張建良, 于 淼, 包哲靜, 齊冬蓮

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 浙江 杭州 310027)

近年來,融合風(fēng)、氫、太陽能、燃料電池等清潔能源的微電網(wǎng)技術(shù)已成為我國能源技術(shù)的發(fā)展方向之一,它對于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和保障國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。微電網(wǎng)已成為國家科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一個新型產(chǎn)業(yè)[1-3]。在微電網(wǎng)理論研究及工程實驗方面,國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)開展了一系列的探索研究[4-7]。

關(guān)于微電網(wǎng)技術(shù)研究和實驗教學(xué)是浙江大學(xué)電氣類專業(yè)的特色發(fā)展方向,是浙江大學(xué)“雙一流”建設(shè)的重要方面。開展微電網(wǎng)實驗教學(xué)平臺的系統(tǒng)化建設(shè),是推動浙江大學(xué)電力專業(yè)教育改革和一流學(xué)科建設(shè)的重要方面,是實施創(chuàng)新型人才培養(yǎng)戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)[8]。

目前,涉及新能源和微電網(wǎng)技術(shù)的實驗研究取得了一系列成果[3-5],然而現(xiàn)有的實驗方法和實驗裝置存在一些固有的缺點,尚不足以揭示微電網(wǎng)內(nèi)部各個模塊單元的運行機(jī)理,不能實現(xiàn)學(xué)科知識的交叉融合以及培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識,主要表現(xiàn)在：

(1) 涉及微電網(wǎng)技術(shù)的傳統(tǒng)教學(xué)和實驗研究大都基于單一控制對象,沒有系統(tǒng)、綜合性的實驗教學(xué)內(nèi)容[9-10]；

(2) 較少考慮微電網(wǎng)中現(xiàn)有通信系統(tǒng)對電力物理系統(tǒng)運行控制和可靠性、經(jīng)濟(jì)性等性能分析方面的影響；

(3) 微電網(wǎng)實驗涉及高壓操作部分一般是利用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)字仿真,實驗效果不理想,也影響學(xué)生參與的積極性[11-12]；

(4) 現(xiàn)有實驗器材和課程設(shè)置強(qiáng)調(diào)對于基本概念和結(jié)論的分析、驗證,缺乏實物操作,在一定程度上影響了學(xué)生對微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)內(nèi)容的理解和掌握[13-14]。

鑒于新能源及微電網(wǎng)相關(guān)課程實驗教學(xué)的重要性,迫切需要開發(fā)新型、系統(tǒng)級的微電網(wǎng)仿真實驗教學(xué)平臺,解決實驗教學(xué)中以演示教學(xué)為主和學(xué)生動手不足的問題[15-16]。

基于系統(tǒng)化的實驗教學(xué)思想和開放性的實驗設(shè)計模式,在優(yōu)化和整合現(xiàn)有的微電網(wǎng)實驗設(shè)備基礎(chǔ)上,開發(fā)集層次化教學(xué)服務(wù)和科研實踐為一體的微電網(wǎng)仿真實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要借助于DSP單元快速處理數(shù)據(jù)的能力,采用信號分析與處理技術(shù)獲取與處理微電網(wǎng)相關(guān)單元的信息和通信情況,實現(xiàn)對微電網(wǎng)中運行的電力信號進(jìn)行實時采樣和處理；利用系統(tǒng)控制技術(shù)對微電網(wǎng)內(nèi)部單元進(jìn)行優(yōu)化和協(xié)調(diào),通過實物仿真和數(shù)字仿真的結(jié)合,控制微電網(wǎng)內(nèi)各種電力模塊單元電路的運行狀態(tài),達(dá)到對微電網(wǎng)的實時監(jiān)測與有效控制。

1 實驗平臺的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)控制對象和功能的不同,微電網(wǎng)仿真實驗平臺包括3個層次：以上位機(jī)系統(tǒng)為主的高級層部分,以DSP系統(tǒng)控制器為主的中間層部分和以各種新能源單元為主的底層部分,其中底層微電網(wǎng)單元包括光伏發(fā)電模塊、風(fēng)力發(fā)電模塊、儲能模塊及其相應(yīng)的變換器,具體構(gòu)造如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)仿真實驗平臺的結(jié)構(gòu)

高級層中的上位機(jī)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制算法設(shè)計,同時實現(xiàn)與中間層的通信和控制指令的交換；中間層中的DSP系統(tǒng)控制器主要負(fù)責(zé)對微電網(wǎng)內(nèi)部的交流電壓、電流、頻率以及直流側(cè)電壓、電流等信號進(jìn)行分析和濾波處理,同時通過對底層中新能源單元的電路信號進(jìn)行檢測,以利用控制電路產(chǎn)生PWM脈沖信號來驅(qū)動功率開關(guān)管,實現(xiàn)對底層新能源單元功率、頻率和電壓等的有效控制。

層與層之間利用特定的通信協(xié)議進(jìn)行信息交換和控制指令的傳遞：高級層與中間層通過Modbus協(xié)議進(jìn)行通信,中間層與底層通過電力信號連接線進(jìn)行控制；在中間層內(nèi)部的DSP部分和觸摸屏部分通過RS485協(xié)議進(jìn)行通信。

2 實驗平臺的設(shè)計內(nèi)容

實驗平臺的內(nèi)容設(shè)計不但注重微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)和特性,也重視系統(tǒng)級的操作和信息處理技術(shù)。通過各種擴(kuò)展接口和資源,可以改進(jìn)微電網(wǎng)的實驗形式和實驗內(nèi)容,有利于設(shè)計和開展探究性實驗課題,在啟迪學(xué)生創(chuàng)新性思維和實踐動手能力、提高教學(xué)方式的靈活性、增加學(xué)習(xí)的深度和廣度方面具有明顯的優(yōu)勢。

該實驗平臺的設(shè)計主要包括硬件部分設(shè)計和軟件部分設(shè)計。硬件部分主要由DSP系統(tǒng)控制器、觸摸顯示屏、上位機(jī)等組成；軟件部分主要包括系統(tǒng)控制程序、模塊控制程序、底層驅(qū)動程序和通信功能程序等。實驗平臺主要設(shè)計內(nèi)容如圖2所示。

2.1 外圍硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)

外圍硬件電路的設(shè)計的主要內(nèi)容是以DSP核心開發(fā)板為基礎(chǔ)的外圍控制和通信電路,為通信功能和底層驅(qū)動功能提供硬件支持(見圖3),具體包括：

(1) 設(shè)計AD采樣電路,實現(xiàn)新能源發(fā)電單元變換器輸出的模擬信號量與DSP控制器所產(chǎn)生的數(shù)字控制量之間的轉(zhuǎn)換,為協(xié)調(diào)微電網(wǎng)底層單元間的運行控制提供支持；

(2) 設(shè)計DSP外圍通信控制電路,包括基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)接口和基于IEEE 802.11協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)接口,實現(xiàn)DSP控制系統(tǒng)與外圍模塊(觸摸屏、上位機(jī)、新能源發(fā)電單元等)以及內(nèi)部模塊(AD信號采樣電路、PWM控制電路等)的通信功能；

(3) 開發(fā)觸摸屏底層驅(qū)動程序,實現(xiàn)DSP系統(tǒng)控制器和觸摸屏基于RS485的運行信息通信能力,為微電網(wǎng)的底層硬件應(yīng)用提供良好的人機(jī)交互界面；

(4) 基于以太網(wǎng)接口,調(diào)試并實現(xiàn)DSP系統(tǒng)控制器和上位機(jī)基于Modbus協(xié)議的調(diào)度指令通信；

(5) 在IR2110自舉電路的基礎(chǔ)上設(shè)計PWM驅(qū)動控制電路,以實現(xiàn)將DSP輸出信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動開關(guān)管通、斷所需的信號,實現(xiàn)對新能源發(fā)電單元的有效控制,并降低平臺開發(fā)成本,提高系統(tǒng)的可靠性。

圖2 實驗平臺主要設(shè)計內(nèi)容

圖3 外圍硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2 底層驅(qū)動程序和電力信號處理算法設(shè)計

主要包括基于DSP模塊開發(fā)底層驅(qū)動程序、電力信號分析和處理算法,以實現(xiàn)DSP的初始化工作和微電網(wǎng)相關(guān)模塊信號的有效獲取。具體內(nèi)容包括：

(1) 底層驅(qū)動程序：主要包括片上A/D采樣的初始化、定時器中斷的初始化、PWM的初始化以及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)程序；

(2) 電力信號分析處理算法：基于DSP處理器中的ADC模塊設(shè)計信號采樣和處理算法,實時采集微電網(wǎng)底層模塊輸出的三相電壓、電流、頻率、直流側(cè)電壓、電流等信號,經(jīng)過信號變換、濾波、運算等環(huán)節(jié),得到適用于系統(tǒng)進(jìn)一步控制處理所需的信號。

2.3 模塊及系統(tǒng)控制程序的設(shè)計

基于上位機(jī)和DSP系統(tǒng)控制器,開發(fā)微電網(wǎng)模塊控制程序和系統(tǒng)級控制程序,以實現(xiàn)對新能源發(fā)電單元、儲能模塊以及對整個微電網(wǎng)的有效控制,如圖4所示。

圖4 模塊及系統(tǒng)控制程序設(shè)計

(1) 在Matlab軟件環(huán)境中建立微電網(wǎng)底層單元(光伏單元、風(fēng)機(jī)單元、儲能單元等)的模型及模塊控制程序,轉(zhuǎn)換成C代碼并下載到DSP系統(tǒng)控制器中調(diào)試運行。通過DSP系統(tǒng)控制器獲取底層各個單元模塊中的電壓、電流等數(shù)據(jù),進(jìn)而設(shè)計變換器開關(guān)管控制算法以輸出PWM波形,從而控制底層單元中對應(yīng)三相變換器中開關(guān)電路的通斷,以實現(xiàn)對微電網(wǎng)底層單元中各個新能源發(fā)電和儲能模塊的有效控制。

(2) 在上位機(jī)開發(fā)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制算法,并轉(zhuǎn)換成C代碼下載到DSP系統(tǒng)控制器中調(diào)試運行,實現(xiàn)對當(dāng)前微電網(wǎng)整體運行狀況(包括電壓、電流、功率等參數(shù)和波形)的實時監(jiān)測。通過對數(shù)據(jù)和波形的分析比較和后續(xù)調(diào)用,可以對微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制時序、程序參數(shù)以及微電網(wǎng)的運行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,從而達(dá)到系統(tǒng)整體最佳的控制效果。

3 實驗平臺的應(yīng)用研究及成果

構(gòu)建微電網(wǎng)仿真實驗平臺,不但可以為新能源控制、智能電網(wǎng)等實驗教學(xué)提供平臺支撐,而且系統(tǒng)運行經(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累可以有效服務(wù)于電氣工程相關(guān)專業(yè)師生的科研開發(fā)活動。

3.1 實驗教學(xué)應(yīng)用

浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院擁有電氣工程國家重點一級學(xué)科,在國家“雙一流”重點建設(shè)支持下,按照分層次、階段性、特色化的實施思路,對電氣大類本科生逐步開展微電網(wǎng)技術(shù)相關(guān)課程的理論和實驗教學(xué)。

(1) 微電網(wǎng)實驗教學(xué)的第一層次：基于微電網(wǎng)實驗平臺的建成和應(yīng)用,改進(jìn)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和新能源發(fā)電方面已有的數(shù)值仿真實驗,推出更加接近實際工程背景的實物仿真和半實物仿真實驗,提升基礎(chǔ)性微電網(wǎng)實驗的技術(shù)水平、提高學(xué)生參與的積極性。該類實驗內(nèi)容主要是單體級新能源系統(tǒng)的仿真實驗,面對具備基礎(chǔ)知識和簡單應(yīng)用能力的高年級本科生設(shè)置。

(2) 微電網(wǎng)實驗教學(xué)的第二層次：選擇系統(tǒng)級微電網(wǎng)單元的運行控制實驗教學(xué)內(nèi)容,使實驗研究與實驗教學(xué)更加接近實際微電網(wǎng)的運行情況,有利于通過設(shè)計綜合性的實驗內(nèi)容，讓學(xué)生掌握扎實的微電網(wǎng)實驗技術(shù)和知識。該類實驗主要面向具備一定微電網(wǎng)技術(shù)知識的高年級本科生和研究生設(shè)置。

(3) 微電網(wǎng)實驗教學(xué)的第三層次：強(qiáng)調(diào)對基本概念和基本結(jié)論的分析、綜合和提煉,培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力,通過開展微電網(wǎng)探究性實驗,讓學(xué)生在教師指導(dǎo)下獨立設(shè)置實驗內(nèi)容和實驗方式,以學(xué)生研究小組的形式達(dá)到個體主動學(xué)習(xí)、團(tuán)體互動合作和創(chuàng)新性思維培養(yǎng)的目的。

3.2 輔助科學(xué)研究

借助于微電網(wǎng)實驗平臺的建設(shè)和運行,電氣工程學(xué)院近年來在微電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域獲得了多項國家科技支撐計劃、“863”計劃、國家自然科學(xué)基金項目、省部級重大項目的支持,對新能源開發(fā)利用和微電網(wǎng)等技術(shù)開展，從理論到實踐進(jìn)行了深入研究,該實驗平臺有力地支撐了學(xué)院相關(guān)科研團(tuán)隊承擔(dān)國家“863”計劃項目“配電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及示范”“以可再生能源為主的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”、國家自然科學(xué)基金重點項目“工業(yè)配用電信息物理系統(tǒng)安全防御理論及關(guān)鍵技術(shù)研究”等國家級項目以及一批省級科研項目。在該實驗平臺的支撐下,學(xué)院科研團(tuán)隊近年來在新能源和微電網(wǎng)相關(guān)研究領(lǐng)域獲得國家級科技獎勵3項、省級科技獎勵10多項,發(fā)表SCI和EI收錄論文500多篇,大大提高了電氣工程學(xué)院在微電網(wǎng)技術(shù)研究領(lǐng)域的國內(nèi)外影響力。

4 結(jié)語

微電網(wǎng)仿真實驗平臺綜合利用信號處理、控制理論的知識和工具來解決微電網(wǎng)領(lǐng)域的控制和信息處理問題。通過該微電網(wǎng)仿真實驗平臺的構(gòu)建和實施,不僅可以為電氣、信息、自動化類專業(yè)的學(xué)生提供一個實踐平臺,提升學(xué)生在電力系統(tǒng)、控制理論等專業(yè)的綜合應(yīng)用能力,而且也為電氣領(lǐng)域的科學(xué)研究提供了良好的設(shè)備支撐和驗證平臺,推動電氣學(xué)科和控制學(xué)科的學(xué)科交叉融合和創(chuàng)新性人才培養(yǎng)體系的進(jìn)一步完善和發(fā)展。