光伏主導(dǎo)的交直流混合微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

汪 亮， 吳 韜， 彭勇剛， 李 悅， 韋 巍

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027）

0 引 言

隨著我國社會(huì)高速發(fā)展，傳統(tǒng)電網(wǎng)在調(diào)度靈活性、供電可靠性及經(jīng)濟(jì)性上劣勢愈重［1］。近些年，建設(shè)以光伏、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電的微電網(wǎng)成為國家新能源發(fā)展重要戰(zhàn)略，國內(nèi)已有多個(gè)微網(wǎng)供電示范點(diǎn)［2］，微網(wǎng)化建設(shè)將是電網(wǎng)未來發(fā)展新方向。

交直流混合微電網(wǎng)包含交流子網(wǎng)，直流子網(wǎng)及交、直流互聯(lián)變流器，各子網(wǎng)間通過互聯(lián)變流器可互換功率，系統(tǒng)能單獨(dú)運(yùn)行于孤島或并網(wǎng)模式，同時(shí)滿足交流負(fù)載和直流負(fù)載的供電需求，其中直流供電方式將減少傳統(tǒng)電力電子變換環(huán)節(jié)，降低能量損耗［3］。混合微電網(wǎng)在配電網(wǎng)中能有效整合分布式電源、儲(chǔ)能和各類負(fù)載，在電網(wǎng)未來建設(shè)中對傳統(tǒng)電路改造小，靈活性高，將是微網(wǎng)化建設(shè)的重要模式。

由于可再生能源存在波動(dòng)性，交、直流混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行問題一直存在挑戰(zhàn)，國內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)對此開展了一系列探索［4-6］。但考慮到實(shí)際微網(wǎng)電站存在電路結(jié)構(gòu)龐大、調(diào)度層次復(fù)雜等問題，研究方案的驗(yàn)證多在半實(shí)物仿真系統(tǒng)下進(jìn)行，有些學(xué)者只進(jìn)行了純軟件仿真［7-8］。

目前，對微電網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究已取得一系列成果［9-12］，但依然存在一些固有缺陷，主要表現(xiàn)為平臺(tái)底層電路通常由Matlab、LabVIEW 等電路仿真軟件搭建，或者由Rt-lab等半實(shí)物仿真系統(tǒng)搭建，電路模型往往存在理想假設(shè)，與電路真實(shí)運(yùn)行情況存在差距。現(xiàn)有平臺(tái)多側(cè)重于中間控制層及高級(jí)應(yīng)用層的研究，對底層基礎(chǔ)問題關(guān)注不足，實(shí)驗(yàn)過程對瞬態(tài)沖擊的討論較少。

根據(jù)微電網(wǎng)多源多儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制的實(shí)驗(yàn)研究需求［13-15］，基于搭建系統(tǒng)化微電網(wǎng)的思想，結(jié)合當(dāng)前配網(wǎng)中分布式光伏大量接入的現(xiàn)狀［16］，自主開發(fā)出光伏主導(dǎo)的交、直流混合微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)以智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）為核心進(jìn)行電路搭建，涵蓋交、直流母線、儲(chǔ)能、光伏及負(fù)載，最大可進(jìn)行10 kW功率等級(jí)的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為3 個(gè)層面：以IPM電路為核心的包含交、直流母線、互聯(lián)變流器、儲(chǔ)能、光伏及負(fù)載的底層，以DSP控制器為核心的中間層和以PC 上位機(jī)為核心的高級(jí)層。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

底層利用電源設(shè)備模擬光伏、儲(chǔ)能及大電網(wǎng)，利用功率電阻作為負(fù)載，各部分通過IPM 電路連接到交直流母線，考慮交流接入時(shí)存在耦合問題，在接入點(diǎn)加入隔離變壓器。底層設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對混合微電網(wǎng)發(fā)電、輸電、用電過程的模擬，是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)。

中間層DSP控制器通過編程實(shí)現(xiàn)對底層傳感數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog-to-Digital Conversion，A／DC），完成數(shù)據(jù)計(jì)算處理，脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出控制，電路保護(hù)及人機(jī)交互等功能。為模擬電網(wǎng)多種運(yùn)行場景，設(shè)計(jì)Rt-lab轉(zhuǎn)接板，使控制器能與Rt-lab設(shè)備連接進(jìn)行半實(shí)物仿真。

高級(jí)層的PC上位機(jī)通過仿真器與DSP控制器進(jìn)行通信，在可視化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)程序即時(shí)修改、實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄等功能。

平臺(tái)3 層面相互獨(dú)立，實(shí)驗(yàn)時(shí)無相互影響，故障排查方便快捷。各層服務(wù)研究的重點(diǎn)不同，底層服務(wù)于電路硬件；中間層服務(wù)于控制算法；高級(jí)層服務(wù)于應(yīng)用開發(fā)。平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)是模擬出光伏微電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，開展對應(yīng)實(shí)驗(yàn)工作。

1.2 平臺(tái)硬件

平臺(tái)硬件搭建主要包含IPM電路主板、控制器主板和其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

（1）IPM 電路主板。IPM電路主板以PM25RL1A 120 型IPM模塊為核心，布局如圖2 所示。

圖2 IPM電路主板布局

主板通過傳感信號(hào)輸出口將模擬量送至控制器，通過傳輸光纖接口接收來自控制器的PWM 控制信號(hào)，并將信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)后送給IPM模塊。

IPM主板有3 方面特點(diǎn)，所有電感電容接口均為拔插式，根據(jù)實(shí)際需求可更換器件選值，閑置時(shí)能用導(dǎo)線短接，實(shí)現(xiàn)器件參數(shù)靈活可調(diào)；主板可采集多個(gè)節(jié)點(diǎn)電流、電壓值，實(shí)現(xiàn)對電路的電壓、電流及頻率控制，控制方法靈活多變；根據(jù)交、直流電路接入方向不同，主板可搭建直流型Buck、Boost 電路，交流整流、逆變電路，實(shí)現(xiàn)單塊主板靈活搭建多種電路結(jié)構(gòu)功能。

（2）控制器主板。控制器主板涵蓋核心板、轉(zhuǎn)接板和檢測板3 個(gè)層次，如圖3 所示。

核心板的DSP 最小系統(tǒng)電路是DSP 芯片正常工作的基礎(chǔ)。Jtag電路提供仿真器接口，使上位機(jī)可通過仿真器連接到控制器，實(shí)現(xiàn)算法變量實(shí)時(shí)更改、數(shù)據(jù)在線監(jiān)控及程序燒錄等功能。Flash 電路提供高速外部存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)程序固化功能。板子采用DSP28335 型芯片，其內(nèi)置12 bit 精度A／DC 電路，滿足所需A／DC功能。

轉(zhuǎn)接板的跟隨限幅電路能防止輸入信號(hào)幅值越限，防止芯片過壓損壞。通用輸入、輸出（General Purpose Input Output，GPIO）驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)芯片GPIO端口外送的信號(hào)，使其具備能量驅(qū)動(dòng)燈、繼電器等電路器件。轉(zhuǎn)接板位于核心板與檢測板之間，具備插口轉(zhuǎn)接作用，將3 層板子連為整體。

檢測板的信號(hào)采樣電路用于采樣傳感器上傳的模擬量并送到DSP 芯片內(nèi)。電源供電電路用于進(jìn)行多級(jí)電壓轉(zhuǎn)換以滿足控制板上各類芯片的供電需求。檢測板還提供PWM波光纖輸出接口和示波器信號(hào)觀測接口，設(shè)計(jì)有指示燈、按鍵等人機(jī)交互器件。

（3）其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備。光伏電源選用91500-30 型高效直流電源，該電源具備過壓、過流、過功率保護(hù)功能。可模擬正弦波、矩形波及光伏曲線等多種函數(shù)。

儲(chǔ)能電源選用TopCon系列可編程直流電源，該電源具備恒壓、恒流、恒功率等多種輸出模式。

大電網(wǎng)選用61845 型回收式電網(wǎng)模擬電源，該電源具備四象限操作、能源回收及電壓波形編輯功能，可設(shè)定三相電流輸入、輸出限制及電網(wǎng)頻率變動(dòng)速率。

功率電阻選用RX20 型大功率波紋線繞電阻，該電阻可選功率范圍為10 W ～10 kW，可選阻值范圍為0.1 Ω ～100 kΩ。

圖3 3層次控制器及關(guān)鍵電路

1.3 平臺(tái)軟件

平臺(tái)軟件主要為實(shí)驗(yàn)程序模塊化設(shè)計(jì)，并利用代碼調(diào)試器CCS6.0 進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)。

（1）實(shí)驗(yàn)程序模塊化。實(shí)驗(yàn)程序編寫流程為數(shù)據(jù)采集—計(jì)算、轉(zhuǎn)換—控制、算法—PWM 輸出—保護(hù)與關(guān)機(jī)，具體劃分成軟硬件初始化，人機(jī)交互，數(shù)據(jù)采集處理，主控算法，輸出及回饋保護(hù)5 大模塊，程序框圖如圖4 所示。

軟硬件初始化模塊在程序起始對系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷向量表、各類寄存器及數(shù)據(jù)變量進(jìn)行初始化，只執(zhí)行一次，其他模塊則嵌入控制周期循環(huán)執(zhí)行。根據(jù)算法復(fù)雜程度不同，需有對應(yīng)的控制周期，在保證單個(gè)周期內(nèi)計(jì)算控制能夠完成的情況下，應(yīng)盡量減少周期時(shí)間，提升控制效果。

為保證進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的高效性，各程序模塊均已封裝，進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)只需組合對應(yīng)模塊，修改模塊參數(shù)即可。

（2）基于CCS的實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)。平臺(tái)PC上位機(jī)通過XDS100V3 型仿真器連接到控制器，在CCS6. 0開發(fā)環(huán)境下具備即時(shí)下載、程序燒錄等功能，可通過該軟件修改DSP寄存器變量，當(dāng)前全部運(yùn)行變量也能在軟件上觀測記錄，數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)繪圖。該技術(shù)保證了實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)性，也為后續(xù)利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步科研開發(fā)提供基礎(chǔ)。

圖4 模塊化實(shí)驗(yàn)程序

1.4 基于Rt-lab的半實(shí)物仿真拓展

Rt-lab半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)是一種在數(shù)字回路中加入部分實(shí)物進(jìn)行混合仿真的實(shí)驗(yàn)。將仿真回路在軟件上搭建后載入Rt-lab設(shè)備，設(shè)備可將回路上所需電壓、電流信息輸出，再利用外部實(shí)物控制器采集輸出信息并進(jìn)行計(jì)算，最后回送PWM 波給Rt-lab 完成對電路的控制。

平臺(tái)可單獨(dú)將控制器接上Rt-lab 轉(zhuǎn)接板與Rt-lab設(shè)備通信，進(jìn)行數(shù)字實(shí)物混合仿真實(shí)驗(yàn)，模擬電網(wǎng)多種運(yùn)行場景，拓展連接如圖5 所示。

圖5 拓展化Rt-lab連接

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)典型范例及關(guān)鍵問題

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)重點(diǎn)用于研究微電網(wǎng)中光伏與儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制，平臺(tái)實(shí)物如圖6 所示。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)典型范例

在孤島情況下，進(jìn)行典型的雙光伏單儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)，電路結(jié)構(gòu)及控制策略如圖7 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

圖7 典型實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)及控制策略

儲(chǔ)能直流輸出通過逆變器逆變?yōu)槿嘟涣麟姡⒔?jīng)LCL濾波電路連接到交流母線，為穩(wěn)定儲(chǔ)能輸出電壓，在接入處加上濾波電容Cdc。控制策略采用基于dq變換的電壓、電流雙環(huán)控制，三相相電壓d 軸參考量為，q軸參考量為0，兩者與實(shí)際相電壓Uo的dq變換值進(jìn)行比例積分控制，結(jié)果再與實(shí)際三相電流IL的dq變換值進(jìn)行比例控制，最終生成PWM脈沖控制逆變器。儲(chǔ)能側(cè)電路及控制策略可以實(shí)現(xiàn)在孤島情況下，直流儲(chǔ)能逆變建立交流母線電壓的功能。

光伏直流輸出通過逆變器逆變?yōu)槿嘟涣麟姡⒔?jīng)L濾波電路連接到交流母線，為穩(wěn)定光伏輸出電壓，在接入處加上濾波電容Cpv。控制策略利用最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法生成光伏參考電壓，參考值與光伏實(shí)際電壓Upv進(jìn)行比例積分控制，結(jié)果再與實(shí)際三相電流io的dq變換值進(jìn)行比例控制，最終生成PWM 脈沖控制逆變器。光伏側(cè)電路及控制策略可以實(shí)現(xiàn)在孤島情況下，光伏作為電流源并入交流母線的功能，實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)接入1 號(hào)光伏和2 號(hào)光伏，兩光伏的電路結(jié)構(gòu)及控制策略相同。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分為8 個(gè)階段，階段1 利用直流儲(chǔ)能逆變建立交流母線電壓；階段2 投入1 號(hào)光伏運(yùn)行于MPPT 模式輸出最大功率；階段3增加1 倍負(fù)載；階段4 投入2 號(hào)光伏同運(yùn)行于最大功率點(diǎn)；階段5 切去2 號(hào)光伏；階段6 切去一半負(fù)載；階段7 切去1 號(hào)光伏；階段8 關(guān)停儲(chǔ)能，完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果單相錄波如圖8 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

圖8 協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)單相錄波

錄波曲線中，i2是二號(hào)光伏逆變電流，i1是一號(hào)光伏逆變電流，ibus是母線電流，ubus是母線相電壓。通過波形發(fā)現(xiàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程儲(chǔ)能逆變的母線相電壓穩(wěn)定，在投入光伏及切、增負(fù)荷時(shí)母線電流變化合理，光伏投入時(shí)對母線沖擊小，后續(xù)可穩(wěn)定運(yùn)行，光伏電流逆變正常，波形良好，成功完成光儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵問題

平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵性問題是電流沖擊，考慮該問題對Matlab仿真建模也有指導(dǎo)意義。

（1）整流電流沖擊問題。平臺(tái)在并網(wǎng)情況下進(jìn)行整流實(shí)驗(yàn)，需要將三相交流電通過整流器整流后供予直流負(fù)載，整流啟動(dòng)初始電網(wǎng)側(cè)存在電流沖擊現(xiàn)象，若沖擊過大會(huì)觸發(fā)電路主板及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的保護(hù)動(dòng)作，沖擊大小與電路的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及控制方法相關(guān)。

通過采用多級(jí)電阻切、增的方式可以減小整流電流沖擊，但該方法會(huì)增大電路損耗，考慮沖擊產(chǎn)生原由，可以在控制方法上進(jìn)行改進(jìn)。

當(dāng)整流器不控整流時(shí)，直流側(cè)存在的不控整流電壓為網(wǎng)側(cè)三相相電壓有效值的2.34 倍，此時(shí)若設(shè)置整流電壓控制目標(biāo)值遠(yuǎn)高于該倍數(shù)，會(huì)導(dǎo)致整流初始電網(wǎng)側(cè)在短時(shí)間內(nèi)注入大量能量，產(chǎn)生較大電流沖擊。通過限制直流側(cè)控制電壓目標(biāo)值起始變化幅度，能有效減小該沖擊，即當(dāng)判斷最終電壓控制目標(biāo)值與當(dāng)前實(shí)際電壓相差過大時(shí)，限幅其每次的變化值為ΔU，避免控制電壓過快上升。防沖擊算法流程如圖9 所示。

圖9 三相整流防沖擊算法

將防沖擊算法嵌入控制程序循環(huán)內(nèi)，利用平臺(tái)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖10 所示。

圖10 防沖擊對比實(shí)驗(yàn)

對比實(shí)驗(yàn)中i 為網(wǎng)側(cè)三相電流，Udc為直流側(cè)電壓。在無防沖擊算法情況下，控制器啟動(dòng)瞬間便導(dǎo)致三相電流越限，保護(hù)算法啟動(dòng)切斷線路保護(hù)設(shè)備，i 與Udc降為0；在加入防沖擊算法后，控制器開始整流時(shí)三相電流沖擊明顯減小，順利實(shí)現(xiàn)整流功能。該限幅式防沖擊思想同樣可用于其他類似的啟停機(jī)控制中，減小電流沖擊影響。

（2）仿真建模指導(dǎo)。除控制變量起始變化速率過快外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)電流沖擊大小與鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop，PLL）相關(guān)。在光伏并入三相電網(wǎng)過程中，需在主控算法前加入PLL 程序，在確保鎖相成功后再控制并入，若將PLL 程序與主控算法同時(shí)運(yùn)行將會(huì)產(chǎn)生極大沖擊。

對該現(xiàn)象進(jìn)行Matlab 軟件仿真，在默認(rèn)電網(wǎng)相角初始值為0°的情況下，無論P(yáng)LL控制程序提前啟動(dòng)與否，仿真初始光伏并入均能立馬鎖住相角，電流沖擊較小，仿真結(jié)果與實(shí)際有所偏差。當(dāng)人為設(shè)定并入時(shí)兩者存在較大相角差后，設(shè)計(jì)PLL 與主控程序同時(shí)運(yùn)行及PLL程序提前運(yùn)行兩種情況進(jìn)行對比仿真，結(jié)果如圖11 所示。

圖11 PLL啟動(dòng)順序?qū)Ρ确抡?/p>

結(jié)果表明，當(dāng)光伏并網(wǎng)與電網(wǎng)存在較大相角差時(shí)，PLL提前運(yùn)行會(huì)使光伏逆變輸出電流ipv的并網(wǎng)沖擊明顯變小，該問題在并網(wǎng)仿真建模時(shí)需多加注意。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用

3.1 科學(xué)研究支撐

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了多節(jié)點(diǎn)光伏、儲(chǔ)能接入，涵蓋的研究范圍包括并網(wǎng)及孤島情況下多儲(chǔ)能均流控制、多儲(chǔ)能多光伏協(xié)調(diào)控制、母線電壓頻率波動(dòng)控制及互聯(lián)變流器功率控制等，未來可完善新增多儲(chǔ)能電荷狀態(tài)平衡控制、風(fēng)光儲(chǔ)一體化協(xié)調(diào)控制及多級(jí)互聯(lián)變流器間協(xié)調(diào)控制。平臺(tái)底層電路由實(shí)物器件搭建，可以對啟停機(jī)沖擊、弱電信號(hào)干擾、耦合干擾、電路保護(hù)及濾波器等問題進(jìn)行理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，精確貼合實(shí)際情況。

為模擬仿真微電網(wǎng)多樣運(yùn)行環(huán)境，平臺(tái)可拓展連接至Rt-lab半實(shí)物仿真設(shè)備進(jìn)行數(shù)字實(shí)物混合仿真研究，包括混合微電網(wǎng)的大功率穩(wěn)定性控制、潮流計(jì)算及多能互補(bǔ)控制等研究。利用數(shù)字電路進(jìn)行實(shí)物電路實(shí)驗(yàn)前的預(yù)仿真，提供理論驗(yàn)證及參數(shù)參考，平臺(tái)實(shí)驗(yàn)后的新結(jié)果又可對比指導(dǎo)理論方法及模型建立，兩者相輔相成，為微電網(wǎng)科學(xué)研究提供有力支撐。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)

利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生可以鞏固電路原理、模電數(shù)電、自動(dòng)控制原理及C 語言等基礎(chǔ)知識(shí)，加深對微電網(wǎng)技術(shù)、電力電子技術(shù)的了解。學(xué)生通過親手進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，將對實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的電流、電壓沖擊等問題有所認(rèn)知，通過發(fā)現(xiàn)問題到解決問題的過程，鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力及理論結(jié)合實(shí)踐能力。

4 結(jié) 語

光伏主導(dǎo)的交直流混合微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)順應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展趨勢，基于系統(tǒng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的思想，搭建器件化的底層電路和可拓展化的中間層控制器，配套實(shí)時(shí)化的高級(jí)層軟件，編寫模塊化的實(shí)驗(yàn)程序，保證進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和高效性。平臺(tái)在孤島情況下成功進(jìn)行典型的光—儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)，同時(shí)為解決實(shí)驗(yàn)整流遇到的電流沖擊問題，提出一種限幅式啟動(dòng)方案，沖擊問題的發(fā)現(xiàn)對指導(dǎo)Matlab 仿真建模也有重要意義。整個(gè)平臺(tái)為微電網(wǎng)相關(guān)控制研究提供有力實(shí)驗(yàn)支撐，也服務(wù)于在校學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。