基于LabVIEW的微電網經濟運行實驗平臺設計

于 群, 段紅利

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島 266510)

0 引 言

微電網系統作為分布式電源以及多種負荷有效組織形式，能夠進行發電優化調度、負荷管理、實時監測并自動實現微電網同步。太陽能、風能等新能源具有不可控性及不穩定性的缺點，不僅會使負荷的用電無法得到保障，而且會影響電力系統的穩定性[1]。如何充分利用清潔能源，實現微網系統穩定高效的運行，是微網系統需研究的首要問題。蓄電池等儲能設備，在微電網的運行過程中具有抑峰平谷的作用，配合柔性負荷投切控制策略，有利于實現微電網持續供電，增強運行可靠性和穩定性[2]。

本文針對微電網清潔能源發電間歇導致蓄電池頻繁充放電問題，提出次要負荷協同儲能設備工作的控制策略，構建以LabVIEW為核心，集成數據監測與優化控制功能的微電網經濟運行實驗平臺。

該平臺由輸入、運算、顯示3個模塊組成。在微網正常工作時，選擇模式1。無風或微風天風機無法投入發電，陰雨天光伏電池無法工作時，選擇模式2。兩種工作模式相互協調滿足實驗要求。

1 系統整體設計

1.1 系統組成

微電網系統的整體結構框圖如圖1所示。風電機組、光伏電池組及微型燃氣輪機發電系統發出的電能輸送至400 V交流母線，母線一端連接蓄電池及兩種負載，另一端經過變壓器連接大電網。根據負載優先級不同分為重要負荷及次要負荷。在檢測到系統發電量不足時，利用上位機完成優化計算，通過切除次要負荷、改變微型燃氣輪機發電功率、增加或減少從大電網購電量、改變電池充放電功率，實現經濟運行。

圖1 微電網監控系統結構圖

1.2 系統優化控制

微網集中有多種分布式能源，其中可再生能源發電存在間歇性與隨機性。微電網若直接接入大電網，將會影響大電網電能質量，甚至導致系統失穩[3]。因此，本設計中的微電網只在功率缺額時從大電網購電，并不向電網售電。風電機組及光伏電池出力的間歇性給微電網的調度增加了難度。為保證系統實現經濟運行，提出一種次要負載投切協同蓄電池出力調節控制策略，避免蓄電池頻繁充放電，從而延長蓄電池的使用壽命，實現系統經濟運行。策略如下：

(1) 風電機組及光伏電池組作為清潔能源，將以最大功率發電，Sw(t)=Sw·max，Sp(t)=Sp·max。

(2) 當Sw(t)、Sp(t)可以滿足所有負載用電量時，根據當前時刻蓄電池荷電狀態(state of charge ，SoC)決定是否將多余電能存入蓄電池。若儲能裝置SoC達到上限，則降低燃氣輪機輸出功率來維持系統內功率平衡。

(3) 當Sw(t)、Sp(t)之和小于當前負荷用電量時，計算功率缺額，首先切除相應大小的可中斷負荷。若所有次要負荷都因發電功率供不應求被切除，則提高微型燃氣輪機輸出功率直至滿足負荷的功率需求。若提高微型燃氣輪機輸出功率后系統供能仍低于負載用電量，蓄電池等儲能設備還存在可用電量，則投入蓄電池供能。若此時仍不能使系統功率供需平衡，則根據缺額量從大電網購電，功率限制在50 kW。

2 實驗平臺構成

利用上位機搭載組態軟件結合下位機硬件系統來設計實驗平臺是較為普遍且有效的實現方案。

目前，控制領域比較常用的組態軟件在國外主要有LabVIEW、FIX32、Wincc，國內則有組態王、力控、FameView等。LabVIEW程序基于數據流驅動[4]，軟件數據庫包括了數據采集、分析、存儲及顯示，以及GPIB、串口通信控制等函數包[5]，LabVIEW集成化的編程環境可以與真實的物理信號相連來獲取數據并進行分析，可以從根本上提高系統的工作效率。并且，該軟件功能強大，在測量、工業控制、科研仿真、軟件開發等領域有著廣泛的應用[6-7]。

(1) 組態軟件選型。LabVIEW作為虛擬儀器開發軟件, 它能提供多種硬件驅動，具有強大的圖形顯示能力以及完備的高級數學分析庫。程序設計過程快速便捷，通過編程很容易改變虛擬組件的設置和功能[8]，開發者可以根據實際生產或演示需要重新構建新的虛擬實驗平臺[9-10]，為學術研究和工業自動化應用提供了一個直接高效的設計環境[11]。

該軟件除了對設備數據的監測顯示功能以外，還可以通過組件調用Matlab程序獲取經濟優化算法[12]，對采集到的數據進行分析計算，控制功能通過下位機控制器實現。該軟件為實驗者提供簡潔的監測界面，可動態顯示設備運行狀況。此外，它還具有靈活的組態方式以及數據通信連接功能。LabVIEW以強大的數據庫和友好的用戶界面，可以大大提高開發效率[13]，實現實驗平臺的監控需求。

(2) 算法選擇。改進型粒子群算法(GA-PSO)是將遺傳算法加入粒子迭代過程配合粒子群算法進行尋優[14]。粒子群算法(PSO)收斂速度快，但是精度低，在尋優過程中容易陷入局部最優解。給 PSO中的粒子加入遺傳變異迭代操作，增強了粒子跳出局部最優的能力，避免了算法迭代過程中的早熟現象。

(3) 控制器選型。本設計中用DVP20EX作為控制器，該型號PLC帶有4個模擬量輸入端口和2個模擬量輸出端口。模擬量輸入及輸出信號可以為電壓或電流信號，但兩者范圍不同。EX系列PLC主機I/O為20點，擴展后最大為238點。通信端口為RS-232與RS-485，可使用MODBUS ASCII/RTU通信協議。由此可知，該型號PLC模擬量端口及通信方式滿足設計需要。

3 試驗平臺設計

分析微電網經濟運行實際工況，確定風-光-蓄-燃系統需要采集的數據以及調控量。利用LabVIEW組態軟件搭建上位機監控界面，將Matlab中控制算法通過Matlabscript組件寫入LabVIEW，監測兩種工作模式下的優化結果。

3.1 數據處理

由LabVIEW編寫模擬風速、光照強度、蓄電池荷電狀態、次要負荷接入量以及燃氣輪機功率大小等數據，以此作為信號輸入直接傳至庫函數優化計算以及顯示界面。

數據處理使用Matlab編寫改進型粒子群算法。LabVIEW和Matlab通過Matlabscript組件實現混合編程，在LabVIEW中加入Matlab算法程序，讓優化計算過程變得簡單方便且易于實現。

3.2 上位機顯示界面設計

微網經濟運行實驗平臺顯示面板是實驗平臺的重要組成部分，如圖2所示。

在工作模式2下，設備參數的設置、測試結果和顯示功能都由軟件編程實現，因此要求系統軟件的界面簡單直接[15]，具備相關操作和顯示控件，方便用戶操作和易于觀察系統的工作狀況[16]。直接操作上位機界面風速、光照強度調節按鈕，系統則根據當前輸入值快速計算出設備最優出力點，實現經濟運行。分布式電源的出力變化，以及本時段運行受控設備工作狀態實時顯示，方便學員理解經濟運行過程。

圖2 微網經濟運行實驗平臺顯示面板

3.3 數據輸入模塊設計

光伏電池選取SunPowerSPR-305-WH7型光伏電池板進行模擬，根據光伏電池外特性，編寫光伏發電模塊，運行流程圖和程序如圖3、4所示。蓄電池外特性如下：

Up(t)=Um·ln(e+b·ΔS)(1-C·ΔT)

(1)

(2)

(1+a·ΔT)

(3)

式中：光伏電池最大功率點輸出電壓和電流分別為Um=54.7 V，Im=5.58 A；ΔS=S-Sref；參考輻射強度Sref=1 kW/m2；ΔT=T-Tref；參考電池溫度Tref=25 ℃，補償系數a、b、c為常數，a=0.002 5 ℃-1，b=5 cm/W,c=0.002 88 ℃-1，最大視在功率Sm=U·I。

圖3 光伏電池模擬模塊運行流程圖

圖4 光伏電池模擬模塊

風力發電機模擬模塊見圖5。其外特性公式如下為：

(4)

式中：vi為切入風速3 m/s；vo為切出風速24 m/s；vr為額定風速12 m/s；Sw·max為風電機組額定輸出功率(200 kW)。

圖5 風機發電模擬模塊

蓄電池模塊運行流程圖及程序如圖6～7所示。

圖6 蓄電池模擬模塊運行流程圖

將風光等數據以24×4數組形式寫入txt文件，數據讀取模塊可在確定文件路徑后將參數讀入，進行下一步計算操作。文件讀取流程及程序如圖8～9所示。

圖7 蓄電池模塊程序圖

圖8 數據讀取運行流程圖

圖9 數據讀取模塊

3.4 數據處理模塊設計

選擇粒子群算法作為數據優化算法，使用LabVIEW中的Matlabscript組件，將編寫好的Matlab算法程序連接起來。部分算法程序如圖10所示。

圖10 粒子群算法程序圖

4 實驗平臺測試

0時刻默認蓄電池SoC為0.5，剩余電量25 kWh，燃氣輪機未投入運行，次要負荷接入量為5 kW。使用HOMER軟件模擬24 h風光參數，獲得系統輸入數據如圖11所示。

經過實驗平臺對輸入參數處理，獲取優化計算后的結果如圖12所示，以14：00的運行數據為例做出說明。

系統自動補償裝置將功率因數提高至0.95，當前時刻風電機組輸出有功功率為457.5 kW，光伏輸出功率為450.6 kW，接入負荷1 032 kW。由于風光出力低于系統所需電能，蓄電池參與供能，其放電功率為4.2 kW，電池剩余能量下降。柔性負荷全部切除，燃氣輪機發電量提高到103 kW，并從大電網購電16.7 kW，滿足功率平衡約束。

圖11 系統輸入數據

5 結 語

實驗教學在高校培養人才方面有著重要地位，通過構建微電網實驗平臺，將理論教學與實踐相結合，對改進電力系統實驗的教學形式，改進實驗教學內容，增強學生的學習效果，有著非常重要的作用。讓學生通過實驗操作，改變相關參數觀察優化運行結果，能深刻的體會微網經濟運行過程。

本實驗平臺具有一定的通用性和擴展性，針對高校電氣類實驗室硬件設備差別較大的狀況，可以通過修改上位機通信程序建立連接，提高高校現有資源利用率，減少搭建成本，為電氣工程類專業學生開展微網經濟運行相關實驗提供有力的支持。