基于LabVIEW的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

于 群, 段紅利

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 山東 青島 266510)

0 引 言

微電網(wǎng)系統(tǒng)作為分布式電源以及多種負(fù)荷有效組織形式，能夠進(jìn)行發(fā)電優(yōu)化調(diào)度、負(fù)荷管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)同步。太陽能、風(fēng)能等新能源具有不可控性及不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，不僅會(huì)使負(fù)荷的用電無法得到保障，而且會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。如何充分利用清潔能源，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運(yùn)行，是微網(wǎng)系統(tǒng)需研究的首要問題。蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備，在微電網(wǎng)的運(yùn)行過程中具有抑峰平谷的作用，配合柔性負(fù)荷投切控制策略，有利于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)持續(xù)供電，增強(qiáng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性[2]。

本文針對(duì)微電網(wǎng)清潔能源發(fā)電間歇導(dǎo)致蓄電池頻繁充放電問題，提出次要負(fù)荷協(xié)同儲(chǔ)能設(shè)備工作的控制策略，構(gòu)建以LabVIEW為核心，集成數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與優(yōu)化控制功能的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

該平臺(tái)由輸入、運(yùn)算、顯示3個(gè)模塊組成。在微網(wǎng)正常工作時(shí)，選擇模式1。無風(fēng)或微風(fēng)天風(fēng)機(jī)無法投入發(fā)電，陰雨天光伏電池?zé)o法工作時(shí)，選擇模式2。兩種工作模式相互協(xié)調(diào)滿足實(shí)驗(yàn)要求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。風(fēng)電機(jī)組、光伏電池組及微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能輸送至400 V交流母線，母線一端連接蓄電池及兩種負(fù)載，另一端經(jīng)過變壓器連接大電網(wǎng)。根據(jù)負(fù)載優(yōu)先級(jí)不同分為重要負(fù)荷及次要負(fù)荷。在檢測(cè)到系統(tǒng)發(fā)電量不足時(shí)，利用上位機(jī)完成優(yōu)化計(jì)算，通過切除次要負(fù)荷、改變微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率、增加或減少從大電網(wǎng)購電量、改變電池充放電功率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖1 微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)優(yōu)化控制

微網(wǎng)集中有多種分布式能源，其中可再生能源發(fā)電存在間歇性與隨機(jī)性。微電網(wǎng)若直接接入大電網(wǎng)，將會(huì)影響大電網(wǎng)電能質(zhì)量，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)[3]。因此，本設(shè)計(jì)中的微電網(wǎng)只在功率缺額時(shí)從大電網(wǎng)購電，并不向電網(wǎng)售電。風(fēng)電機(jī)組及光伏電池出力的間歇性給微電網(wǎng)的調(diào)度增加了難度。為保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提出一種次要負(fù)載投切協(xié)同蓄電池出力調(diào)節(jié)控制策略，避免蓄電池頻繁充放電，從而延長蓄電池的使用壽命，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。策略如下：

(1) 風(fēng)電機(jī)組及光伏電池組作為清潔能源，將以最大功率發(fā)電，Sw(t)=Sw·max，Sp(t)=Sp·max。

(2) 當(dāng)Sw(t)、Sp(t)可以滿足所有負(fù)載用電量時(shí)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻蓄電池荷電狀態(tài)(state of charge ，SoC)決定是否將多余電能存入蓄電池。若儲(chǔ)能裝置SoC達(dá)到上限，則降低燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率來維持系統(tǒng)內(nèi)功率平衡。

(3) 當(dāng)Sw(t)、Sp(t)之和小于當(dāng)前負(fù)荷用電量時(shí)，計(jì)算功率缺額，首先切除相應(yīng)大小的可中斷負(fù)荷。若所有次要負(fù)荷都因發(fā)電功率供不應(yīng)求被切除，則提高微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率直至滿足負(fù)荷的功率需求。若提高微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率后系統(tǒng)供能仍低于負(fù)載用電量，蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備還存在可用電量，則投入蓄電池供能。若此時(shí)仍不能使系統(tǒng)功率供需平衡，則根據(jù)缺額量從大電網(wǎng)購電，功率限制在50 kW。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成

利用上位機(jī)搭載組態(tài)軟件結(jié)合下位機(jī)硬件系統(tǒng)來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是較為普遍且有效的實(shí)現(xiàn)方案。

目前，控制領(lǐng)域比較常用的組態(tài)軟件在國外主要有LabVIEW、FIX32、Wincc，國內(nèi)則有組態(tài)王、力控、FameView等。LabVIEW程序基于數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)[4]，軟件數(shù)據(jù)庫包括了數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)及顯示，以及GPIB、串口通信控制等函數(shù)包[5]，LabVIEW集成化的編程環(huán)境可以與真實(shí)的物理信號(hào)相連來獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，可以從根本上提高系統(tǒng)的工作效率。并且，該軟件功能強(qiáng)大，在測(cè)量、工業(yè)控制、科研仿真、軟件開發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[6-7]。

(1) 組態(tài)軟件選型。LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)軟件, 它能提供多種硬件驅(qū)動(dòng)，具有強(qiáng)大的圖形顯示能力以及完備的高級(jí)數(shù)學(xué)分析庫。程序設(shè)計(jì)過程快速便捷，通過編程很容易改變虛擬組件的設(shè)置和功能[8]，開發(fā)者可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)或演示需要重新構(gòu)建新的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[9-10]，為學(xué)術(shù)研究和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用提供了一個(gè)直接高效的設(shè)計(jì)環(huán)境[11]。

該軟件除了對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)顯示功能以外，還可以通過組件調(diào)用Matlab程序獲取經(jīng)濟(jì)優(yōu)化算法[12]，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，控制功能通過下位機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)。該軟件為實(shí)驗(yàn)者提供簡潔的監(jiān)測(cè)界面，可動(dòng)態(tài)顯示設(shè)備運(yùn)行狀況。此外，它還具有靈活的組態(tài)方式以及數(shù)據(jù)通信連接功能。LabVIEW以強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫和友好的用戶界面，可以大大提高開發(fā)效率[13]，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的監(jiān)控需求。

(2) 算法選擇。改進(jìn)型粒子群算法(GA-PSO)是將遺傳算法加入粒子迭代過程配合粒子群算法進(jìn)行尋優(yōu)[14]。粒子群算法(PSO)收斂速度快，但是精度低，在尋優(yōu)過程中容易陷入局部最優(yōu)解。給 PSO中的粒子加入遺傳變異迭代操作，增強(qiáng)了粒子跳出局部最優(yōu)的能力，避免了算法迭代過程中的早熟現(xiàn)象。

(3) 控制器選型。本設(shè)計(jì)中用DVP20EX作為控制器，該型號(hào)PLC帶有4個(gè)模擬量輸入端口和2個(gè)模擬量輸出端口。模擬量輸入及輸出信號(hào)可以為電壓或電流信號(hào)，但兩者范圍不同。EX系列PLC主機(jī)I/O為20點(diǎn)，擴(kuò)展后最大為238點(diǎn)。通信端口為RS-232與RS-485，可使用MODBUS ASCII/RTU通信協(xié)議。由此可知，該型號(hào)PLC模擬量端口及通信方式滿足設(shè)計(jì)需要。

3 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

分析微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行實(shí)際工況，確定風(fēng)-光-蓄-燃系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)以及調(diào)控量。利用LabVIEW組態(tài)軟件搭建上位機(jī)監(jiān)控界面，將Matlab中控制算法通過Matlabscript組件寫入LabVIEW，監(jiān)測(cè)兩種工作模式下的優(yōu)化結(jié)果。

3.1 數(shù)據(jù)處理

由LabVIEW編寫模擬風(fēng)速、光照強(qiáng)度、蓄電池荷電狀態(tài)、次要負(fù)荷接入量以及燃?xì)廨啓C(jī)功率大小等數(shù)據(jù)，以此作為信號(hào)輸入直接傳至庫函數(shù)優(yōu)化計(jì)算以及顯示界面。

數(shù)據(jù)處理使用Matlab編寫改進(jìn)型粒子群算法。LabVIEW和Matlab通過Matlabscript組件實(shí)現(xiàn)混合編程，在LabVIEW中加入Matlab算法程序，讓優(yōu)化計(jì)算過程變得簡單方便且易于實(shí)現(xiàn)。

3.2 上位機(jī)顯示界面設(shè)計(jì)

微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)顯示面板是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的重要組成部分，如圖2所示。

在工作模式2下，設(shè)備參數(shù)的設(shè)置、測(cè)試結(jié)果和顯示功能都由軟件編程實(shí)現(xiàn)，因此要求系統(tǒng)軟件的界面簡單直接[15]，具備相關(guān)操作和顯示控件，方便用戶操作和易于觀察系統(tǒng)的工作狀況[16]。直接操作上位機(jī)界面風(fēng)速、光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)按鈕，系統(tǒng)則根據(jù)當(dāng)前輸入值快速計(jì)算出設(shè)備最優(yōu)出力點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。分布式電源的出力變化，以及本時(shí)段運(yùn)行受控設(shè)備工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，方便學(xué)員理解經(jīng)濟(jì)運(yùn)行過程。

圖2 微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)顯示面板

3.3 數(shù)據(jù)輸入模塊設(shè)計(jì)

光伏電池選取SunPowerSPR-305-WH7型光伏電池板進(jìn)行模擬，根據(jù)光伏電池外特性，編寫光伏發(fā)電模塊，運(yùn)行流程圖和程序如圖3、4所示。蓄電池外特性如下：

Up(t)=Um·ln(e+b·ΔS)(1-C·ΔT)

(1)

(2)

(1+a·ΔT)

(3)

式中：光伏電池最大功率點(diǎn)輸出電壓和電流分別為Um=54.7 V，Im=5.58 A；ΔS=S-Sref；參考輻射強(qiáng)度Sref=1 kW/m2；ΔT=T-Tref；參考電池溫度Tref=25 ℃，補(bǔ)償系數(shù)a、b、c為常數(shù)，a=0.002 5 ℃-1，b=5 cm/W,c=0.002 88 ℃-1，最大視在功率Sm=U·I。

圖3 光伏電池模擬模塊運(yùn)行流程圖

圖4 光伏電池模擬模塊

風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬模塊見圖5。其外特性公式如下為：

(4)

式中：vi為切入風(fēng)速3 m/s；vo為切出風(fēng)速24 m/s；vr為額定風(fēng)速12 m/s；Sw·max為風(fēng)電機(jī)組額定輸出功率(200 kW)。

圖5 風(fēng)機(jī)發(fā)電模擬模塊

蓄電池模塊運(yùn)行流程圖及程序如圖6～7所示。

圖6 蓄電池模擬模塊運(yùn)行流程圖

將風(fēng)光等數(shù)據(jù)以24×4數(shù)組形式寫入txt文件，數(shù)據(jù)讀取模塊可在確定文件路徑后將參數(shù)讀入，進(jìn)行下一步計(jì)算操作。文件讀取流程及程序如圖8～9所示。

圖7 蓄電池模塊程序圖

圖8 數(shù)據(jù)讀取運(yùn)行流程圖

圖9 數(shù)據(jù)讀取模塊

3.4 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

選擇粒子群算法作為數(shù)據(jù)優(yōu)化算法，使用LabVIEW中的Matlabscript組件，將編寫好的Matlab算法程序連接起來。部分算法程序如圖10所示。

圖10 粒子群算法程序圖

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試

0時(shí)刻默認(rèn)蓄電池SoC為0.5，剩余電量25 kWh，燃?xì)廨啓C(jī)未投入運(yùn)行，次要負(fù)荷接入量為5 kW。使用HOMER軟件模擬24 h風(fēng)光參數(shù)，獲得系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)如圖11所示。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)輸入?yún)?shù)處理，獲取優(yōu)化計(jì)算后的結(jié)果如圖12所示，以14：00的運(yùn)行數(shù)據(jù)為例做出說明。

系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償裝置將功率因數(shù)提高至0.95，當(dāng)前時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率為457.5 kW，光伏輸出功率為450.6 kW，接入負(fù)荷1 032 kW。由于風(fēng)光出力低于系統(tǒng)所需電能，蓄電池參與供能，其放電功率為4.2 kW，電池剩余能量下降。柔性負(fù)荷全部切除，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量提高到103 kW，并從大電網(wǎng)購電16.7 kW，滿足功率平衡約束。

圖11 系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高校培養(yǎng)人才方面有著重要地位，通過構(gòu)建微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將理論教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)改進(jìn)電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)形式，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，有著非常重要的作用。讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)操作，改變相關(guān)參數(shù)觀察優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果，能深刻的體會(huì)微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行過程。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有一定的通用性和擴(kuò)展性，針對(duì)高校電氣類實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備差別較大的狀況，可以通過修改上位機(jī)通信程序建立連接，提高高?，F(xiàn)有資源利用率，減少搭建成本，為電氣工程類專業(yè)學(xué)生開展微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供有力的支持。