光伏主導的交直流混合微電網實驗平臺

汪 亮， 吳 韜， 彭勇剛， 李 悅， 韋 巍

（浙江大學電氣工程學院，杭州310027）

0 引 言

隨著我國社會高速發展，傳統電網在調度靈活性、供電可靠性及經濟性上劣勢愈重［1］。近些年，建設以光伏、風能等可再生能源發電的微電網成為國家新能源發展重要戰略，國內已有多個微網供電示范點［2］，微網化建設將是電網未來發展新方向。

交直流混合微電網包含交流子網，直流子網及交、直流互聯變流器，各子網間通過互聯變流器可互換功率，系統能單獨運行于孤島或并網模式，同時滿足交流負載和直流負載的供電需求，其中直流供電方式將減少傳統電力電子變換環節，降低能量損耗［3］。混合微電網在配電網中能有效整合分布式電源、儲能和各類負載，在電網未來建設中對傳統電路改造小，靈活性高，將是微網化建設的重要模式。

由于可再生能源存在波動性，交、直流混合微電網的穩定運行問題一直存在挑戰，國內外相關科研機構對此開展了一系列探索［4-6］。但考慮到實際微網電站存在電路結構龐大、調度層次復雜等問題，研究方案的驗證多在半實物仿真系統下進行，有些學者只進行了純軟件仿真［7-8］。

目前，對微電網仿真實驗平臺的研究已取得一系列成果［9-12］，但依然存在一些固有缺陷，主要表現為平臺底層電路通常由Matlab、LabVIEW 等電路仿真軟件搭建，或者由Rt-lab等半實物仿真系統搭建，電路模型往往存在理想假設，與電路真實運行情況存在差距。現有平臺多側重于中間控制層及高級應用層的研究，對底層基礎問題關注不足，實驗過程對瞬態沖擊的討論較少。

根據微電網多源多儲協調控制的實驗研究需求［13-15］，基于搭建系統化微電網的思想，結合當前配網中分布式光伏大量接入的現狀［16］，自主開發出光伏主導的交、直流混合微電網實驗平臺。平臺以智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）為核心進行電路搭建，涵蓋交、直流母線、儲能、光伏及負載，最大可進行10 kW功率等級的微電網實驗。

1 實驗平臺

1.1 實驗平臺總體結構

實驗平臺分為3 個層面：以IPM電路為核心的包含交、直流母線、互聯變流器、儲能、光伏及負載的底層，以DSP控制器為核心的中間層和以PC 上位機為核心的高級層。實驗平臺總體結構如圖1 所示。

圖1 實驗平臺總體結構

底層利用電源設備模擬光伏、儲能及大電網，利用功率電阻作為負載，各部分通過IPM 電路連接到交直流母線，考慮交流接入時存在耦合問題，在接入點加入隔離變壓器。底層設計可實現對混合微電網發電、輸電、用電過程的模擬，是實驗平臺的基礎。

中間層DSP控制器通過編程實現對底層傳感數據的模數轉換（Analog-to-Digital Conversion，A／DC），完成數據計算處理，脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出控制，電路保護及人機交互等功能。為模擬電網多種運行場景，設計Rt-lab轉接板，使控制器能與Rt-lab設備連接進行半實物仿真。

高級層的PC上位機通過仿真器與DSP控制器進行通信，在可視化環境下實現程序即時修改、實時監控和數據記錄等功能。

平臺3 層面相互獨立，實驗時無相互影響，故障排查方便快捷。各層服務研究的重點不同，底層服務于電路硬件；中間層服務于控制算法；高級層服務于應用開發。平臺設計目標是模擬出光伏微電網的實際運行情況，開展對應實驗工作。

1.2 平臺硬件

平臺硬件搭建主要包含IPM電路主板、控制器主板和其他相關實驗設備。

（1）IPM 電路主板。IPM電路主板以PM25RL1A 120 型IPM模塊為核心，布局如圖2 所示。

圖2 IPM電路主板布局

主板通過傳感信號輸出口將模擬量送至控制器，通過傳輸光纖接口接收來自控制器的PWM 控制信號，并將信號通過驅動電路驅動后送給IPM模塊。

IPM主板有3 方面特點，所有電感電容接口均為拔插式，根據實際需求可更換器件選值，閑置時能用導線短接，實現器件參數靈活可調；主板可采集多個節點電流、電壓值，實現對電路的電壓、電流及頻率控制，控制方法靈活多變；根據交、直流電路接入方向不同，主板可搭建直流型Buck、Boost 電路，交流整流、逆變電路，實現單塊主板靈活搭建多種電路結構功能。

（2）控制器主板。控制器主板涵蓋核心板、轉接板和檢測板3 個層次，如圖3 所示。

核心板的DSP 最小系統電路是DSP 芯片正常工作的基礎。Jtag電路提供仿真器接口，使上位機可通過仿真器連接到控制器，實現算法變量實時更改、數據在線監控及程序燒錄等功能。Flash 電路提供高速外部存儲，實現程序固化功能。板子采用DSP28335 型芯片，其內置12 bit 精度A／DC 電路，滿足所需A／DC功能。

轉接板的跟隨限幅電路能防止輸入信號幅值越限，防止芯片過壓損壞。通用輸入、輸出（General Purpose Input Output，GPIO）驅動電路負責驅動芯片GPIO端口外送的信號，使其具備能量驅動燈、繼電器等電路器件。轉接板位于核心板與檢測板之間，具備插口轉接作用，將3 層板子連為整體。

檢測板的信號采樣電路用于采樣傳感器上傳的模擬量并送到DSP 芯片內。電源供電電路用于進行多級電壓轉換以滿足控制板上各類芯片的供電需求。檢測板還提供PWM波光纖輸出接口和示波器信號觀測接口，設計有指示燈、按鍵等人機交互器件。

（3）其他實驗設備。光伏電源選用91500-30 型高效直流電源，該電源具備過壓、過流、過功率保護功能。可模擬正弦波、矩形波及光伏曲線等多種函數。

儲能電源選用TopCon系列可編程直流電源，該電源具備恒壓、恒流、恒功率等多種輸出模式。

大電網選用61845 型回收式電網模擬電源，該電源具備四象限操作、能源回收及電壓波形編輯功能，可設定三相電流輸入、輸出限制及電網頻率變動速率。

功率電阻選用RX20 型大功率波紋線繞電阻，該電阻可選功率范圍為10 W ～10 kW，可選阻值范圍為0.1 Ω ～100 kΩ。

圖3 3層次控制器及關鍵電路

1.3 平臺軟件

平臺軟件主要為實驗程序模塊化設計，并利用代碼調試器CCS6.0 進行實時實驗。

（1）實驗程序模塊化。實驗程序編寫流程為數據采集—計算、轉換—控制、算法—PWM 輸出—保護與關機，具體劃分成軟硬件初始化，人機交互，數據采集處理，主控算法，輸出及回饋保護5 大模塊，程序框圖如圖4 所示。

軟硬件初始化模塊在程序起始對系統時鐘、中斷向量表、各類寄存器及數據變量進行初始化，只執行一次，其他模塊則嵌入控制周期循環執行。根據算法復雜程度不同，需有對應的控制周期，在保證單個周期內計算控制能夠完成的情況下，應盡量減少周期時間，提升控制效果。

為保證進行實驗的高效性，各程序模塊均已封裝，進行不同實驗只需組合對應模塊，修改模塊參數即可。

（2）基于CCS的實時實驗技術。平臺PC上位機通過XDS100V3 型仿真器連接到控制器，在CCS6. 0開發環境下具備即時下載、程序燒錄等功能，可通過該軟件修改DSP寄存器變量，當前全部運行變量也能在軟件上觀測記錄，數據可實時繪圖。該技術保證了實驗的實時性，也為后續利用實驗數據做進一步科研開發提供基礎。

圖4 模塊化實驗程序

1.4 基于Rt-lab的半實物仿真拓展

Rt-lab半實物仿真實驗是一種在數字回路中加入部分實物進行混合仿真的實驗。將仿真回路在軟件上搭建后載入Rt-lab設備，設備可將回路上所需電壓、電流信息輸出，再利用外部實物控制器采集輸出信息并進行計算，最后回送PWM 波給Rt-lab 完成對電路的控制。

平臺可單獨將控制器接上Rt-lab 轉接板與Rt-lab設備通信，進行數字實物混合仿真實驗，模擬電網多種運行場景，拓展連接如圖5 所示。

圖5 拓展化Rt-lab連接

2 實驗平臺典型范例及關鍵問題

實驗平臺重點用于研究微電網中光伏與儲能的協調控制，平臺實物如圖6 所示。

2.1 實驗平臺典型范例

在孤島情況下，進行典型的雙光伏單儲能協調控制實驗，電路結構及控制策略如圖7 所示。

圖6 實驗平臺實物

圖7 典型實驗電路結構及控制策略

儲能直流輸出通過逆變器逆變為三相交流電，并經LCL濾波電路連接到交流母線，為穩定儲能輸出電壓，在接入處加上濾波電容Cdc。控制策略采用基于dq變換的電壓、電流雙環控制，三相相電壓d 軸參考量為，q軸參考量為0，兩者與實際相電壓Uo的dq變換值進行比例積分控制，結果再與實際三相電流IL的dq變換值進行比例控制，最終生成PWM脈沖控制逆變器。儲能側電路及控制策略可以實現在孤島情況下，直流儲能逆變建立交流母線電壓的功能。

光伏直流輸出通過逆變器逆變為三相交流電，并經L濾波電路連接到交流母線，為穩定光伏輸出電壓，在接入處加上濾波電容Cpv。控制策略利用最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法生成光伏參考電壓，參考值與光伏實際電壓Upv進行比例積分控制，結果再與實際三相電流io的dq變換值進行比例控制，最終生成PWM 脈沖控制逆變器。光伏側電路及控制策略可以實現在孤島情況下，光伏作為電流源并入交流母線的功能，實驗時會接入1 號光伏和2 號光伏，兩光伏的電路結構及控制策略相同。

實驗參數如表1 所示，實驗進行分為8 個階段，階段1 利用直流儲能逆變建立交流母線電壓；階段2 投入1 號光伏運行于MPPT 模式輸出最大功率；階段3增加1 倍負載；階段4 投入2 號光伏同運行于最大功率點；階段5 切去2 號光伏；階段6 切去一半負載；階段7 切去1 號光伏；階段8 關停儲能，完成實驗。實驗結果單相錄波如圖8 所示。

表1 實驗參數設計

圖8 協調實驗單相錄波

錄波曲線中，i2是二號光伏逆變電流，i1是一號光伏逆變電流，ibus是母線電流，ubus是母線相電壓。通過波形發現，整個實驗過程儲能逆變的母線相電壓穩定，在投入光伏及切、增負荷時母線電流變化合理，光伏投入時對母線沖擊小，后續可穩定運行，光伏電流逆變正常，波形良好，成功完成光儲協調控制實驗。

2.2 實驗平臺關鍵問題

平臺進行實驗的關鍵性問題是電流沖擊，考慮該問題對Matlab仿真建模也有指導意義。

（1）整流電流沖擊問題。平臺在并網情況下進行整流實驗，需要將三相交流電通過整流器整流后供予直流負載，整流啟動初始電網側存在電流沖擊現象，若沖擊過大會觸發電路主板及實驗設備的保護動作，沖擊大小與電路的結構、參數及控制方法相關。

通過采用多級電阻切、增的方式可以減小整流電流沖擊，但該方法會增大電路損耗，考慮沖擊產生原由，可以在控制方法上進行改進。

當整流器不控整流時，直流側存在的不控整流電壓為網側三相相電壓有效值的2.34 倍，此時若設置整流電壓控制目標值遠高于該倍數，會導致整流初始電網側在短時間內注入大量能量，產生較大電流沖擊。通過限制直流側控制電壓目標值起始變化幅度，能有效減小該沖擊，即當判斷最終電壓控制目標值與當前實際電壓相差過大時，限幅其每次的變化值為ΔU，避免控制電壓過快上升。防沖擊算法流程如圖9 所示。

圖9 三相整流防沖擊算法

將防沖擊算法嵌入控制程序循環內，利用平臺進行對比實驗，結果如圖10 所示。

圖10 防沖擊對比實驗

對比實驗中i 為網側三相電流，Udc為直流側電壓。在無防沖擊算法情況下，控制器啟動瞬間便導致三相電流越限，保護算法啟動切斷線路保護設備，i 與Udc降為0；在加入防沖擊算法后，控制器開始整流時三相電流沖擊明顯減小，順利實現整流功能。該限幅式防沖擊思想同樣可用于其他類似的啟停機控制中，減小電流沖擊影響。

（2）仿真建模指導。除控制變量起始變化速率過快外，實驗還發現電流沖擊大小與鎖相環（Phase-Locked Loop，PLL）相關。在光伏并入三相電網過程中，需在主控算法前加入PLL 程序，在確保鎖相成功后再控制并入，若將PLL 程序與主控算法同時運行將會產生極大沖擊。

對該現象進行Matlab 軟件仿真，在默認電網相角初始值為0°的情況下，無論PLL控制程序提前啟動與否，仿真初始光伏并入均能立馬鎖住相角，電流沖擊較小，仿真結果與實際有所偏差。當人為設定并入時兩者存在較大相角差后，設計PLL 與主控程序同時運行及PLL程序提前運行兩種情況進行對比仿真，結果如圖11 所示。

圖11 PLL啟動順序對比仿真

結果表明，當光伏并網與電網存在較大相角差時，PLL提前運行會使光伏逆變輸出電流ipv的并網沖擊明顯變小，該問題在并網仿真建模時需多加注意。

3 實驗平臺應用

3.1 科學研究支撐

實驗平臺提供了多節點光伏、儲能接入，涵蓋的研究范圍包括并網及孤島情況下多儲能均流控制、多儲能多光伏協調控制、母線電壓頻率波動控制及互聯變流器功率控制等，未來可完善新增多儲能電荷狀態平衡控制、風光儲一體化協調控制及多級互聯變流器間協調控制。平臺底層電路由實物器件搭建，可以對啟停機沖擊、弱電信號干擾、耦合干擾、電路保護及濾波器等問題進行理論研究和實驗驗證，精確貼合實際情況。

為模擬仿真微電網多樣運行環境，平臺可拓展連接至Rt-lab半實物仿真設備進行數字實物混合仿真研究，包括混合微電網的大功率穩定性控制、潮流計算及多能互補控制等研究。利用數字電路進行實物電路實驗前的預仿真，提供理論驗證及參數參考，平臺實驗后的新結果又可對比指導理論方法及模型建立，兩者相輔相成，為微電網科學研究提供有力支撐。

3.2 實驗教學培養

利用實驗平臺進行微電網實驗教學，使學生可以鞏固電路原理、模電數電、自動控制原理及C 語言等基礎知識，加深對微電網技術、電力電子技術的了解。學生通過親手進行相關實驗操作，將對實驗出現的電流、電壓沖擊等問題有所認知，通過發現問題到解決問題的過程，鍛煉學生動手能力及理論結合實踐能力。

4 結 語

光伏主導的交直流混合微電網實驗平臺順應電網發展趨勢，基于系統化實驗平臺的思想，搭建器件化的底層電路和可拓展化的中間層控制器，配套實時化的高級層軟件，編寫模塊化的實驗程序，保證進行實驗的準確性、實時性和高效性。平臺在孤島情況下成功進行典型的光—儲協調控制實驗，同時為解決實驗整流遇到的電流沖擊問題，提出一種限幅式啟動方案，沖擊問題的發現對指導Matlab 仿真建模也有重要意義。整個平臺為微電網相關控制研究提供有力實驗支撐，也服務于在校學生的實驗教學。