基于LabVIEW的多端口直流微電網實驗平臺

李畸勇，胡 恒，王紀港，江俊賢，黎遠梅，劉有強

(廣西大學 電氣工程學院，南寧 530004)

0 引 言

近年來，我國新能源持續快速增長并逐步進入大規模發展階段[1]，傳統電網由于受到調峰能力、電源裝機等因素影響，使得其對新能源的消納能力有限，限制了新能源發電并網的進一步發展。隨著電力電子、逆變技術發展，微電網技術被認為是現今解決分布式新能源消納利用問題的一個重要發展趨勢[2]。

目前常見的微網系統組網架構有兩種形式，即基于交流架構的微網系統與基于直流架構的微網系統。前者由于沿用傳統交流設備，故技術相對成熟；而后者由于可節省大量的DC/AC裝置，結構更為簡單，且基于直流架構的雙向并網接口技術，可實現微網系統與大電網的完全解耦[3]。隨著直流微網系統運行優點的愈發突出，學術界和工業界紛紛投入到了對直流微網系統控制策略的研究當中。

為了更切合當今學術界與工業界的熱點研究方向——直流微網系統，本文主要以拓展實驗室現有微電網組網架構，促進學生對直流微網運行特性的進一步了解，依托廣西大學新能源與微電網實驗室為研究背景，對基于LabVIEW的多端口直流微電網實驗平臺設計進行了研究，提出了系統的設計實現方案。

1 實驗平臺總體結構設計

直流微電網實驗平臺由直流微網調度與監控、直流微網控制與保護、風機發電、光伏發電、磷酸鐵鋰儲能、超級電容儲能、電動汽車平臺[4]、鉛酸電池儲能和LED負載及并網等模塊組成，總體結構圖如圖1所示。根據系統安全、協調機制[5]以及控制目標，本文中的直流微網系統可劃分為調度管理層、母線控制層與變換器控制層3個層次，各個層次的信息交互通過通信總線予以實現，下面介紹各個層次的功能定義。

圖1 實驗平臺總體結構圖

1.1 調度管理層功能

調度管理層利用LabVIEW軟件進行搭建，可對直流微網進行運行狀態監測、運行控制策略制定、能量調度管理等，軟件界面包括實驗平臺各模塊工作狀態設置及監控、微網電能實時調度、微網電能質量監測、實驗平臺事件記錄及歷史數據報表打印等功能。

1.2 母線控制層功能

本文中所設計的直流微電網系統采用公共直流母線架構，通過380 V公共直流母線[6]，將各自分散的能量單元進行互組，使微網處于多端口運行狀態，同時各變換器相互協調運行，向母線注入或汲取能量，使直流母線電壓在一定范圍內維持穩定。

1.3 變換器控制層功能

變換器控制層主要功能即通過變換器內部控制器輸出的驅動信號控制功率管的開關時間，以此來調節變換器的輸入、輸出的電壓、電流。由于變換器控制層中的各變換器均由其內部自身的控制器予以控制，這使得每個變換器均具有自治功能，大大提高了系統的穩定性。

2 調度管理層

2.1 軟件平臺

系統軟件采用圖形化編程語言LabVIEW進行編寫[7-8]，系統軟件按照通信協議通過控制器局域網絡(Controller Area Network, CAN)與各模塊進行數據交互[9]，同時本文將源程序生成了可安裝的應用程序，可使系統軟件脫離開發環境運行，便于系統軟件的發布[10]。

2.2 軟件設計

軟件設計過程中還考慮了后期改進過程中2次開發優化的可能性，采用子程序調用及模塊化組合結構，可使軟件方便擴充更新[11]。軟件可實現如實驗平臺各模塊工作狀態設置及監控、微網電能實時調度、微網電能質量監測、實驗平臺事件記錄及歷史數據報表打印等功能，軟件具體界面見圖2。

2.3 微網能源管理調度方式

本文中的微電網系統能源來自于3種形式，分別為發電單元、并網單元及儲能單元，以此劃分微網的運行方式。

(1)發電主導運行方式。在此運行模式下，微電網的能源主要來源于并接的光伏發電單元與風力發電單元，并且所發出的電量超過了本地負荷用電需求，轉而向并接的電網供能，而儲能單元則可能處于充滿狀態或作為負荷吸收電能。

(2)并網主導運行方式[12]。在此運行模式下，微電網的能源主要來源于并接的大電網，微電網系統的功率缺額由大電網提供，此時并網變換器起到維持直流母線電壓穩定與功率平衡的功能。

(3)儲能主導運行方式[13]。在此運行模式下，微電網的能源主要來源于并接的儲能單元，此時光伏發電單元與風力發電單元所發電量遠不能滿足本地負荷需求，而儲能單元則處于釋能狀態，母線電壓穩定及系統功率平衡由儲能單元實現。

根據上述微網的運行方式可制定微源的投切、變換器工作方式的切換、功率輸出的調節、斷路器的通斷等運行調度策略，使微網能安全、穩定、經濟的運行。

(a)直流微網監控中心

(b)直流微網調度中心

(c)直流微網電能質量監測中心

(d)直流微網事件查詢中心

圖2 軟件設計界面

3 母線控制層

母線控制層即直流微網控制與保護系統，其由直流并網回路組成，且通過直流母線與外部供電電路、微電網相連。直流微網控制與保護系統主要包含電能計量表、并網各路斷路器、電壓、電流傳感器、保護輸出端子排、微電網供電母線等，這些設備被集中安裝于3個多功能配電柜內。該系統主要負責監控直流公共連接點(Point of Common Coupling PCC)電網參數、各微電源輸出特性參數、斷路器通斷狀態及負荷的各種電量參數，并將這些信息反饋至微電網調度與監控系統，調度與監控系統根據反饋信息將制定微源的投切、變換器工作方式的切換、功率輸出的調節、斷路器的通斷等運行控制策略，之后將控制指令下發至直流微網控制與保護系統進行執行，使微網能根據系統負載狀態協調各變換器的工作模式，以此維持母線電壓的穩定及系統功率分配的平衡。

4 變流器控制層

在本文中，變換器控制層主要包括光伏DC/DC變換器、風機DC/DC變換器、磷酸鐵鋰電池DC/DC雙向變換器、超級電容DC/DC雙向變換器、電動汽車平臺及充電樁DC/DC雙向變換器、鉛酸電池DC/DC雙向變換器及并網DC/AC逆變(整流)器。上述變換器雖有著不同的控制方式及工作模態，但核心控制器的組成結構均相似，圖3示意了核心控制器的工作原理圖，其控制芯片為DSP28335[14]，整個電路由DSP28335主控板生成20 kHz的PWM信號，經過隔離型IGBT驅動器分別對主電路中的IGBT模塊進行控制；由2路電壓、電流采樣電路構成反饋系統，將采集到電壓電流轉換為數字信號反饋至DSP28335芯片，芯片利用PI算法逐步調節PWM的占空比，最終輸出穩定的電流、電壓值。

圖3 核心控制器工作原理圖

由于文章篇幅原因，僅給出典型電動汽車平臺及充電樁DC/DC雙向變換器主電路的結構，如圖4所示，其為帶隔離變壓器的雙向全橋DC/DC變換[15-16]。該變換器有兩種工作模式：當高壓側母線U1供電時，U1通過變換器給鋰電池U2充電，稱為充電模式；當鋰電池U2供電時，通過變換器向高壓側母線負載提供能量，稱為放電模式。

圖4 DC/DC雙向變換器主電路結構

充電模式時，開關管Q1～Q4有驅動信號，對管導通。而開關管Q5～Q8則不加驅動信號，只利用其反并聯二極管實現輸出全橋整流。放電模式時，開關管Q5～Q8有驅動信號，對管導通；當對管Q5、Q8(或Q6、Q7)同時導通時，向高壓側負載傳輸能量，而開關管Q1～Q4則沒有驅動信號，只利用其反并聯二極管實現輸出全橋整流。

充電模式時，變換器的電壓增益為：U2=U1×D/n，D為Q1～Q4對管導通的占空比，變化范圍為2%～46%；n為隔離變壓器原、副邊繞組匝數之比，即n=N1/N2。

放電模式時，變換器的電壓增益為：

式中，D為Q5～Q8對管導通的占空比，變化范圍為2%～70%。

5 實驗平臺最終設計效果與功能應用

實驗平臺最終設計效果如圖5所示，主要由直流微網控制與保護模塊、發電模塊、儲能模塊、電動汽車模塊等構成。

圖5 實驗平臺最終設計效果圖

基于該實驗平臺可完成的實驗如下所述:

(1)認知直流微電網的基本組成與功能實驗；

(2)直流微電網風光互補實驗；

(3)直流微電網風光儲互補實驗；

(4)直流微電網多儲能互補實驗；

(5)電動車對微電網影響的研究；

(6)分布式發電對配電網影響的研究；

(7)直流微電網能量管理與調度控制的研究；

(8)直流微電網中直流負荷的特性研究；

(9)直流微電網的保護。

通過上述實驗可使學生充分了解直流微電網的運行特性，彌補了目前高校本科生對直流微電網了解不夠深入的不足。依托該實驗平臺，可有效提高學生們的動手能力與科研能力，同時也可為學生的課程設計、大學生創新創業項目申請、畢業設計等提供研究實驗平臺，有利于創新型人才的培養。

6 結 語

目前該實驗平臺已初步應用于廣西大學新能源與微電網實驗室，主要用于學生實驗及課題項目研究，有效填補了本校直流微電網相關實驗與研究上的空白，有利于工程型人才及創新型人才的培養，且實驗平臺對直流微網系統控制策略的研究以及如何解決傳統電網對分布式新能源消納利用的問題具有重要意義。