黃業(yè)川 龍有煉 李培鋒 黃 輝

（五邑大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)格局開始顯現(xiàn)出它的弊端，人們開始提出配電網(wǎng)的網(wǎng)格化布局。于此同時，新能源技術(shù)以及分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展使得他們的結(jié)合產(chǎn)物：微電網(wǎng)技術(shù)開始進(jìn)入人們的視線。微電網(wǎng)技術(shù)是一項十分契合配電網(wǎng)網(wǎng)格化布局的技術(shù)，它擁有獨(dú)立的電能來源，能夠供應(yīng)用戶在大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時的孤島運(yùn)行需求，也能在發(fā)電盈余時向大電網(wǎng)送電，減輕大電網(wǎng)供電壓力[1-2]。

本文設(shè)計了一種智能微電網(wǎng)控制系統(tǒng)，可以對用戶身邊的清潔能源如風(fēng)能、太陽能進(jìn)行收集，產(chǎn)出電能供用戶使用，并可在發(fā)電盈余時對大電網(wǎng)進(jìn)行送電。同時，對系統(tǒng)內(nèi)各個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓、電流、有功、無功數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，反饋給用戶電能質(zhì)量信息，并在用戶端提供了三相負(fù)載功率自平衡功能，可以更好地為用戶提升電能質(zhì)量。

1 微電網(wǎng)控制系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)布局

本控制系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)布局如圖 1所示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與光伏太陽能板發(fā)出的電能輸送至配電柜中，匯集至12V直流母線，一端連接蓄電池與直流負(fù)載，另一端經(jīng)逆變器升壓逆變后，可實(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)的并網(wǎng)連接，向大電網(wǎng)輸送電能；當(dāng)大電網(wǎng)故障時，系統(tǒng)可依靠微電源（蓄電池、風(fēng)機(jī)和光伏板）發(fā)電支持系統(tǒng)脫離主網(wǎng)孤島運(yùn)行；系統(tǒng)在用戶端根據(jù)優(yōu)先級不同設(shè)置有一、二、三級負(fù)載，根據(jù)對電池剩余電量的檢測，智能切除次要負(fù)載，保證重要負(fù)載的供電；另外，系統(tǒng)在用戶端各個相線均設(shè)置有電流電壓監(jiān)測點(diǎn)，可根據(jù)計算出的三相負(fù)載功率不平衡度進(jìn)行智能調(diào)度，提升電能質(zhì)量[3]。

圖1 微電網(wǎng)控制系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)布局

2 系統(tǒng)控制功能的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的需求，可以將系統(tǒng)整體分為電量測量部分、核心控制器，現(xiàn)場指示和上位機(jī)監(jiān)控四部分。由電量測量部分檢測系統(tǒng)各路電源輸入的電壓電流數(shù)據(jù)，然后將所獲得的數(shù)據(jù)傳送到核心控制器，控制器將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和比較后對相應(yīng)的部分進(jìn)行動作，并通過現(xiàn)場的指示燈作為狀態(tài)指示，上位機(jī)讀取核心控制的數(shù)據(jù)作為監(jiān)控所用，同時上位機(jī)配置輸入設(shè)備能對系統(tǒng)的各部分進(jìn)行實(shí)時的控制。其具體模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，下面對各個功能模塊的設(shè)計進(jìn)行說明。

圖2 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

2.1 電壓電流采樣與處理模塊

在本系統(tǒng)中，對電壓和電流的測量，選用了美國Cirrus Logic公司最新推出的CS5460A芯片。該芯片包含兩個累加式 AD轉(zhuǎn)換器用于測量電量數(shù)據(jù)；具有高速電能計算功能；還有一個串行接口用于數(shù)據(jù)讀寫。是一款高度集成的電能有效值轉(zhuǎn)換芯片。本次設(shè)計該芯片用測量電流和電壓的有效值（IRMS和VRMS），并用單片機(jī)通過串口功能讀出數(shù)據(jù)，其測量電路圖如圖3所示。

圖3 CS5460A電壓電流測量模塊

2.2 無線通信功能的實(shí)現(xiàn)

在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用 RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至 200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。RS-485用于多點(diǎn)互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器。

基于485通信的良好性能，系統(tǒng)芯片與上位機(jī)之間的通信采用485通信，系統(tǒng)芯片將采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過485總線將電能數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上，在遠(yuǎn)方對線路斷路器執(zhí)行相應(yīng)的開合控制并實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控，將電能數(shù)據(jù)反饋給用戶。另外，利用手機(jī)搭建 Android系統(tǒng)手持移動終端，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電數(shù)據(jù)和負(fù)載用電數(shù)據(jù)的隨時查看，實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 微電網(wǎng)信息體系與通信

2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏板并網(wǎng)運(yùn)行模塊

風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池優(yōu)先給蓄電池充電，當(dāng)蓄電池充滿后，斷開發(fā)電機(jī)與電池的連接，發(fā)電機(jī)可以逆變并網(wǎng)。而當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生故障斷開時，先由發(fā)電機(jī)繼續(xù)逆變供電，當(dāng)無風(fēng)無陽光是斷開發(fā)電機(jī)與微電網(wǎng)的連接，由蓄電池逆變供電。在重負(fù)荷的時候還可以同時逆變供電，如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)與太陽能電池并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

另外，并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)由功率主電路、控制器、驅(qū)動電路、檢測電路等組成。其中，功率主電路采用DC/DC，DC/AC兩級結(jié)構(gòu)，其中 DC/DC電路采用 Boost升壓變換器，DC/AC電路采用 SPWM驅(qū)動的單相全橋電路?？刂骗h(huán)節(jié)一方面控制DC/DC環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，另一方面控制DC/AC環(huán)節(jié)，以使直流母線電壓穩(wěn)定，并將電能轉(zhuǎn)化為220V/50Hz正弦交流電。系統(tǒng)保證并網(wǎng)逆變器輸出的正弦電流與電網(wǎng)的相電壓同頻同相。逆變器并網(wǎng)時．要求其輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。控制框圖如圖6所示。

圖6 并網(wǎng)逆變器控制電路框圖

2.4 三相負(fù)載功率自平衡模塊

低壓電網(wǎng)的三相平衡一直就是困擾供電單位的主要問題之一，低壓電網(wǎng)大多是經(jīng)10/0.4kV變壓器降壓后，以三相四線制向用戶供電，是三相生產(chǎn)用電與單相負(fù)載混合用電的供電網(wǎng)絡(luò)[4]。

但在實(shí)際運(yùn)行中，由于單相用戶的不可控增容、大功率單相負(fù)載的接入以及單相負(fù)載用電的不同時性等都造成了三相負(fù)載的不平衡。低壓電網(wǎng)若在三相負(fù)荷不平衡度較大情況下運(yùn)行，將會極大影響電能質(zhì)量，給低壓電網(wǎng)與電氣設(shè)備造成不良影響。因此，用戶端的三相功率自平衡功能也是智能微電網(wǎng)最希望解決的關(guān)鍵問題。系統(tǒng)根據(jù)對各相點(diǎn)電流電壓的監(jiān)控，得到從CS5460A電壓電流檢測模塊送回來的的數(shù)據(jù)，計算三相負(fù)載的不平衡度，對功率調(diào)節(jié)進(jìn)行計算，得出最優(yōu)調(diào)度方案，再對部分負(fù)載進(jìn)行相間轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)三相功率的自平衡。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)備的軟件系統(tǒng)主要包括上位機(jī)及手持移動終端機(jī)兩部分。采用模塊化的設(shè)計方法，以減少軟件設(shè)計的工作量，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

上位機(jī)的在線監(jiān)控功能設(shè)計

圖7 系統(tǒng)上位機(jī)PC端界面圖

本系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)采用 Qt軟件進(jìn)行監(jiān)控界面的設(shè)計，如圖7所示。該軟件由于可在Windows內(nèi)核與Linux內(nèi)核中運(yùn)行，可支持我們將編寫好的軟件安裝到 PC端和手持嵌入式移動設(shè)備。同時，對控制面板元素進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計，支持系統(tǒng)遠(yuǎn)程對微電網(wǎng)各部分進(jìn)行接入和切除。另外，上位機(jī)終端將會實(shí)時接收下位機(jī)中發(fā)送過來的電壓、電流、有功無功等數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線描繪，同步顯示實(shí)時曲線，方便用戶進(jìn)行電能質(zhì)量的查詢。

4 綜合調(diào)試及運(yùn)行效果

4.1 軟件測試情況

實(shí)際運(yùn)行中，通過電壓互感器和電流互感器測量主網(wǎng)輸入的電壓，在供電穩(wěn)定的情況下微電網(wǎng)的電能由主網(wǎng)提供，因?yàn)槌潆姾蟮男铍姵厥且粋€有穩(wěn)定輸出的電源，這時候風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能光伏發(fā)電輸出的電能給蓄電池充電。當(dāng)主網(wǎng)電壓發(fā)生偏差或供電出現(xiàn)異常時系統(tǒng)能馬上將主網(wǎng)接入線路切斷，在切斷的同時風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電的逆變供電接入微電網(wǎng)中，而逆變電源均由蓄電池提供，微電網(wǎng)形成孤島獨(dú)立運(yùn)行，由風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電提供電能。

實(shí)時曲線能夠形象反映出測量數(shù)據(jù)在一定時間能的變化趨勢，讓監(jiān)控人員在及時掌控系統(tǒng)的運(yùn)行情況。而歷史數(shù)據(jù)的翻閱查詢功能則能夠?yàn)楹笃诘目刂苾?yōu)化（如負(fù)荷的分配、設(shè)備的容量升級等）提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)參考。在本次的設(shè)計中，實(shí)時數(shù)據(jù)檢測顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢方面，本系統(tǒng)都表現(xiàn)出了很好的效果。對于主網(wǎng)輸入的電壓電流有效值能夠?qū)崟r地顯示并通過上位機(jī)的運(yùn)算繪制曲線，在實(shí)時的曲線中我們能夠明顯地看出電壓的波動情況。其中系統(tǒng)的實(shí)時曲線如圖8所示[5]。

圖8 系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時曲線

4.2 實(shí)際運(yùn)行結(jié)果分析

如圖1所示的整個系統(tǒng)架設(shè)完畢后，對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行了相關(guān)測試及數(shù)據(jù)記錄，通過上位機(jī)軟件生成了歷史數(shù)據(jù)報表，從表中可以看出，系統(tǒng)輸入電壓在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)穩(wěn)定浮動，電壓質(zhì)量良好。在日常用電負(fù)荷中，負(fù)荷種類繁多，如果所帶負(fù)荷屬于工業(yè)中電壓敏感設(shè)備，那么當(dāng)電壓出現(xiàn)波動時將對設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行造成很大的影響甚至損害設(shè)備，造成大量不合格產(chǎn)品。另外，本系統(tǒng)的實(shí)時曲線能夠給該類設(shè)備的安全正常運(yùn)行提供實(shí)時的參考，通過輸入電壓曲線和實(shí)際負(fù)荷經(jīng)過穩(wěn)壓設(shè)備穩(wěn)壓后的電壓曲線的實(shí)時對比，根據(jù)兩根曲線的偏離程度就能掌握該類電壓敏感負(fù)荷設(shè)備當(dāng)前的安全運(yùn)行情況，這對實(shí)際的使用都有非常大的幫助。

5 結(jié)論

本設(shè)計無論是從單個模塊還是整體功能都能比較好地實(shí)現(xiàn)，針對目前微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展當(dāng)中的幾個問題如三相負(fù)載功率平衡、微電網(wǎng)并網(wǎng)及孤島運(yùn)行等問題都能得出比較好的解決方法。利用基于STM32F103C8T6芯片的單片機(jī)，自主設(shè)計程序，成功取代成本高昂的PLC控制設(shè)備，更加有利于產(chǎn)品的推廣；利用Qt設(shè)計的上位機(jī)界面嵌入到PC計算機(jī)或者手持移動設(shè)備極大地方便使用人員對微電網(wǎng)系統(tǒng)的查詢和管理。

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