CN104933634B - 一种基于LabVIEW开放性微电网实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LabVIEW开放性微电网实验平台，包括依次相连的电源单元模块、变流器模块、电源单元控制模块和微电网控制模块，还包括界面显示模块、算法库模块和数据库模块，该三个模块均与电源单元控制模块、微电网控制模块相连；本发明的实验平台利用算法库模块和微电网控制模块进行简单的微电网控制实验，还可通过提供的二次开发接口自主写入控制算法实现电源运行控制和微电网调度的二次开发，满足微电网实验需求。

Description

一种基于LabVIEW开放性微电网实验平台

技术领域

本发明属于微电网实验技术领域，具体涉及一种基于LabVIEW开放性微电网实验平台。

背景技术

随着世界经济和工业的飞速发展，全球对能源的需求也迅速加大，与此同时煤炭、石油等传统能源随着逐步消耗正日趋枯竭，所以开发新能源、加强可再生能源的利用成为了各国的发展共识和必然的选择。分布式发电以其灵活、经济与环保等主要优势，得到了越来越广泛的应用。但分布式电源本身也存在着诸多的问题，例如分布式电源单机接入成本高，功率输出具有随机性和波动性，对电网的安全性构成威胁。为协调分布式电源与电网的矛盾，提高分布式电源的可控性和经济性，学者们提出了微电网的概念。所谓微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。

由于微电网设备的多样性以及分布式电源的不可控性和随机波动性，使得电源的协调控制问题比较复杂。而且对于在保证系统电能质量的前提下，实现多种分布式电源单元的灵活投切以及微电网控制的平滑过渡，这些都是有待解决的研究课题。然而，目前分布式电源微电网的运行实例较少，因此建立分布式电源微电网实验平台是研究分析微电网运行的重要手段。

目前微电网实验平台的建设也存在着诸多问题，如：电源采用本地控制，不利于电源间的协调运行；用户体验欠佳，操作繁复；实验平台较为封闭，不具有二次开发功能等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LabVIEW开放性微电网实验平台。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于LabVIEW开放性微电网实验平台，包括依次相连的电源单元模块、变流器模块、电源单元控制模块和微电网控制模块，还包括界面显示模块、算法库模块和数据库模块，该三个模块均与电源单元控制模块、微电网控制模块相连；

其中，电源单元模块用于给微电网提供电能；所述电源单元模块包括风电电源单元、光伏电源单元和储能电源单元，其中风电电源单元包括电机拖动单元和发电机单元。

变流器模块用于控制电源单元即用于控制光伏、储能和风电的并网发电以及模拟风机转动；所述变流器模块包括五个变流器，该五个变流器包括一个拖动变流器、一个整流变流器和三个并网变流器；

其中，拖动变流器的输入侧接配电网，输出侧接电机拖动单元；

整流变流器的输入侧接发电机单元，输出侧接第一并网变流器的输入侧，第一并网变流器的输出侧接配电网；

第二并网变流器的输入侧接光伏电源单元，第二并网变流器的输出侧接配电网；

第三并网变流器的输入侧接储能电源单元，第三并网变流器的输出侧接配电网。

电源单元控制模块用于控制变流器，实现电源单元的运行控制；电源单元控制模块通过自动化设备通讯规范ADS，将电源单元硬件设备设备映射至LabVIEW并封装成图形化模块，电源单元控制模块提供控制量和运行数据信息接口，对各电源单元进行启停、控制参数写入和运行数据信息监测操作；电源单元控制模块具体包括：

用于控制光伏电源单元工作的光伏单元控制模块；

用于控制储能电源单元工作的储能单元控制模块；

用于控制拖动电机和发电机工作的风电单元控制模块。

微电网控制模块用于调度电源单元控制模块，实现分布式电源的协调优化运行，并提供二次开发接口；微电网控制模块提供消峰填谷控制模块和平滑微电网功率输出控制模块；

其中，消峰填谷控制模块，根据电网所处的峰/谷运行时段以及用电供需平衡状况，通过调度储能电源单元支撑电网；

平滑微电网功率输出控制模块，根据电源单元的能量波动，针对每个电源单元产生的发电目标，平滑微电网的功率输出，减少对电网的冲击。

算法库模块用于提供电源单元的控制算法和数据管理算法，并开放二次开发接口；算法库模块包含各电源单元的控制算法和数据管理算法；

其中，控制算法利用数据库模块的电源单元运行数据信息，自动实现控制电源单元的运行，通过电源单元控制模块实现控制量下达至变流器硬件设备完成控制功能；

数据管理算法提供各电源单元数据处理的算法，描述电源单元运行状态。

数据库模块用于接收电源单元控制模块和算法库模块的数据信息，并对所述数据信息进行存储；

界面显示模块用于对电源单元控制模块和微电网控制模块进行基于LabVIEW的图形化显示。界面显示模块包括界面管理模块、看门狗管理模块和报警管理模块。

优选的，并网变流器的规格参数为：交流侧额定功率10kW、交流侧额定电压380Vac、交流侧额定频率50Hz、交流侧额定输出电流15A；拖动变流器的规格参数为额定输出功率15kW、交流侧额定输入电压380Vac、交流侧额定输入频率50Hz、额定输入电流23A；整流变流器的规格参数为额定输入功率10kW、交流侧额定输入电压400Vac、交流侧额定输入频率50Hz、交流侧允许频率范围0-320Hz。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的基于LabVIEW开放性微电网实验平台实现电源单元集中控制管理，电源单元的电气硬件设备通过ADS通讯映射至LabVIEW软件实验平台，并提供电源单元数据交互接口，方便微电网电源单元的管理、调度；2)本发明的基于LabVIEW开放性微电网实验平台实现电源单元模块化封装，将电源单元封装成图形化模块，提供通讯、控制量和运行数据信息等参数接口，使得微电网实验平台系统界面更加简洁、形象，便于操作；3)本发明的实验平台提供算法库，控制算法库包含电源单元的控制算法和数据管理算法。利用控制算法模块和数据管理算法可自动实现对电源单元运行控制以及运行数据处理，满足微电网实验需求。4)本发明的实验平台支持二次开发，除了利用所提供的算法库模块和微电网控制模块进行简单的微电网控制实验，还可通过提供的二次开发接口自主写入控制算法实现电源运行控制和微电网调度的二次开发，以满足更加深入的研究需要。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的基于LabVIEW的微电网实验平台总体架构示意图。

图2为本发明的微电网光伏单元运行控制流程示意图。

图3为本发明的微电网储能电源单元运行控制流程示意图。

图4为本发明的微电网风电电机拖动单元运行控制流程示意图。

图5为本发明的微电网风电发电单元运行控制流程示意图。

图6为本发明的微电网调度流程示意图。

具体实施方式

本发明的一种基于LabVIEW开放性微电网实验平台，包括依次相连的电源单元模块、变流器模块、电源单元控制模块和微电网控制模块，还包括界面显示模块、算法库模块和数据库模块，该三个模块均与电源单元控制模块、微电网控制模块相连；

其中，电源单元模块用于给微电网提供电能；

变流器模块用于控制电源单元即用于控制光伏、储能和风电的并网发电以及模拟风机转动；

电源单元控制模块用于控制变流器，实现电源单元的运行控制；

微电网控制模块用于调度电源单元控制模块，实现分布式电源的协调优化运行，并提供二次开发接口；

算法库模块用于提供电源单元的控制算法和数据管理算法，并开放二次开发接口；

数据库模块用于接收电源单元控制模块和算法库模块的数据信息，并对所述数据信息进行存储；

界面显示模块用于对电源单元控制模块和微电网控制模块进行基于LabVIEW的图形化显示。

所述电源单元模块包括风电电源单元、光伏电源单元和储能电源单元，其中风电电源单元包括电机拖动单元和发电机单元。

所述变流器模块包括五个变流器，该五个变流器包括一个拖动变流器、一个整流变流器和三个并网变流器；

其中，拖动变流器的输入侧接配电网，输出侧接电机拖动单元；

整流变流器的输入侧接发电机单元，输出侧接第一并网变流器的输入侧，第一并网变流器的输出侧接配电网；

第二并网变流器的输入侧接光伏电源单元，第二并网变流器的输出侧接配电网；

第三并网变流器的输入侧接储能电源单元，第三并网变流器的输出侧接配电网。

所述电源单元控制模块通过自动化设备通讯规范ADS，将电源单元硬件设备映射至LabVIEW软件实验平台并封装成图形化模块，电源单元控制模块提供控制量和运行数据信息接口，对各电源单元进行启停、控制参数写入和运行数据信息监测操作；电源单元控制模块具体包括：

用于控制光伏电源单元工作的光伏单元控制模块；

用于控制储能电源单元工作的储能单元控制模块；

用于控制拖动电机和发电机工作的风电单元控制模块。

所述微电网控制模块提供消峰填谷控制模块和平滑微电网功率输出控制模块；

其中，消峰填谷控制模块，根据电网所处的峰/谷运行时段以及用电供需平衡状况，通过调度储能电源单元支撑电网；

平滑微电网功率输出控制模块，根据电源单元的能量波动，针对每个电源单元产生的发电目标，平滑微电网的功率输出，减少对电网的冲击。

所述算法库模块包含各电源单元的控制算法和数据管理算法；

其中，控制算法利用数据库模块的电源单元运行数据信息，自动实现控制电源单元的运行，通过电源单元控制模块实现控制量下达至变流器硬件设备完成控制功能；

数据管理算法提供各电源单元数据处理的算法，描述电源单元运行状态。

所述界面显示模块包括界面管理模块、看门狗管理模块和报警管理模块。

所述并网变流器的规格参数为：交流侧额定功率10kW、交流侧额定电压380Vac、交流侧额定频率50Hz、交流侧额定输出电流15A；拖动变流器的规格参数为额定输出功率15kW、交流侧额定输入电压380Vac、交流侧额定输入频率50Hz、额定输入电流23A；整流变流器的规格参数为额定输入功率10kW、交流侧额定输入电压400Vac、交流侧额定输入频率50Hz、交流侧允许频率范围0-320Hz。

下面进行更详细的描述：

如图1所示，微电网实验平台通过ADS通讯将电源单元硬件设备映射至LabVIEW软件实验平台，获取微网硬件设备的状态信息、环境信息以及各种电气参数，并将电源单元封装成模块，提供控制量和运行数据信息。算法库模块中的控制算法利用数据库模块提供的电源单元数据信息，执行控制算法后得到控制参数，下达至相应的电源单元控制模块。其中，电源单元的控制算法取决于微电网的调度策略。最后，电源单元控制模块再通过ADS通讯将控制参数传达至变流器模块，驱动电源单元运行。涉及到的模块包括依次相连的电源单元模块、变流器模块、电源单元控制模块和微电网控制模块，还包括界面显示模块、算法库模块和数据库模块，该三个模块均与电源单元控制模块、微电网控制模块相连。

电源单元模块包括光伏模拟器、储能蓄电池和风机模拟器(异步电动机和永磁同步发电机对拖系统)。

变流器模块包括：光伏并网变流器、储能并网变流器、风电电机拖动变流器、风电整流变流器和风电并网变流器。光伏并网变流器控制光伏直流侧电压和无功输出。储能并网变流器控制储能直流侧电压和无功输出。风电拖动变流器通过控制异步电动机的转速模拟风机转动；风电整流变流器控制发电机转矩；风电并网变流器用于稳定整流后直流侧电压。

电源单元控制模块包括：光伏单元控制模块、储能单元控制模块和风电单元控制模块。光伏单元控制模块用于控制光伏并网变流器实现光伏电源单元直流侧电压和无功输出的可控。储能单元控制模块用于控制储能并网变流器实现储能电源单元直流侧电压和无功输出的可控。风电单元控制模块分为风电电机拖动控制模块和风电发电控制模块。其中，风电电机拖动控制模块控制风电电机拖动变流器实现电机转速的可控，风电发电控制模块中的风电整流控制模块用于控制风电整流变流器实现电机发电，风电发电控制模块中的风电并网控制模块用于控制风电并网变流器实现稳定整流后直流侧电压。

微电网控制模块用于调度电源单元控制模块，实现光伏单元、储能单元和风电单元的协调优化运行，并提供二次开发接口。微电网控制模块提供消峰填谷控制模块和平滑微电网功率输出控制模块。微电网调度的二次开发，根据数据库模块提供的电源单元数据，利用微电网控制模块提供的电源单元运行方式接口，可自主编写调度算法实现不同控制目标下的电源单元调度运行。

算法库模块包含电源单元的控制算法和数据管理算法。控制算法利用数据库模块的电源单元运行数据信息，可自动实现控制电源单元的运行，通过电源单元控制模块实现控制量下达至变流器硬件设备完成控制功能。数据管理算法用于电源单元运行数据的处理，可更加详尽地描述微电网和电源单元的运行状况。

控制算法包含光伏电源单元控制算法、储能电源单元控制算法和风电电源单元控制算法。光伏电源单元控制算法，包括恒压控制算法和最大功率点跟踪(Maximum PowerPoint Tracking，MPPT)控制算法。储能电源单元控制算法，包括恒压充放电控制算法，恒流充放电控制算法，恒功率充放电控制算法和三段式充电控制算法。风电电源单元控制算法，包括风电发电单元的恒转矩控制算法、最大功率点跟踪变转矩控制算法、风电电机拖动单元的恒转速控制算法和在各种不同风速情况下模拟风机的变转速控制算法。控制算法的二次开发，根据自主写入的控制算法，基于电源单元控制模块提供的控制量接口实现电源单元运行控制。

数据管理算法包含变流器在线总时长算法、变流器运行总时长算法、电源单元能量总输出算法、储能蓄电池电荷状态(state of charge，SOC)算法、储能蓄电池最大放电功率算法和储能最大充电功率算法。变流器在线总时长算法用于统计变流器的待机和运行总时间。变流器运行总时长算法用于统计变流器的运行时间。电源单元能量总输出算法用于统计电源单元输出的总发电量。储能蓄电池电荷状态算法用于计算电池的剩余容量。储能蓄电池最大放电功率算法用于计算电池在单位时间内能输出的最大功率。储能最大充电功率算法用于计算电池在单位时间内能存储的最大功率。数据管理算法的二次开发，利用数据库提供的数据信息，根据自主编写的数据管理算法处理数据信息，描述其它运行状态用于电源单元和微电网的运行分析。

数据库模块，用于接收光伏单元控制模块、储能单元控制模块、风电单元控制模块和算法库模块的数据信息，并对所述数据信息进行存储。

界面显示模块包括界面管理模块、看门狗管理模块和报警管理模块。界面管理模块负责对电源单元控制模块界面和微电网控制模块界面的图标显示进行管理。看门狗管理以显示灯的形式，表征电源单元控制模块与变流器模块之间的通讯状态。报警管理也采用显示灯的形式，对电源单元模块和变流器模块的硬件故障进行报警。

如图2所示，通过ADS通讯将光伏电源单元硬件设备映射至LabVIEW软件实验平台，并封装成光伏单元控制模块，提供运行数据(光伏直流侧电压、输出电流、输出功率等)和控制量(启停、直流侧电压和无功电流)接口。运行数据存储于数据库模块，且数据库模块向算法库模块提供光伏电源单元的数据信息。算法库模块中的数据管理算法对数据信息进行处理，得到光伏电源单元在线时长、运行时长和输出能量等，并存入数据库模块。算法库模块中的控制算法包括恒压控制和MPPT控制，根据运行方式、运行数据和控制目标值计算得到光伏电源单元直流侧电压参考值和无功电流参考值，下达给光伏电源单元控制模块。光伏电源单元控制模块再通过ADS通讯传至光伏并网变流器，实现光伏单元发电控制。

光伏单元控制模块提供的二次开发接口，包括光伏单元启停控制量、直流侧电压控制量和无功电流控制量。

如图3所示，通过ADS通讯将储能电源单元硬件设备映射至LabVIEW软件实验平台，并封装成储能单元控制模块，提供运行数据(蓄电池直流侧电压、输出电流、输出功率等)和控制量(启停、直流侧电压和无功电流)。运行数据存储于数据库模块，且数据库模块向算法库模块提供储能电源单元的数据信息。算法库中的数据管理算法对数据信息进行处理，得到储能电源单元在线时长、运行时长、输出能量和负荷状态等，并存入数据库模块。算法库模块中的运行控制算法包括恒压充放电控制、恒流充放电控制和恒功率充放电控制，根据运行方式、运行数据和控制目标值计算得到储能蓄电池电源单元直流侧电压参考值和无功电流参考值，下达给储能电源单元控制模块。储能电源单元控制模块再通过ADS通讯传至储能并网变流器，实现储能单元充放电控制。

储能单元控制模块提供的二次开发接口，包括储能单元启停控制量、直流侧电压控制量和无功电流控制量。

如图4所示，通过ADS通讯将风电电机拖动单元硬件设备映射至LabVIEW软件实验平台，并封装成风电电机拖动控制模块。提供运行数据(电机转速、电机转矩、电机功率等)和控制量(启停、转速)。运行数据存储于数据库模块，且数据库模块向算法库模块提供电机拖动单元的数据信息。算法库模块中的数据管理算法对数据信息进行处理，得到电机拖动单元在线时长和运行时长等，并存入数据库模块。算法库模块中的运行控制算法包括恒转速控制和模拟不同风速情况下的变转速控制，根据运行方式、运行数据和控制目标值计算得到电机转速参考值，下达给风机模拟控制模块。风机模拟控制模块再通过ADS通讯传至风电拖动变流器，实现电机转速控制。

风电电机拖动单元控制模块提供的二次开发接口，包括风电电机拖动单元启停控制量和电机转速控制量。

如图5所示，通过ADS通讯将风电发电单元硬件设备映射至LabVIEW软件实验平台，并封装成风电整流控制模块和风电并网控制模块。提供运行数据(直流侧电压、有功电流、发电机转速、发电机转矩等)和控制量(启停、发电机转矩)。运行数据存储于数据库模块，且数据库模块向算法库模块提供风电发电单元的数据信息。算法库模块中的数据管理算法对数据信息进行处理，得到风电发电单元在线时长、运行时长和风电输出能量等，并存入数据库模块。算法库模块中的运行控制算法包括恒转矩控制和MPPT控制，根据运行方式、运行数据和控制目标值计算得到发电机转矩参考值，下达给风电整流控制模块。风电整流控制模块再通过通讯传至风电整流变流器，实现转矩控制。

风电发电单元控制模块提供的二次开发接口，包括风电发电单元启停控制量和发电机转矩控制量。

如图6所示，根据微电网的不同优化目标，对光伏单元、储能单元和风电单元进行调度。提供的微电网控制模块包括消峰填谷控制模块和平滑微电网功率输出控制模块。

对于消峰填谷控制，首先统计公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)的日平均功率曲线，获得负荷的高峰和低谷区域。系统处于峰时段时，当负荷功率大于发电量，储能蓄电池以最大放电功率为限补偿功率差额；当负荷功率小于发电量，蓄电池以最大充电功率为限存储多余的功率。系统处于谷时段时，当负荷功率大于发电量，蓄电池充电，并受最大充电功率和微电网与配电网功率交互限制；当负荷功率小于发电量，蓄电池以最大充电功率充电。

对于平滑微电网功率输出控制，根据平滑要求和风光功率的超短期预测值，计算功率平滑模式下风光储系统的发电功率曲线即有功期望值曲线。计算风电和光伏电源单元的输出总功率与有功期望值之差，根据储能蓄电池的最大充电和放电功率来修正所述功率差值。即当功率差值为正值时，储能蓄电池充电并受最大充电功率限制；当功率差值为负值时，储能蓄电池放电并受最大放电功率限制。

微电网控制模块提供的二次开发接口，包括光伏单元运行方式(恒压控制和最大功率点跟踪控制)、储能单元运行方式(恒压充放电控制，恒流充放电控制，恒功率充放电控制算法和三段式充电控制)、风电电机拖动单元运行方式(恒转速控制和变转速控制)和风电发电单元运行方式(恒转矩控制和最大功率点跟踪变转矩控制)。

由上可知，本发明的基于LabVIEW开放性微电网实验平台，解决了微电网实验用户体验欠佳、操作繁复、实验平台封闭等问题，不仅提高了工作效率，还避免了高成本的投入，具有较大的使用价值和推广价值。

Claims (7)

1.一种基于LabVIEW开放性微电网实验平台，其特征在于，包括依次相连的电源单元模块、变流器模块、电源单元控制模块和微电网控制模块，还包括界面显示模块、算法库模块和数据库模块，该三个模块均与电源单元控制模块、微电网控制模块相连；

其中，电源单元模块用于给微电网提供电能；

变流器模块用于控制电源单元即用于控制光伏、储能和风电的并网发电以及模拟风机转动；所述变流器模块包括五个变流器，该五个变流器包括一个拖动变流器、一个整流变流器和三个并网变流器；

其中，拖动变流器的输入侧接配电网，输出侧接电机拖动单元；

整流变流器的输入侧接发电机单元，输出侧接第一并网变流器的输入侧，第一并网变流器的输出侧接配电网；

第二并网变流器的输入侧接光伏电源单元，第二并网变流器的输出侧接配电网；

第三并网变流器的输入侧接储能电源单元，第三并网变流器的输出侧接配电网；

电源单元控制模块用于控制变流器，实现电源单元的运行控制；

微电网控制模块用于调度电源单元控制模块，实现分布式电源的协调优化运行，并提供二次开发接口；

算法库模块用于提供电源单元的控制算法和数据管理算法，并开放二次开发接口；

数据库模块用于接收电源单元控制模块和算法库模块的数据信息，并对所述数据信息进行存储；

界面显示模块用于对电源单元控制模块和微电网控制模块进行基于LabVIEW的图形化显示。

2.根据权利要求1所述的基于LabVIEW开放性微电网实验平台，其特征在于，所述电源单元模块包括风电电源单元、光伏电源单元和储能电源单元，其中风电电源单元包括电机拖动单元和发电机单元。

3.根据权利要求1所述的基于LabVIEW开放性微电网实验平台，其特征在于，电源单元控制模块通过自动化设备通讯规范ADS，将电源单元硬件设备映射至LabVIEW软件实验平台并封装成图形化模块，电源单元控制模块提供控制量和运行数据信息接口，对各电源单元进行启停、控制参数写入和运行数据信息监测操作；电源单元控制模块具体包括：

用于控制光伏电源单元工作的光伏单元控制模块；

用于控制储能电源单元工作的储能单元控制模块；

用于控制拖动电机和发电机工作的风电单元控制模块。

4.根据权利要求1所述的基于LabVIEW开放性微电网实验平台，其特征在于，微电网控制模块提供消峰填谷控制模块和平滑微电网功率输出控制模块；

其中，消峰填谷控制模块，根据电网所处的峰/谷运行时段以及用电供需平衡状况，通过调度储能电源单元支撑电网；

平滑微电网功率输出控制模块，根据电源单元的能量波动，针对每个电源单元产生的发电目标，平滑微电网的功率输出，减少对电网的冲击。

5.根据权利要求1所述的基于LabVIEW开放性微电网实验平台，其特征在于，算法库模块包含各电源单元的控制算法和数据管理算法；

其中，控制算法利用数据库模块的电源单元运行数据信息，自动实现控制电源单元的运行，通过电源单元控制模块实现控制量下达至变流器硬件设备完成控制功能；

数据管理算法提供各电源单元数据处理的算法，描述电源单元运行状态。

6.根据权利要求1所述的基于LabVIEW开放性微电网实验平台，其特征在于，界面显示模块包括界面管理模块、看门狗管理模块和报警管理模块。

7.根据权利要求1所述的基于LabVIEW开放性微电网实验平台，其特征在于，并网变流器的规格参数为：交流侧额定功率10kW、交流侧额定电压380Vac、交流侧额定频率50Hz、交流侧额定输出电流15A；拖动变流器的规格参数为额定输出功率15kW、交流侧额定输入电压380Vac、交流侧额定输入频率50Hz、额定输入电流23A；整流变流器的规格参数为额定输入功率10kW、交流侧额定输入电压400Vac、交流侧额定输入频率50Hz、交流侧允许频率范围0-320Hz。