基于LabVIEW的多端口直流微电网实验平台

2019-12-20李畸勇王纪港江俊贤黎远梅刘有强

实验室研究与探索 2019年11期

李畸勇，胡恒，王纪港，江俊贤，黎远梅，刘有强

(广西大学电气工程学院，南宁 530004)

0 引言

近年来，我国新能源持续快速增长并逐步进入大规模发展阶段[1]，传统电网由于受到调峰能力、电源装机等因素影响，使得其对新能源的消纳能力有限，限制了新能源发电并网的进一步发展。随着电力电子、逆变技术发展，微电网技术被认为是现今解决分布式新能源消纳利用问题的一个重要发展趋势[2]。

目前常见的微网系统组网架构有两种形式，即基于交流架构的微网系统与基于直流架构的微网系统。前者由于沿用传统交流设备，故技术相对成熟；而后者由于可节省大量的DC/AC装置，结构更为简单，且基于直流架构的双向并网接口技术，可实现微网系统与大电网的完全解耦[3]。随着直流微网系统运行优点的愈发突出，学术界和工业界纷纷投入到了对直流微网系统控制策略的研究当中。

为了更切合当今学术界与工业界的热点研究方向——直流微网系统，本文主要以拓展实验室现有微电网组网架构，促进学生对直流微网运行特性的进一步了解，依托广西大学新能源与微电网实验室为研究背景，对基于LabVIEW的多端口直流微电网实验平台设计进行了研究，提出了系统的设计实现方案。

1 实验平台总体结构设计

直流微电网实验平台由直流微网调度与监控、直流微网控制与保护、风机发电、光伏发电、磷酸铁锂储能、超级电容储能、电动汽车平台[4]、铅酸电池储能和LED负载及并网等模块组成，总体结构图如图1所示。根据系统安全、协调机制[5]以及控制目标，本文中的直流微网系统可划分为调度管理层、母线控制层与变换器控制层3个层次，各个层次的信息交互通过通信总线予以实现，下面介绍各个层次的功能定义。

图1 实验平台总体结构图

1.1 调度管理层功能

调度管理层利用LabVIEW软件进行搭建，可对直流微网进行运行状态监测、运行控制策略制定、能量调度管理等，软件界面包括实验平台各模块工作状态设置及监控、微网电能实时调度、微网电能质量监测、实验平台事件记录及历史数据报表打印等功能。

1.2 母线控制层功能

本文中所设计的直流微电网系统采用公共直流母线架构，通过380 V公共直流母线[6]，将各自分散的能量单元进行互组，使微网处于多端口运行状态，同时各变换器相互协调运行，向母线注入或汲取能量，使直流母线电压在一定范围内维持稳定。

1.3 变换器控制层功能

变换器控制层主要功能即通过变换器内部控制器输出的驱动信号控制功率管的开关时间，以此来调节变换器的输入、输出的电压、电流。由于变换器控制层中的各变换器均由其内部自身的控制器予以控制，这使得每个变换器均具有自治功能，大大提高了系统的稳定性。

2 调度管理层

2.1 软件平台

系统软件采用图形化编程语言LabVIEW进行编写[7-8]，系统软件按照通信协议通过控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)与各模块进行数据交互[9]，同时本文将源程序生成了可安装的应用程序，可使系统软件脱离开发环境运行，便于系统软件的发布[10]。

2.2 软件设计

软件设计过程中还考虑了后期改进过程中2次开发优化的可能性，采用子程序调用及模块化组合结构，可使软件方便扩充更新[11]。软件可实现如实验平台各模块工作状态设置及监控、微网电能实时调度、微网电能质量监测、实验平台事件记录及历史数据报表打印等功能，软件具体界面见图2。

2.3 微网能源管理调度方式

本文中的微电网系统能源来自于3种形式，分别为发电单元、并网单元及储能单元，以此划分微网的运行方式。

(1)发电主导运行方式。在此运行模式下，微电网的能源主要来源于并接的光伏发电单元与风力发电单元，并且所发出的电量超过了本地负荷用电需求，转而向并接的电网供能，而储能单元则可能处于充满状态或作为负荷吸收电能。

(2)并网主导运行方式[12]。在此运行模式下，微电网的能源主要来源于并接的大电网，微电网系统的功率缺额由大电网提供，此时并网变换器起到维持直流母线电压稳定与功率平衡的功能。

(3)储能主导运行方式[13]。在此运行模式下，微电网的能源主要来源于并接的储能单元，此时光伏发电单元与风力发电单元所发电量远不能满足本地负荷需求，而储能单元则处于释能状态，母线电压稳定及系统功率平衡由储能单元实现。

根据上述微网的运行方式可制定微源的投切、变换器工作方式的切换、功率输出的调节、断路器的通断等运行调度策略，使微网能安全、稳定、经济的运行。

(a)直流微网监控中心

(b)直流微网调度中心

(c)直流微网电能质量监测中心

(d)直流微网事件查询中心

图2 软件设计界面

3 母线控制层

母线控制层即直流微网控制与保护系统，其由直流并网回路组成，且通过直流母线与外部供电电路、微电网相连。直流微网控制与保护系统主要包含电能计量表、并网各路断路器、电压、电流传感器、保护输出端子排、微电网供电母线等，这些设备被集中安装于3个多功能配电柜内。该系统主要负责监控直流公共连接点(Point of Common Coupling PCC)电网参数、各微电源输出特性参数、断路器通断状态及负荷的各种电量参数，并将这些信息反馈至微电网调度与监控系统，调度与监控系统根据反馈信息将制定微源的投切、变换器工作方式的切换、功率输出的调节、断路器的通断等运行控制策略，之后将控制指令下发至直流微网控制与保护系统进行执行，使微网能根据系统负载状态协调各变换器的工作模式，以此维持母线电压的稳定及系统功率分配的平衡。

4 变流器控制层

在本文中，变换器控制层主要包括光伏DC/DC变换器、风机DC/DC变换器、磷酸铁锂电池DC/DC双向变换器、超级电容DC/DC双向变换器、电动汽车平台及充电桩DC/DC双向变换器、铅酸电池DC/DC双向变换器及并网DC/AC逆变(整流)器。上述变换器虽有着不同的控制方式及工作模态，但核心控制器的组成结构均相似，图3示意了核心控制器的工作原理图，其控制芯片为DSP28335[14]，整个电路由DSP28335主控板生成20 kHz的PWM信号，经过隔离型IGBT驱动器分别对主电路中的IGBT模块进行控制；由2路电压、电流采样电路构成反馈系统，将采集到电压电流转换为数字信号反馈至DSP28335芯片，芯片利用PI算法逐步调节PWM的占空比，最终输出稳定的电流、电压值。

图3 核心控制器工作原理图

由于文章篇幅原因，仅给出典型电动汽车平台及充电桩DC/DC双向变换器主电路的结构，如图4所示，其为带隔离变压器的双向全桥DC/DC变换[15-16]。该变换器有两种工作模式：当高压侧母线U1供电时，U1通过变换器给锂电池U2充电，称为充电模式；当锂电池U2供电时，通过变换器向高压侧母线负载提供能量，称为放电模式。

图4 DC/DC双向变换器主电路结构

充电模式时，开关管Q1～Q4有驱动信号，对管导通。而开关管Q5～Q8则不加驱动信号，只利用其反并联二极管实现输出全桥整流。放电模式时，开关管Q5～Q8有驱动信号，对管导通；当对管Q5、Q8(或Q6、Q7)同时导通时，向高压侧负载传输能量，而开关管Q1～Q4则没有驱动信号，只利用其反并联二极管实现输出全桥整流。

充电模式时，变换器的电压增益为：U2=U1×D/n，D为Q1～Q4对管导通的占空比，变化范围为2%～46%；n为隔离变压器原、副边绕组匝数之比，即n=N1/N2。

放电模式时，变换器的电压增益为：

式中，D为Q5～Q8对管导通的占空比，变化范围为2%～70%。