李畸勇，胡 恒，王紀港，江俊賢，黎遠梅，劉有強

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南寧 530004)

0 引 言

近年來，我國新能源持續(xù)快速增長并逐步進入大規(guī)模發(fā)展階段[1]，傳統(tǒng)電網(wǎng)由于受到調(diào)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(fā)電并網(wǎng)的進一步發(fā)展。隨著電力電子、逆變技術(shù)發(fā)展，微電網(wǎng)技術(shù)被認為是現(xiàn)今解決分布式新能源消納利用問題的一個重要發(fā)展趨勢[2]。

目前常見的微網(wǎng)系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)有兩種形式，即基于交流架構(gòu)的微網(wǎng)系統(tǒng)與基于直流架構(gòu)的微網(wǎng)系統(tǒng)。前者由于沿用傳統(tǒng)交流設(shè)備，故技術(shù)相對成熟；而后者由于可節(jié)省大量的DC/AC裝置，結(jié)構(gòu)更為簡單，且基于直流架構(gòu)的雙向并網(wǎng)接口技術(shù)，可實現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)的完全解耦[3]。隨著直流微網(wǎng)系統(tǒng)運行優(yōu)點的愈發(fā)突出，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界紛紛投入到了對直流微網(wǎng)系統(tǒng)控制策略的研究當中。

為了更切合當今學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的熱點研究方向——直流微網(wǎng)系統(tǒng)，本文主要以拓展實驗室現(xiàn)有微電網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)，促進學(xué)生對直流微網(wǎng)運行特性的進一步了解，依托廣西大學(xué)新能源與微電網(wǎng)實驗室為研究背景，對基于LabVIEW的多端口直流微電網(wǎng)實驗平臺設(shè)計進行了研究，提出了系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)方案。

1 實驗平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

直流微電網(wǎng)實驗平臺由直流微網(wǎng)調(diào)度與監(jiān)控、直流微網(wǎng)控制與保護、風(fēng)機發(fā)電、光伏發(fā)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(wǎng)等模塊組成，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。根據(jù)系統(tǒng)安全、協(xié)調(diào)機制[5]以及控制目標，本文中的直流微網(wǎng)系統(tǒng)可劃分為調(diào)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(xiàn)，下面介紹各個層次的功能定義。

圖1 實驗平臺總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 調(diào)度管理層功能

調(diào)度管理層利用LabVIEW軟件進行搭建，可對直流微網(wǎng)進行運行狀態(tài)監(jiān)測、運行控制策略制定、能量調(diào)度管理等，軟件界面包括實驗平臺各模塊工作狀態(tài)設(shè)置及監(jiān)控、微網(wǎng)電能實時調(diào)度、微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測、實驗平臺事件記錄及歷史數(shù)據(jù)報表打印等功能。

1.2 母線控制層功能

本文中所設(shè)計的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)采用公共直流母線架構(gòu)，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(wǎng)處于多端口運行狀態(tài)，同時各變換器相互協(xié)調(diào)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(nèi)維持穩(wěn)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(nèi)部控制器輸出的驅(qū)動信號控制功率管的開關(guān)時間，以此來調(diào)節(jié)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(nèi)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(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 調(diào)度管理層

2.1 軟件平臺

系統(tǒng)軟件采用圖形化編程語言LabVIEW進行編寫[7-8]，系統(tǒng)軟件按照通信協(xié)議通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)與各模塊進行數(shù)據(jù)交互[9]，同時本文將源程序生成了可安裝的應(yīng)用程序，可使系統(tǒng)軟件脫離開發(fā)環(huán)境運行，便于系統(tǒng)軟件的發(fā)布[10]。

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計過程中還考慮了后期改進過程中2次開發(fā)優(yōu)化的可能性，采用子程序調(diào)用及模塊化組合結(jié)構(gòu)，可使軟件方便擴充更新[11]。軟件可實現(xiàn)如實驗平臺各模塊工作狀態(tài)設(shè)置及監(jiān)控、微網(wǎng)電能實時調(diào)度、微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測、實驗平臺事件記錄及歷史數(shù)據(jù)報表打印等功能，軟件具體界面見圖2。

2.3 微網(wǎng)能源管理調(diào)度方式

本文中的微電網(wǎng)系統(tǒng)能源來自于3種形式，分別為發(fā)電單元、并網(wǎng)單元及儲能單元，以此劃分微網(wǎng)的運行方式。

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

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

(3)儲能主導(dǎo)運行方式[13]。在此運行模式下，微電網(wǎng)的能源主要來源于并接的儲能單元，此時光伏發(fā)電單元與風(fēng)力發(fā)電單元所發(fā)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(tài)，母線電壓穩(wěn)定及系統(tǒng)功率平衡由儲能單元實現(xiàn)。

根據(jù)上述微網(wǎng)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(diào)節(jié)、斷路器的通斷等運行調(diào)度策略，使微網(wǎng)能安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行。

(a)直流微網(wǎng)監(jiān)控中心

(b)直流微網(wǎng)調(diào)度中心

(c)直流微網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測中心

(d)直流微網(wǎng)事件查詢中心

圖2 軟件設(shè)計界面

3 母線控制層

母線控制層即直流微網(wǎng)控制與保護系統(tǒng)，其由直流并網(wǎng)回路組成，且通過直流母線與外部供電電路、微電網(wǎng)相連。直流微網(wǎng)控制與保護系統(tǒng)主要包含電能計量表、并網(wǎng)各路斷路器、電壓、電流傳感器、保護輸出端子排、微電網(wǎng)供電母線等，這些設(shè)備被集中安裝于3個多功能配電柜內(nèi)。該系統(tǒng)主要負責(zé)監(jiān)控直流公共連接點(Point of Common Coupling PCC)電網(wǎng)參數(shù)、各微電源輸出特性參數(shù)、斷路器通斷狀態(tài)及負荷的各種電量參數(shù)，并將這些信息反饋至微電網(wǎng)調(diào)度與監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)度與監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)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(diào)節(jié)、斷路器的通斷等運行控制策略，之后將控制指令下發(fā)至直流微網(wǎng)控制與保護系統(tǒng)進行執(zhí)行，使微網(wǎng)能根據(jù)系統(tǒng)負載狀態(tài)協(xié)調(diào)各變換器的工作模式，以此維持母線電壓的穩(wěn)定及系統(tǒng)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(fēng)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(wǎng)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(tài)，但核心控制器的組成結(jié)構(gòu)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(jīng)過隔離型IGBT驅(qū)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(gòu)成反饋系統(tǒng)，將采集到電壓電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號反饋至DSP28335芯片，芯片利用PI算法逐步調(diào)節(jié)PWM的占空比，最終輸出穩(wěn)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(jié)構(gòu)，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(cè)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(cè)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(jié)構(gòu)

充電模式時，開關(guān)管Q1～Q4有驅(qū)動信號，對管導(dǎo)通。而開關(guān)管Q5～Q8則不加驅(qū)動信號，只利用其反并聯(lián)二極管實現(xiàn)輸出全橋整流。放電模式時，開關(guān)管Q5～Q8有驅(qū)動信號，對管導(dǎo)通；當對管Q5、Q8(或Q6、Q7)同時導(dǎo)通時，向高壓側(cè)負載傳輸能量，而開關(guān)管Q1～Q4則沒有驅(qū)動信號，只利用其反并聯(lián)二極管實現(xiàn)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(dǎo)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(shù)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(dǎo)通的占空比，變化范圍為2%～70%。

5 實驗平臺最終設(shè)計效果與功能應(yīng)用

實驗平臺最終設(shè)計效果如圖5所示，主要由直流微網(wǎng)控制與保護模塊、發(fā)電模塊、儲能模塊、電動汽車模塊等構(gòu)成。

圖5 實驗平臺最終設(shè)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(wǎng)的基本組成與功能實驗；

(2)直流微電網(wǎng)風(fēng)光互補實驗；

(3)直流微電網(wǎng)風(fēng)光儲互補實驗；

(4)直流微電網(wǎng)多儲能互補實驗；

(5)電動車對微電網(wǎng)影響的研究；

(6)分布式發(fā)電對配電網(wǎng)影響的研究；

(7)直流微電網(wǎng)能量管理與調(diào)度控制的研究；

(8)直流微電網(wǎng)中直流負荷的特性研究；

(9)直流微電網(wǎng)的保護。

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

6 結(jié) 語

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