微电网仿真实验平台的设计与实现

张建良, 于 淼, 包哲静, 齐冬莲

(浙江大学 电气工程学院, 浙江 杭州 310027)

近年来,融合风、氢、太阳能、燃料电池等清洁能源的微电网技术已成为我国能源技术的发展方向之一,它对于优化能源结构和保障国民经济可持续发展具有重大战略意义。微电网已成为国家科技产业发展中的一个新型产业[1-3]。在微电网理论研究及工程实验方面,国内外众多科研机构开展了一系列的探索研究[4-7]。

关于微电网技术研究和实验教学是浙江大学电气类专业的特色发展方向,是浙江大学“双一流”建设的重要方面。开展微电网实验教学平台的系统化建设,是推动浙江大学电力专业教育改革和一流学科建设的重要方面,是实施创新型人才培养战略的重要环节[8]。

目前,涉及新能源和微电网技术的实验研究取得了一系列成果[3-5],然而现有的实验方法和实验装置存在一些固有的缺点,尚不足以揭示微电网内部各个模块单元的运行机理,不能实现学科知识的交叉融合以及培养学生的动手能力和创新意识,主要表现在：

(1) 涉及微电网技术的传统教学和实验研究大都基于单一控制对象,没有系统、综合性的实验教学内容[9-10]；

(2) 较少考虑微电网中现有通信系统对电力物理系统运行控制和可靠性、经济性等性能分析方面的影响；

(3) 微电网实验涉及高压操作部分一般是利用专业软件进行数字仿真,实验效果不理想,也影响学生参与的积极性[11-12]；

(4) 现有实验器材和课程设置强调对于基本概念和结论的分析、验证,缺乏实物操作,在一定程度上影响了学生对微电网相关技术内容的理解和掌握[13-14]。

鉴于新能源及微电网相关课程实验教学的重要性,迫切需要开发新型、系统级的微电网仿真实验教学平台,解决实验教学中以演示教学为主和学生动手不足的问题[15-16]。

基于系统化的实验教学思想和开放性的实验设计模式,在优化和整合现有的微电网实验设备基础上,开发集层次化教学服务和科研实践为一体的微电网仿真实验系统。该系统主要借助于DSP单元快速处理数据的能力,采用信号分析与处理技术获取与处理微电网相关单元的信息和通信情况,实现对微电网中运行的电力信号进行实时采样和处理；利用系统控制技术对微电网内部单元进行优化和协调,通过实物仿真和数字仿真的结合,控制微电网内各种电力模块单元电路的运行状态,达到对微电网的实时监测与有效控制。

1 实验平台的总体结构

根据控制对象和功能的不同,微电网仿真实验平台包括3个层次：以上位机系统为主的高级层部分,以DSP系统控制器为主的中间层部分和以各种新能源单元为主的底层部分,其中底层微电网单元包括光伏发电模块、风力发电模块、储能模块及其相应的变换器,具体构造如图1所示。

图1 微电网仿真实验平台的结构

高级层中的上位机系统主要负责微电网系统的整体协调控制算法设计,同时实现与中间层的通信和控制指令的交换；中间层中的DSP系统控制器主要负责对微电网内部的交流电压、电流、频率以及直流侧电压、电流等信号进行分析和滤波处理,同时通过对底层中新能源单元的电路信号进行检测,以利用控制电路产生PWM脉冲信号来驱动功率开关管,实现对底层新能源单元功率、频率和电压等的有效控制。

层与层之间利用特定的通信协议进行信息交换和控制指令的传递：高级层与中间层通过Modbus协议进行通信,中间层与底层通过电力信号连接线进行控制；在中间层内部的DSP部分和触摸屏部分通过RS485协议进行通信。

2 实验平台的设计内容

实验平台的内容设计不但注重微电网的基本结构和特性,也重视系统级的操作和信息处理技术。通过各种扩展接口和资源,可以改进微电网的实验形式和实验内容,有利于设计和开展探究性实验课题,在启迪学生创新性思维和实践动手能力、提高教学方式的灵活性、增加学习的深度和广度方面具有明显的优势。

该实验平台的设计主要包括硬件部分设计和软件部分设计。硬件部分主要由DSP系统控制器、触摸显示屏、上位机等组成；软件部分主要包括系统控制程序、模块控制程序、底层驱动程序和通信功能程序等。实验平台主要设计内容如图2所示。

2.1 外围硬件电路的设计与实现

外围硬件电路的设计的主要内容是以DSP核心开发板为基础的外围控制和通信电路,为通信功能和底层驱动功能提供硬件支持(见图3),具体包括：

(1) 设计AD采样电路,实现新能源发电单元变换器输出的模拟信号量与DSP控制器所产生的数字控制量之间的转换,为协调微电网底层单元间的运行控制提供支持；

(2) 设计DSP外围通信控制电路,包括基于TCP/IP协议的以太网接口和基于IEEE 802.11协议的无线网络接口,实现DSP控制系统与外围模块(触摸屏、上位机、新能源发电单元等)以及内部模块(AD信号采样电路、PWM控制电路等)的通信功能；

(3) 开发触摸屏底层驱动程序,实现DSP系统控制器和触摸屏基于RS485的运行信息通信能力,为微电网的底层硬件应用提供良好的人机交互界面；

(4) 基于以太网接口,调试并实现DSP系统控制器和上位机基于Modbus协议的调度指令通信；

(5) 在IR2110自举电路的基础上设计PWM驱动控制电路,以实现将DSP输出信号转换为驱动开关管通、断所需的信号,实现对新能源发电单元的有效控制,并降低平台开发成本,提高系统的可靠性。

图2 实验平台主要设计内容

图3 外围硬件电路结构设计

2.2 底层驱动程序和电力信号处理算法设计

主要包括基于DSP模块开发底层驱动程序、电力信号分析和处理算法,以实现DSP的初始化工作和微电网相关模块信号的有效获取。具体内容包括：

(1) 底层驱动程序：主要包括片上A/D采样的初始化、定时器中断的初始化、PWM的初始化以及以太网数据传输的相关程序；

(2) 电力信号分析处理算法：基于DSP处理器中的ADC模块设计信号采样和处理算法,实时采集微电网底层模块输出的三相电压、电流、频率、直流侧电压、电流等信号,经过信号变换、滤波、运算等环节,得到适用于系统进一步控制处理所需的信号。

2.3 模块及系统控制程序的设计

基于上位机和DSP系统控制器,开发微电网模块控制程序和系统级控制程序,以实现对新能源发电单元、储能模块以及对整个微电网的有效控制,如图4所示。

图4 模块及系统控制程序设计

(1) 在Matlab软件环境中建立微电网底层单元(光伏单元、风机单元、储能单元等)的模型及模块控制程序,转换成C代码并下载到DSP系统控制器中调试运行。通过DSP系统控制器获取底层各个单元模块中的电压、电流等数据,进而设计变换器开关管控制算法以输出PWM波形,从而控制底层单元中对应三相变换器中开关电路的通断,以实现对微电网底层单元中各个新能源发电和储能模块的有效控制。

(2) 在上位机开发系统协调控制算法,并转换成C代码下载到DSP系统控制器中调试运行,实现对当前微电网整体运行状况(包括电压、电流、功率等参数和波形)的实时监测。通过对数据和波形的分析比较和后续调用,可以对微电网系统的控制时序、程序参数以及微电网的运行参数进行优化,从而达到系统整体最佳的控制效果。

3 实验平台的应用研究及成果

构建微电网仿真实验平台,不但可以为新能源控制、智能电网等实验教学提供平台支撑,而且系统运行经验和数据积累可以有效服务于电气工程相关专业师生的科研开发活动。

3.1 实验教学应用

浙江大学电气工程学院拥有电气工程国家重点一级学科,在国家“双一流”重点建设支持下,按照分层次、阶段性、特色化的实施思路,对电气大类本科生逐步开展微电网技术相关课程的理论和实验教学。

(1) 微电网实验教学的第一层次：基于微电网实验平台的建成和应用,改进传统电力系统和新能源发电方面已有的数值仿真实验,推出更加接近实际工程背景的实物仿真和半实物仿真实验,提升基础性微电网实验的技术水平、提高学生参与的积极性。该类实验内容主要是单体级新能源系统的仿真实验,面对具备基础知识和简单应用能力的高年级本科生设置。

(2) 微电网实验教学的第二层次：选择系统级微电网单元的运行控制实验教学内容,使实验研究与实验教学更加接近实际微电网的运行情况,有利于通过设计综合性的实验内容，让学生掌握扎实的微电网实验技术和知识。该类实验主要面向具备一定微电网技术知识的高年级本科生和研究生设置。

(3) 微电网实验教学的第三层次：强调对基本概念和基本结论的分析、综合和提炼,培养学生独立思考、发现问题和解决问题的能力,通过开展微电网探究性实验,让学生在教师指导下独立设置实验内容和实验方式,以学生研究小组的形式达到个体主动学习、团体互动合作和创新性思维培养的目的。

3.2 辅助科学研究

借助于微电网实验平台的建设和运行,电气工程学院近年来在微电网技术领域获得了多项国家科技支撑计划、“863”计划、国家自然科学基金项目、省部级重大项目的支持,对新能源开发利用和微电网等技术开展，从理论到实践进行了深入研究,该实验平台有力地支撑了学院相关科研团队承担国家“863”计划项目“配电网信息物理系统关键技术研究及示范”“以可再生能源为主的冷热电联供微网系统关键技术研究”、国家自然科学基金重点项目“工业配用电信息物理系统安全防御理论及关键技术研究”等国家级项目以及一批省级科研项目。在该实验平台的支撑下,学院科研团队近年来在新能源和微电网相关研究领域获得国家级科技奖励3项、省级科技奖励10多项,发表SCI和EI收录论文500多篇,大大提高了电气工程学院在微电网技术研究领域的国内外影响力。

4 结语

微电网仿真实验平台综合利用信号处理、控制理论的知识和工具来解决微电网领域的控制和信息处理问题。通过该微电网仿真实验平台的构建和实施,不仅可以为电气、信息、自动化类专业的学生提供一个实践平台,提升学生在电力系统、控制理论等专业的综合应用能力,而且也为电气领域的科学研究提供了良好的设备支撑和验证平台,推动电气学科和控制学科的学科交叉融合和创新性人才培养体系的进一步完善和发展。