基于ZigBee的微網控制策略研究與實現

張 鴻，寧躍飛

(鄭州升達經貿管理學院，河南鄭州451191)

基于ZigBee的微網控制策略研究與實現

張 鴻，寧躍飛

(鄭州升達經貿管理學院，河南鄭州451191)

良好的微網控制策略是解決分布式電源并網的重要方法。在研究微網控制策略的基礎上，提出了利用物聯網的技術和手段對相應的功能進行設計和實現的方案。介紹了微網的運行方法，選用了Droop控制方法作為微網的并網控制策略，并采用無線傳感網絡技術對其功能進行了實現。

分布式發電；微網；控制策略；物聯網

分布式發電是靈活利用可再生能源的主要方式之一。它可以有效地解決能源短缺、環境保護等問題。同時，作為傳統電源的一種補充，也可以解決傳統電源不能靈活追蹤負荷、結構復雜、故障率高的缺點。但是分布式發電系統一般都采用風能、太陽能等發電方式構成，具有一定的不可控性，同時分布式發電系統在實現削峰填谷、降低損耗、改善電網可靠性等環節上也產生了成本高、控制難、隨機性強等問題。因此，采取可靠的技術手段來解決分布式發電并網時所面臨的難題，是目前研究的重點。

微網是近年來提出的一種新型電網結構，是一種集分布式電源、儲能裝置、電力電子裝置、負載和控制保護裝置于一身的小型發配電系統，是能夠實現自我控制、保護和管理的智能系統[1]。微網的出現，不僅可以解決傳統大電網發電方式單一、投資大、結構復雜的問題，同時微網還可以把供電和供冷、供熱結合起來，形成有效的統一服務系統，對完善生產生活的服務體系具有重要的意義。

微網具有兩種運行方式：一種是獨立運行，即脫網孤島運行方式，這種方式以微網為核心，與大電網相隔離，自成系統，可以不受大電網運行狀態的影響；另一種方式是并網運行，微網以某種方式與主網相連接，主要的運行方式受主網支配的運行方式。這兩種運行過程需要具有靈活切換的能力，并且切換需要及時平滑。

微網運行可控性強、規模小、運行方式靈活，但是微網系統又是一門涉及多種學科的交叉技術，其運行模式與控制策略的選擇對其運行的可靠性和穩定性，具有重要的意義。

1 微網的運行策略分析及確定

圖1所示為文獻[1]提出的微網的基本結構。從圖中可知，多種發電形式均可順利成為微網的基本組成部分，其中包括了光伏發電、風力發電、燃料電池、生物質發電等形式。同時微網系統中還特別增加了與供電系統相并行的供冷供暖系統。整個結構采用兩條線路完成功能：一條為電力線，主要作為供電線路；另一條為信息線，信息線的作用是將采集的數據上傳至中央控制單元，同時將中央控制單元的控制命令發送至微網的控制開關中，以完成微網的運行狀態遠程調控。

圖1 微網的基本結構

微網中的中央控制單元起到對微網運行狀態進行分析、確定運行方式的目的。在中央控制單元中內置的以微網控制策略為基礎的算法是其運行的標準。

目前，微網的控制策略主要有三種，分別為：Droop控制策略、V/f控制策略、PQ控制策略[2]。

Droop控制策略主要是通過模仿傳統電力系統中同步發電機下垂特性而對逆變器進行控制的一種方法。它主要利用系統輸出有功功率與頻率之間、無功功率與電壓幅值之間均呈現線性關系來調節微網的輸出有功功率和無功功率，具有切換平滑的優勢。V/f控制策略是指恒壓恒頻控制策略。該策略主要實現了無論逆變器電源輸出的功率如何變化，其輸出的電壓幅值和頻率均在一定條件下維持不變的基本功能。而PQ控制策略是恒功率控制，主要的控制方式是通過對有功電流和無功電流的解耦控制，來實現當微網系統母線的頻率和電壓在一定范圍內變化時，系統輸出的有功功率和無功功率能夠保持不變的策略。考慮到微網與并網運行時狀態的切換需要具有一定的平滑性，因此本設計采用Droop策略來作為微網的控制策略。

2 基于物聯網的微網控制系統的實現

采用物聯網的方式來實現微網控制系統是解決微網運行過程的良好結構選擇。物聯網的一種定義是：通過無線射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統(GPS)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[2]。在微網中，存在兩種線路通道，一種是電力線路，用以傳輸電能；另一種是信息通路，用以傳輸數據和控制命令。在本設計中，信息通路采用物聯網的三層結構，分別為感知層、通信層、中央控制與應用層。在感知層中，采用短距離通信技術ZigBee來完成，由各ZigBee節點構成星形結構的無線傳感網，信息傳輸選用2.4 GHz工作頻段，采用IEEE 802.15標準，具體芯片選用德州儀器生產的CC2530。CC2530節點的I/O口上連接各種電流、電壓等參數傳感器，采集的數據通過射頻方式傳輸至整個星形網的核心——協調器端。協調器也由CC2530來承擔，主要的任務是將各個終端ZigBee節點采集來的數據上傳至底層數據處理中心。整個ZigBee網絡的搭建是在符合ZigBee2007協議規范的協議棧軟件ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0的基礎上完成的。協調器上電后，由啟動代碼來初始化硬件系統和軟件架構需要的各個模塊，ZStack采用輪轉查詢式操作系統，由main()函數開始執行，完成系統硬件初始化以及進入OSAL操作系統層。

底層數據處理中心由嵌入式芯片來完成，ZigBee協調器與嵌入式芯片采用串口連接，芯片選用飛凌嵌入式ARM11的S3C6410開發板來擔當。嵌入式中心的作用有兩個：一個是對上傳的數據進行簡單的處理，使其格式更加符合數據傳輸的要求；另一個作用就是通信網關的功能，由于底層數據的通信協議采用ZigBee2007，而通信層采用工業以太網來完成，因此，嵌入式中心負責完成兩個通信協議的轉換。

中央控制單元設立在系統服務器中，除正常的應用系統之外，最主要的就是Droop控制策略的實現。Droop控制策略的實現首先要依賴于硬件系統來完成。圖2是基于Droop控制的硬件功能框圖，整個系統的控制主體是功率控制和電壓電流雙閉環控制。功率環控制模塊以從ZigBee節點中上傳上來的各種逆變器及其他設備的輸出電壓及電流的采樣數據為依據，以有功功率及無功功率的計算為目標，結合相應的數學模型，實現對逆變器的有功功率和無功功率的計算，并將生成的結果輸入至下垂方程模塊中進行P-f和Q-V計算，從而得出系統運行的參考電壓。另一個控制模塊是電壓電流雙閉環控制模塊，該模塊是以功率環控制模塊所提供的電壓為依據，計算出當前電壓的適應性電流，并通過PWM脈沖形式輸入至逆變器進行參數較正，同時該結果也會反饋至微網母線側進行實時控制。

圖2 Droop控制三相全橋逆變器系統功能結構圖

圖2中所示的各部分功能，一部分完全依靠硬件來完成，例如數據的采集、通信等，而另一部分功能是需要進行高精度計算的，例如功率的計算、參考電壓值的得出、參考電流值的得出等，這一部分功能在中央控制單元中完成，計算的依據是系統的無功及有功換算公式，具體如式(1)及式(2)所示[3]。

3 總結

本文從微網的基本結構出發，對微網中逆變器的控制策略進行了分析，確定了以Droop控制策略為基本控制策略的微網管理運行系統，并對其主要設計進行了說明。

本系統采用物聯網的基本三層結構，利用嵌入式系統和ZigBee技術構建底層數據采集平臺，借助工業以太網實現數據的遠程傳送，并設立中央處理中心，完成數據的處理和控制命令的下達。

為了提高微網運行的可靠性，本系統采用了Droop的控制策略來對微網進行管理，并設計了內外環控制的方式，外環控制對Droop控制進行計算，內環對電流和電壓進行分析處理，形成了完整的控制體系，提高了系統工作的穩定性。

[1]黃小榮.微網運行模式及控制策略研究[J].華東電力，2012(5)：798-799.

[2]張中鋒.微網逆變器的下垂控制策略研究[D].南京：南京航空航天大學，2013：12-13.

[3]王寧.微網系統能量管理技術研究[D].北京：北京交通大學，2010：85-100.

Research and implementation of microgrid control strategy based on ZigBee

A good micro network control strategy was an important way to solve the distributed power grid.On the basis of the study on the control strategy for micro network,the use of the Internet of things technology and means were proposed to carry on the design and implementation of the function of the corresponding solution.The operation method of micro network was introduced.The DROOP control method was chosen as the network interconnection control strategy.At last the technology of wireless sensor network was used by the design to realized its function.

distributed generation;microgrid;control strategy;internet of things

TM 61

A

1002-087 X(2016)03-0725-02

2015-08-28

張鴻(1975—)，女，河南省人，碩士生，副教授，主要研究方向為軟件工程、圖像處理。