合,控制微電網內各種電力模塊單元電路的運行狀態,達到對微電網的實時監測與有效控制。

1 實驗平臺的總體結構

根據控制對象和功能的不同,微電網仿真實驗平臺包括3個層次：以上位機系統為主的高級層部分,以DSP系統控制器為主的中間層部分和以各種新能源單元為主的底層部分,其中底層微電網單元包括光伏發電模塊、風力發電模塊、儲能模塊及其相應的變換器,具體構造如圖1所示。

圖1 微電網仿真實驗平臺的結構

高級層中的上位機系統主要負責微電網系統的整體協調控制算法設計,同時實現與中間層的通信和控制指令的交換；中間層中的DSP系統控制器主要負責對微電網內部的交流電壓、電流、頻率以及直流側電壓、電流等信號進行分析和濾波處理,同時通過對底層中新能源單元的電路信號進行檢測,以利用控制電路產生PWM脈沖信號來驅動功率開關管,實現對底層新能源單元功率、頻率和電壓等的有效控制。

層與層之間利用特定的通信協議進行信息交換和控制指令的傳遞：高級層與中間層通過Modbus協議進行通信,中間層與底層通過電力信號連接線進行控制；在中間層內部的DSP部分和觸摸屏部分通過RS485協議進行通信。

2 實驗平臺的設計內容

實驗平臺的內容設計不但注重微電網的基本結構和特性,也重視系統級的操作和信息處理技術。通過各種擴展接口和資源,可以改進微電網的實驗形式和實驗內容,有利于設計和開展探究性實驗課題,在啟迪學生創新性思維和實踐動手能力、提高教學方式的靈活性、增加學習的深度和廣度方面具有明顯的優勢。

該實驗平臺的設計主要包括硬件部分設計和軟件部分設計。硬件部分主要由DSP系統控制器、觸摸顯示屏、上位機等組成；軟件部分主要包括系統控制程序、模塊控制程序、底層驅動程序和通信功能程序等。實驗平臺主要設計內容如圖2所示。

2.1 外圍硬件電路的設計與實現

外圍硬件電路的設計的主要內容是以DSP核心開發板為基礎的外圍控制和通信電路,為通信功能和底層驅動功能提供硬件支持(見圖3),具體包括：

(1) 設計AD采樣電路,實現新能源發電單元變換器輸出的模擬信號量與DSP控制器所產生的數字控制量之間的轉換,為協調微電網底層單元間的運行控制提供支持；

(2) 設計DSP外圍通信控制電路,包括基于TCP/IP協議的以太網接口和基于IEEE 802.11協議的無線網絡接口,實現DSP控制系統與外圍模塊(觸摸屏、上位機、新能源發電單元等)以及內部模塊(AD信號采樣電路、PWM控制電路等)的通信功能；

(3) 開發觸摸屏底層驅動程序,實現DSP系統控制器和觸摸屏基于RS485的運行信息通信能力,為微電網的底層硬件應用提供良好的人機交互界面；

(4) 基于以太網接口,調試并實現DSP系統控制器和上位機基于Modbus協議的調度指令通信；

(5) 在IR2110自舉電路的基礎上設計PWM驅動控制電路,以實現將DSP輸出信號轉換為驅動開關管通、斷所需的信號,實現對新能源發電單元的有效控制,并降低平臺開發成本,提高系統的可靠性。

圖2 實驗平臺主要設計內容

圖3 外圍硬件電路結構設計

2.2 底層驅動程序和電力信號處理算法設計

主要包括基于DSP模塊開發底層驅動程序、電力信號分析和處理算法,以實現DSP的初始化工作和微電網相關模塊信號的有效獲取。具體內容包括：

(1) 底層驅動程序：主要包括片上A/D采樣的初始化、定時器中斷的初始化、PWM的初始化以及以太網數據傳輸的相關程序；

(2) 電力信號分析處理算法：基于DSP處理器中的ADC模塊設計信號采樣和處理算法,實時采集微電網底層模塊輸出的三相電壓、電流、頻率、直流側電壓、電流等信號,經過信號變換、濾波、運算等環節,得到適用于系統進一步控制處理所需的信號。

2.3 模塊及系統控制程序的設計

基于上位機和DSP系統控制器,開發微電網模塊控制程序和系統級控制程序,以實現對新能源發電單元、儲能模塊以及對整個微電網的有效控制,如圖4所示。

圖4 模塊及系統控制程序設計

(1) 在Matlab軟件環境中建立微電網底層單元(光伏單元、風機單元、儲能單元等)的模型及模塊控制程序,轉換成C代碼并下載到DSP系統控制器中調試運行。通過DSP系統控制器獲取底層各個單元模塊中的電壓、電流等數據,進而設計變換器開關管控制算法以輸出PWM波形,從而控制底層單元中對應三相變換器中開關電路的通斷,以實現對微電網底層單元中各個新能源發電和儲能模塊的有效控制。

(2) 在上位機開發系統協調控制算法,并轉換成C代碼下載到DSP系統控制器中調試運行,實現對當前微電網整體運行狀況(包括電壓、電流、功率等參數和波形)的實時監測。通過對數據和波形的分析比較和后續調用,可以對微電網系統的控制時序、程序參數以及微電網的運行參數進行優化,從而達到系統整體最佳的控制效果。

3 實驗平臺的應用研究及成果

構建微電網仿真實驗平臺,不但可以為新能源控制、智能電網等實驗教學提供平臺支撐,而且系統運行經驗和數據積累可以有效服務于電氣工程相關專業師生的科研開發活動。

3.1 實驗教學應用

浙江大學電氣工程學院擁有電氣工程國家重點一級學科,在國家“雙一流”重點建設支持下,按照分層次、階段性、特色化的實施思路,對電氣大類本科生逐步開展微電網技術相關課程的理論和實驗教學。

(1) 微電網實驗教學的第一層次：基于微電網實驗平臺的建成和應用,改進傳統電力系統和新能源發電方面已有的數值仿真實驗,推出更加接近實際工程背景的實物仿真和半實物仿真實驗,提升基礎性微電網實驗的技術水平、提高學生參與的積極性。該類實驗內容主要是單體級新能源系統的仿真實驗,面對具備基礎知識和簡單應用能力的高年級本科生設置。

(2) 微電網實驗教學的第二層次：選擇系統級微電網單元的運行控制實驗教學內容,使實驗研究與實驗教學更加接近實際微電網的運行情況,有利于通過設計綜合性的實驗內容，讓學生掌握扎實的微電網實驗技術和知識。該類實驗主要面向具備一定微電網技術知識的高年級本科生和研究生設置。

(3) 微電網實驗教學的第三層次：強調對基本概念和基本結論的分析、綜合和提煉,培養學生獨立思考、發現問題和解決問題的能力,通過開展微電網探究性實驗,讓學生在教師指導下獨立設置實驗內容和實驗方式,以學生研究小組的形式達到個體主動學習、團體互動合作和創新性思維培養的目的。

3.2 輔助科學研究

借助于微電網實驗平臺的建設和運行,電氣工程學院近年來在微電網技術領域獲得了多項國家科技支撐計劃、“863”計劃、國家自然科學基金項目、省部級重大項目的支持,對新能源開發利用和微電網等技術開展，從理論到實踐進行了深入研究,該實驗平臺有力地支撐了學院相關科研團隊承擔國家“863”計劃項目“配電網信息物理系統關鍵技術研究及示范”“以可再生能源為主的冷熱電聯供微網系統關鍵技術研究”、國家自然科學基金重點項目“工業配用電信息物理系統安全防御理論及關鍵技術研究”等國家級項目以及一批省級科研項目。在該實驗平臺的支撐下,學院科研團隊近年來在新能源和微電網相關研究領域獲得國家級科技獎勵3項、省級科技獎勵10多項,發表SCI和EI收錄論文500多篇,大大提高了電氣工程學院在微電網技術研究領域的國內外影響力。

4 結語

微電網仿真實驗平臺綜合利用信號處理、控制理論的知識和工具來解決微電網領域的控制和信息處理問題。通過該微電網仿真實驗平臺的構建和實施,不僅可以為電氣、信息、自動化類專業的學生提供一個實踐平臺,提升學生在電力系統、控制理論等專業的綜合應用能力,而且也為電氣領域的科學研究提供了良好的設備支撐和驗證平臺,推動電氣學科和控制學科的學科交叉融合和創新性人才培養體系的進一步完善和發展。