直流微電網(wǎng)實驗平臺監(jiān)測系統(tǒng)

許少倫，沈海軍，梁克靖

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

近年來，全球能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴峻，以新能源發(fā)電作為主要電源的微電網(wǎng)頗受關(guān)注。微電網(wǎng)主要是由新能源發(fā)電、儲能、負載和控制系統(tǒng)等組成，規(guī)模可大可小，可以在并網(wǎng)和離網(wǎng)模式下運行。其組網(wǎng)方式目前主要包括交流、直流和交直流混合三種。直流微電網(wǎng)組網(wǎng)便捷、效率高、控制簡單并且成本低，具有很好的應(yīng)用前景[1]。

一個穩(wěn)定的監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效保證微電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行。但是由于各種微電網(wǎng)電源形式、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)存在差異性，其監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及具體功能也不盡相同。直流微電網(wǎng)作為一種主要的微電網(wǎng)，其運行、控制、保護和能量管理已經(jīng)成為研究熱點，直流微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)是進行上述研究的基礎(chǔ)和保障，非常重要[2]。

本文以直流微電網(wǎng)實驗平臺為研究對象，在合理分析實驗平臺各模塊的功能和監(jiān)測系統(tǒng)的需求的基礎(chǔ)上，確立監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)體系，使用 LabVIEW 設(shè)計開發(fā)了監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)的采集、顯示、管控與分析等功能。

1 實驗平臺設(shè)計與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)外直流微電網(wǎng)主要有單母線、雙母線、雙層式母線等結(jié)網(wǎng)形式。母線電壓主要有400、 380、220 和 48 V 等級別[3-4]。

其中單母線結(jié)網(wǎng)形式采用單一母線電壓供電，組網(wǎng)便捷，且可以較好地兼容現(xiàn)有的交流轉(zhuǎn)換設(shè)備，應(yīng)用較廣泛。本文的直流微電網(wǎng)實驗平臺就是采用380 V 單母線結(jié)網(wǎng)形式構(gòu)建的。

實驗平臺的設(shè)計構(gòu)架如圖1 所示，主要包含的主體設(shè)備如下：光伏發(fā)電DC/DC 變換器1 臺、 風(fēng)力發(fā)電AC/DC 變換器1 臺、 磷酸鐵鋰DC/DC 雙向變換器1臺超級電容DC/DC 雙向變換器1臺 、電動汽車DC/DC 雙向變換器1 臺 、交流負載DC/AC 變流器1臺直流負載DC/DC 變流器1 臺 、中央控制單元等。

圖1 直流微電網(wǎng)實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

搭建好的實驗平臺如圖2 所示。

圖2 直流微電網(wǎng)實驗平臺實物圖

本實驗平臺既可以按照模塊分立開設(shè)光伏發(fā)電并網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)、儲能充放電等實驗，還可以進行風(fēng)光互補、風(fēng)光儲能互補、多儲能互補、能量管理與調(diào)度等協(xié)調(diào)控制實驗。

2 監(jiān)測系統(tǒng)功能需求目標(biāo)

本實驗平臺主要提供光伏發(fā)電監(jiān)測、風(fēng)力發(fā)電監(jiān)測、儲能（磷酸鐵鋰、超級電容）監(jiān)測、電動汽車充放電實時監(jiān)測、負載監(jiān)測以及實驗平臺的整體監(jiān)測等功能，能夠讓微電網(wǎng)既能在并網(wǎng)情況下正常運行，也能以“孤島模式”運行。

2.1 光伏發(fā)電監(jiān)測模塊

光伏發(fā)電監(jiān)測模塊可以對單個微型逆變器進行啟停控制，從而實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)控。主要監(jiān)測對象為光照強度，環(huán)境溫度，光伏電池板的輸出電流、輸出電壓及輸出功率，電池板溫度和出力曲線及光伏陣列總出力曲線等[5-7]。

2.2 風(fēng)力發(fā)電監(jiān)測模塊

風(fēng)力發(fā)電監(jiān)測模塊用于監(jiān)視風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的采集信息，主要監(jiān)測對象為風(fēng)機的轉(zhuǎn)速、風(fēng)速，整流器后的電流、電壓、輸出功率、功率因數(shù)、風(fēng)機出力曲線及主要的運行狀態(tài)等；并對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)做出調(diào)控。

2.3 儲能監(jiān)測模塊

儲能監(jiān)測模塊主要是記錄監(jiān)測磷酸鐵鋰電池組和超級電容的實時運行信息，同時也可以控制雙向逆變器的啟停和工作模式的切換。具體監(jiān)測的參數(shù)包括直流側(cè)母線電壓、電流，雙向逆變器整流、逆變時的工作狀態(tài)，電池輸出側(cè)電壓、電流、溫度、荷電狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)，保護狀態(tài)等[5-7]。

2.4 電動汽車充放電監(jiān)測模塊

該模塊的主要功能是全面監(jiān)視電池組的實時運行信息。具體監(jiān)測參數(shù)包括電池充電電壓上限值，電池放電電壓下限值，電池出口處直流母線電壓，電池N、A、B、C 相電流平均值，電池 A、B、C 相有功輸出值，電池總有功功率輸出值，電池電壓平均值等；此外還可顯示電池母線出口處電壓和電池充電功率[5-7]。

2.5 負荷監(jiān)測模塊

當(dāng)微電網(wǎng)的實際運行時，分布式電源模塊的出力會隨環(huán)境的變化而發(fā)生波動。同時，負荷也會根據(jù)用戶的使用習(xí)慣等因素發(fā)生波動，如果這些波動超出了儲能單元的補償能力，將引起系統(tǒng)的頻率波動和電壓跌落。此時為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，可以切除部分不重要的負荷。負荷單元的監(jiān)測量主要包括負載側(cè)電壓、電流，各負荷消耗的功率、用電時間，相應(yīng)靜態(tài)開關(guān)的狀態(tài)及功率因數(shù)等[5-7]。

負載按照用電性質(zhì)可分為直流負載和交流負載。根據(jù)實驗需求，本實驗平臺采用異步電機作為交流負載，采用可編程直流電子負載來模擬直流負載。電動汽車比較特殊，充電時可看作是直流負載，放電時可看作是儲能設(shè)備。

2.6 實驗平臺整體監(jiān)測模塊

作為整個微電網(wǎng)的核心，整體監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用是對實驗平臺進行綜合監(jiān)測，對象應(yīng)該包括微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島模式下的運行方式、母線電流、母線電壓、母線輸入功率、母線輸出功率以及公共接觸點電壓，記錄外網(wǎng)與平臺的交換功率等一系列信息數(shù)據(jù)。根據(jù)記錄監(jiān)測的數(shù)據(jù)對整個實驗平臺進行可靠有效的控制[5-7]。

現(xiàn)在常用的微電網(wǎng)控制策略有3 種：主從控制、對等控制和綜合控制。考慮到本實驗平臺的特異性，采取主從控制。并網(wǎng)運行時，采用恒功率（P/Q）控制策略控制微電網(wǎng)母線上的微型逆變器和儲能雙向逆變器；孤島模式運行時，儲能作為主控電源，采用電壓/頻率(U/f)控制策略控制儲能雙向逆變器，使用P/Q控制策略控制微型逆變器[8-9]。

3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 LabVIEW 軟件系統(tǒng)

使用 LabVIEW 可以根據(jù)用戶需求靈活地設(shè)計控制系統(tǒng)的界面，其圖形化的控件以及該軟件在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、遠程控制、傳輸和顯示存儲環(huán)節(jié)所提供的開發(fā)工具可以有效地提升工作效率，節(jié)約開發(fā)程序的時間[10]。

監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是對數(shù)據(jù)進行采集和處理控制。相比其他軟件，LabVIEW 采用 G 語言的編程形式與模塊化的程序框圖，一方面可以極大地降低編程成本，另一方面可以為后續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的更新升級提供很大的便利。本文采用 LabVIEW 編寫直流微電網(wǎng)實驗平臺的監(jiān)測系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)基本構(gòu)架

在直流微電網(wǎng)運行中，監(jiān)測系統(tǒng)采集開關(guān)狀態(tài)、電流、電壓、溫度、功率、波形和時間等數(shù)據(jù)，再下發(fā)命令流控制各個模塊，改變或維持運行狀態(tài)及運行參數(shù)，使系統(tǒng)達到安全可靠的運行狀態(tài)。系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計如圖3 所示[11-12]。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計圖

分析直流微電網(wǎng)實驗平臺的主要功能需求，軟件應(yīng)包含監(jiān)測主界面、狀態(tài)監(jiān)測程序、遠程控制程序、數(shù)據(jù)庫程序及串口通信程序等。在系統(tǒng)主界面可以控制其他分析子程序模塊，而各個子系統(tǒng)模塊組合支撐監(jiān)測系統(tǒng)[13]。

3.3 系統(tǒng)通信

上位機的程序使用 TCP/IP 協(xié)議，硬件設(shè)備使用Modbus協(xié)議，通過TCP/Modbus轉(zhuǎn)換器進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)監(jiān)測平臺與微電網(wǎng)各子模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。LabVIEW 中的數(shù)據(jù)收發(fā)程序如圖4 所示。

圖4 基于Modbus/TCP 協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)程序框圖

先用一個TCP 偵聽器來偵聽指定端口的TCP 連接狀態(tài)，TCP 連接成功后，程序會根據(jù)主界面中設(shè)置的發(fā)送速率、接收速率與硬件設(shè)備通信，由于發(fā)送速率和接收速率都為常數(shù)且兩者一般不相同，也就是說發(fā)送與接收的周期不同，因此采用了兩個循環(huán)定時源來控制發(fā)送與接收，并且將兩者優(yōu)先級設(shè)為相同。發(fā)送信息用于向硬件設(shè)備的寫狀態(tài)寄存器進行寫操作，接收信息用于從硬件設(shè)備讀取數(shù)據(jù)狀態(tài)。

3.4 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲與處理

直流微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)需要時刻采集和存儲各子模塊的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且建立專門的數(shù)據(jù)庫。Windows系統(tǒng)本身自帶的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫 Microsoft Access 具有簡單、實用、數(shù)據(jù)類型廣泛的優(yōu)點，因此本文使用Microsoft Access 存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)。

首先，在實驗平臺監(jiān)測系統(tǒng)初始化時就應(yīng)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表格，主要是根據(jù)自身系統(tǒng)的需求，設(shè)置子程序中包含存儲的位置和存儲的周期。例如，設(shè)定存儲位置為“E:直流微電網(wǎng)試驗平臺數(shù)據(jù)庫”，數(shù)據(jù)庫存儲周期為2 000 ms。系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)會自動創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫.mdb 格式文件存儲在文件夾中。系統(tǒng)運行的關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及報警數(shù)據(jù)等信息均存儲為歷史數(shù)據(jù)，可以通過特定界面調(diào)取。系統(tǒng)可以選定參數(shù)生成并顯示報表，自動生成實時、歷史模擬量連續(xù)變化趨勢圖如電壓波動曲線、功率符合曲線等[14]。

3.5 系統(tǒng)的界面設(shè)計及實現(xiàn)

直流微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的界面主要包括監(jiān)測主界面和各子模塊控制界面等，監(jiān)測主界面作為終端用戶與系統(tǒng)的交互界面，可以向用戶展現(xiàn)實時的系統(tǒng)工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)，同時用于底層驅(qū)動軟件和應(yīng)用程序之間的通信和數(shù)據(jù)采集處理，是硬件之間相互交流信息的橋梁。其主界面如圖5 所示，可以采用一次主接線模擬圖來直觀地顯示控制對象的狀態(tài)。總體監(jiān)測模塊的程序框圖如圖6 所示。

各子模塊控制界面用來設(shè)置參數(shù)、監(jiān)測波形與數(shù)據(jù)、故障檢測，主要包括風(fēng)力發(fā)電監(jiān)測、電動汽車充放電監(jiān)測、儲能監(jiān)測、光伏發(fā)電監(jiān)測、負荷監(jiān)測等界面[15]。以鋰電池儲能監(jiān)測模塊為例，其程序框圖如圖7 所示。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)主界面

圖6 總體監(jiān)測模塊的程序框圖

圖7 儲能監(jiān)測模塊的程序框圖

4 結(jié)語

本文在分析直流微電網(wǎng)實驗平臺的實際功能需求的前提下，設(shè)計了監(jiān)測系統(tǒng)體系構(gòu)架，并且利用LabVIEW 開發(fā)軟件編寫了直流微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)程序。完成了直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中各模塊的運行狀態(tài)及參數(shù)的監(jiān)測與控制，并對采集的數(shù)據(jù)進行存儲、處理及分析。該監(jiān)測系統(tǒng)人機交互界面清晰，設(shè)置修改方便，且容易構(gòu)造，既節(jié)省投資又方便應(yīng)用。直流微電網(wǎng)各模塊能夠正常運行，并可通過協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)系統(tǒng)能量的管理，給學(xué)生提供了一個較好的實踐平臺。