CN105845005B - 智能微电网实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种智能微电网实验系统，该系统的组成包括计算机、中央控制器、风力发电模拟装置、第一DC/DC（直流斩波器）、第一单相并网逆变器、光伏发电模拟装置、第二DC/DC、第二单相并网逆变器、储能电池、储能变流器、负荷、第一通信控制节点、第二通信控制节点和第三通信控制节点。本发明的微电网实验系统使用EtherCAT通讯方式与计算机通讯，与现有的微电网通信技术相比，EtherCAT总线在拓扑灵活性、线性结构、构建成本和循环时间等方面均有很大的优势，可以大大提高微电网系统运行的实时性和可靠性。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及微电网技术领域，特别涉及一种智能微电网实验系统。
背景技术
随着国家不断加大节能减排和环境治理的力度，分布式发电等新能源产业得到快速发展。智能微电网是分布式发电的发展趋势，微电网是由分布式发电单元，储能单元，逆变单元和负荷等组成的微型电网，分布式发电系统以微电网的形式运行可以有效解决分布式发电单元具有间歇性和不稳定性的缺点。微电网根据需要可以工作在并网模式与孤岛模式。当外部电网故障或电能质量达不到要求时，微电网通过隔离装置从外部电网切除，运行在孤岛模式下继续向重要负荷供电，提高了用电的安全性和可靠性。
但是标准的智能微电网无法直接作为教学实验系统使用，主要是受到场地和安全的限制。而且标准微电网由于采用真实的光伏发电、风力发电等新能源发电方式，无法在室内安装使用。因此研制用于教学的智能微电网实验系统，对于推广新能源发电具有极其重要的作用。而当前的微电网实验系统功能简单，通讯实时性较差，光伏发电部分是采用灯光照射光伏板的方式，存在体积大，效率低等不足。
发明内容
本发明的目的在于针对上述背景技术中存在的不足，提供一种智能微电网实验系统。本系统采用模拟光伏电池输出特性的光伏发电模拟装置代替光伏板，其主功率电路包括直流斩波电路与线性稳压电路两部分，可以保证输出纯净的直流电；采用的通信拓扑结构是对传统的RS485通信拓扑结构的改进，在拓扑灵活性、线性结构和循环时间等方面均有很大的优势，可以大大提高微电网系统运行的实时性和可靠性。
本发明的技术方案为：
一种智能微电网实验系统，该系统的组成包括计算机、中央控制器、风力发电模拟装置、第一DC/DC(直流斩波器)、第一单相并网逆变器、光伏发电模拟装置、第二DC/DC、第二单相并网逆变器、储能电池、储能变流器、负荷、第一通信控制节点、第二通信控制节点和第三通信控制节点；
其连接关系为：计算机通过EtherCAT总线与中央控制器相连；中央控制器通过RS485总线与第一通信控制节点、第二通信控制节点和第三通信控制节点相连；风力发电模拟装置的输出端与第一DC/DC的输入端相连；第一DC/DC的输出端与第一单相并网逆变器的输入端相连；第一单相并网逆变器的输出端通过继电器与交流母线相连；光伏发电模拟装置的输出端与第二DC/DC的输入端相连；第二DC/DC的输出端与第二单相并网逆变器的输入端相连；第二单相并网逆变器的输出端通过继电器与交流母线相连；储能电池的输出端与储能变流器的输入端相连；储能变流器的输出端通过继电器与交流母线相连；负荷通过继电器与交流母线相连；第一通信控制节点通过RS485总线分别与储能电池、储能变流器、负荷相连；第二通信控制节点通过RS485总线分别与光伏发电模拟装置、第二DC/DC、第二单相并网逆变器相连；第三通信控制节点通过RS485总线分别与风力发电模拟装置、第一DC/DC、第一单相并网逆变器相连。
所述的计算机为普通计算机；
所述的中央控制器包括中央控制模块、RS485通信模块和EtherCAT通信模块，其中，RS485通信模块与中央控制模块相连，中央控制模块与EtherCAT通信模块相连；EtherCAT通信模块与计算机相连；RS485通信模块分别和第一通信控制节点、第二通信控制节点和第三通信控制节点相连；其中，中央控制模块为处理器芯片；RS485通信模块为接口芯片；EtherCAT通信模块为开发板；
所述的风力发电模拟装置为36V输出的开关电源；
所述的第一DC/DC、第二DC/DC的电路结构相同，均为直流斩波器；
所述的第一单相并网逆变器、第二单相并网逆变器结构相同；
所述的光伏发电模拟装置包括整流滤波电路、直流斩波电路、线性稳压电路、数模转换器、全数字控制器和人机界面；其连接关系为：整流滤波电路的输入端连接市电220V电压，输出端连接直流斩波电路的输入端；直流斩波电路的输出端连接线性稳压电路的输入端；数模转换器的输入端与全数字控制器连接，数模转换器的输出端与线性稳压电路连接；全数字控制器与线性稳压电路的输出端连接；全数字控制器输出PWM波控制直流斩波电路；人机界面与全数字控制器的通信端口连接；
所述储能电池采用普通的36V锂电池组成；
所述储能变流器为双向变流器；
所述的光伏发电模拟装置中线性稳压电路，其组成包括9个电阻即R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38和R39，两个NPN三极管即Q4和Q6，一个PNP三极管Q5，一个稳压管D8，两个集成稳压器即U6和U7，一个运算放大器U8A；其连接关系为：NPN三极管Q4的基极与PNP三极管Q5的集电极和电阻R31的一端相连，NPN三极管Q4的发射极与电阻R31的另一端、稳压管D8、集成稳压器U6的引脚3和电阻R34的一端相连，NPN三极管Q4的集电极与PNP三极管Q5的发射极和电阻R32的一端相连，PNP三极管Q5的基极与电阻R32的另一端、电阻R33的一端、稳压管D8的另一端和集成稳压器U6的引脚2连接，集成稳压器U6的引脚1与电阻R34的另一端和电阻R33的另一端相连，运算放大器U8A的引脚2与电阻R36的一端相连，运算放大器U8A的引脚3与电阻R35的另一端和电阻R37的一端相连，运算放大器U8A的引脚8接15V电源，运算放大器U8A的引脚1与NPN三极管Q6的基极相连，运算放大器U8A的引脚4与NPN三极管Q6的发射极、电阻R37的另一端，电阻R38的一端和集成稳压器U7的引脚3相连，集成稳压器U7的引脚2接5V电源，集成稳压器U7的引脚1与电阻R38的另一端、电阻R39的一端和地相连；
所述的第一通信控制节点、第二通信控制节点和第三通信控制节点结构相同，均为电路板；每个通信控制节点组成包括：主控单元、信号光电隔离模块和通信接口模块；
所述主控单元为带有两路异步串行接口的单片机；
所述的信号光电隔离模块包括：各自独立的第一数据输入光耦合器、第一数据输出光耦合器、第二数据输入光耦合器和第二数据输出光耦合器；
所述的通信接口模块包括：第一RS485接口芯片、第一RS485总线接口、第二RS485总线接口和第二RS485接口芯片；
其连接关系为：第一数据输入光耦合器与主控单元的RX1引脚连接，第一数据输出光耦合器与主控单元的TX1引脚连接，第二数据输入光耦合器与主控单元的RX2引脚连接，第二数据输出光耦合器与主控单元的TX2引脚连接；第一RS485接口芯片的R引脚与第一数据输入光耦合器连接，第一RS485接口芯片的D引脚与第一数据输出光耦合器连接，第一RS485接口芯片的RE/DE引脚与主控单元的RA1引脚连接，第一RS485接口芯片的A、B引脚与第一RS485总线接口连接，第二RS485接口芯片的R引脚与第二数据输入光耦合器连接，第二RS485接口芯片的D引脚与第二数据输出光耦合器连接，第二RS485接口芯片的RE/DE引脚与主控单元的RA2引脚连接，第二RS485接口芯片的A、B引脚与第二RS485总线接口连接。
本发明的实质性特点为：
本发明主要通过光伏发电模拟装置和通信拓扑结构(即主站和从站的连接方式，传统的是主站下面直接连接从站，图5在主站和从站之间加了通信控制节点，主站和通信控制节点通信，通信控制节点和从站通信，通信协议用的是通用的Modbus协议)来实现。现有的微电网实验系统是采用传统的RS485通信拓扑结构，是在一个主站下面直接连接多个从站，例如1个主站直接连接9个从站，轮询周期长，通信实时性较差，而改进的通信拓扑结构如图5所示，本实施例有1个主站、9个从站和3个通信控制节点，9个从站分成3组，分别挂接在3个通信控制节点的接口1上，主站则是和3个通信控制节点的接口2相连。通信控制节点的作用：通过接口1轮询其下挂接的从站，将接收到的数据进行存储；同时接口2接受来自主站的轮询命令，将存储的从站信息发送给主站。这样可以分担主站的轮询任务，提高通信系统的实时性。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明结构设计合理，柜体正面的操作演示面板包含本智能微电网实验系统的内部结构示意图，各个关键设备都配备指示灯指示其工作状态，可以更加直观的向使用者展示微电网的结构与工作原理。而且由于电路均放置于柜体中，使用者仅需要在操作演示面板上进行操作就可以做一系列的微电网的测试操作，保证了人员的安全。
(2)本发明的微电网实验系统使用EtherCAT通讯方式与计算机通讯，与现有的微电网通信技术相比，EtherCAT总线在拓扑灵活性、线性结构、构建成本和循环时间等方面均有很大的优势，可以大大提高微电网系统运行的实时性和可靠性。
(3)本发明的微电网实验系统使用的光伏发电装置是一种新型的光伏电池实验模拟装置，可以模拟光伏电池在任意工况下的输出特性。其功率电路为具有一定输出功率的受电流控制的恒压源，可以按照预定义的光伏特性曲线工作。可以通过人机界面实时更换光伏发电模拟装置的输出UI特性曲线。所述光伏发电模拟装置可以配合具有MPPT功能的变流器，工作在最大功率点。而且其输出电压稳定，输出没有纹波和毛刺，体积小，便于安装在柜体内，克服了光伏电池板安装不便，受光照条件限制，无法直接在室内使用等缺点。
(4)本发明采用一种改进型RS485通信拓扑结构，相比传统的通信拓扑结构，采用该改进型通信拓扑结构，系统的轮询周期可以缩减一半以上，RS485总线的实时性得到大幅提高。
(5)本发明的预同步控制方法能够准确快速实现逆变输出电压和配电网电压的幅值和相位的同步。本发明采用的双闭环反馈控制策略能够同时实现负载电压和负载电流的平滑切换，克服了传统方法只能保证负载电压平滑切换的缺点，使得负载电流质量在切换过程中得到改善。
(6)本发明的智能微电网实验系统设计合理，功能完善，可以对微电网的运行、控制和保护技术进行研究与验证。
附图说明
图1本发明智能微电网实验系统的结构示意图；
图2本发明智能微电网实验系统的光伏发电模拟装置结构示意图；
图3本发明智能微电网实验系统的线性稳压电路的原理图；
图4本发明智能微电网实验系统的通信控制节点的结构框图；
图5本发明智能微电网实验系统的通信拓扑结构图：
图1中，1-计算机；2-中央控制器；3-风力发电模拟装置；4-第一DC/DC；5-第一单相并网逆变器；6-光伏发电模拟装置；7-第二DC/DC；8-第二单相并网逆变器；9-储能电池；10-储能变流器；11-负荷；12-第一通信控制节点；13-第二通信控制节点；14-第三通信控制节点。
具体实施方式
下面结合实施例中的附图进一步详细叙述本发明，但并不以此作为对本发明权利要求保护范围的限制。
图1所示实施例表明，本发明智能微电网实验系统，该系统的组成包括计算机1、中央控制器2、风力发电模拟装置3、第一DC/DC(直流斩波器)4、第一单相并网逆变器5、光伏发电模拟装置6、第二DC/DC7、第二单相并网逆变器8、储能电池9、储能变流器10、负荷11、第一通信控制节点12、第二通信控制节点13和第三通信控制节点14；
其连接关系为：计算机1通过EtherCAT总线与中央控制器2相连；中央控制器2通过RS485总线与第一通信控制节点12、第二通信控制节点13和第三通信控制节点14相连；风力发电模拟装置3的输出端与第一DC/DC4的输入端相连；第一DC/DC4的输出端与第一单相并网逆变器5的输入端相连；第一单相并网逆变器5的输出端通过继电器与交流母线相连；光伏发电模拟装置6的输出端与第二DC/DC7的输入端相连；第二DC/DC7的输出端与第二单相并网逆变器8的输入端相连；第二单相并网逆变器8的输出端通过继电器与交流母线相连；储能电池9的输出端与储能变流器10的输入端相连；储能变流器10的输出端通过继电器与交流母线相连；负荷11通过继电器与交流母线相连；第一通信控制节点12通过RS485总线分别与储能电池9、储能变流器10和负荷11相连；第二通信控制节点13通过RS485总线分别与光伏发电模拟装置6、第二DC/DC7和第二单相并网逆变器8相连；第三通信控制节点14通过RS485总线分别与风力发电模拟装置3、第一DC/DC4和第一单相并网逆变器5相连。
所述的计算机1为普通计算机，在其上运行TwinCAT组态软件，在该组态软件中编制控制程序为公知技术。所述计算机1通过EtherCAT总线与中央控制器2进行通信。
所述的中央控制器2为监控系统的核心，主要包括中央控制模块、RS485通信模块和EtherCAT通信模块，其中，RS485通信模块与中央控制模块相连，中央控制模块与EtherCAT通信模块相连；EtherCAT通信模块与计算机相连；RS485通信模块分别和第一通信控制节点12、第二通信控制节点13和第三通信控制节点14相连；其中，中央控制模块为处理器芯片，具体是美国微芯公司的PIC18F45K80；RS485通信模块为接口芯片，具体是美国美信公司生产的MAX485芯片；EtherCAT通信模块为开发板，具体采用德国倍福公司的ET1100芯片。通过RS485通信模块采集分布式电源装置功率、储能电池功率、负荷功率和储能电池SOC值等信息，通过对这些信息进行分析处理，进而对第一单相并网逆变器5、第二单相并网逆变器8、储能变流器10和负荷11传送控制信号。通过EtherCAT通信模块与计算机1进行通信。
所述的风力发电模拟装置3采用的是普通的36V输出的开关电源。
所述的第一DC/DC4、第二DC/DC7的电路结构相同，均为直流斩波器，是公知技术。这里仅进行简单介绍：所述的直流斩波器采用的处理器芯片都是美国微芯公司的PIC18F45K80。功率部分采用的电路结构是推挽电路。推挽电路采用的功率开关器件是MOS管IRFB4410。经过推挽电路就可以使输入的36V直流电转换为400V直流电输出。其中，第二DC/DC7可以通过编制最大功率点跟踪程序具有MPPT功能，可以使光伏发电模拟装置6工作在最大功率点。
所述的第一单相并网逆变器5、第二单相并网逆变器8电路结构相同，均为公知技术，这里仅进行简单介绍。采用两层设计结构，上层为控制板，下层为功率板。控制板采用的处理器芯片是TMS320F2808。功率板上的功率开关器件采用的是三菱公司的IPM(智能功率模块)。第一单相并网逆变器5和第二单相并网逆变器8均采用PQ控制策略。控制板的TMS320F2808通过功率板上的电流、电压采集电路采集电流、电压等信息，经过分析处理生成PWM波，PWM波经过IPM的驱动电路后驱动IPM工作将输入的400V直流电逆变生成220V交流电。
所述的光伏发电模拟装置6是一种新型的光伏电池实验模拟装置，图2所示实施例表明，包括整流滤波电路61、直流斩波电路62、线性稳压电路63、数模转换器64、全数字控制器65和人机界面66(61、62、64、65均是公知器件)；其连接关系为：整流滤波电路61的输入端连接市电220V电压，输出端连接直流斩波电路62的输入端；直流斩波电路62的输出端连接线性稳压电路63的输入端；数模转换器64的输入端与全数字控制器65连接，数模转换器64的输出端与线性稳压电路63连接；全数字控制器65与线性稳压电路63的输出端连接；全数字控制器65输出PWM波控制直流斩波电路62；人机界面66与全数字控制器65的通信端口连接。
所述整流滤波电路61将输入的交流电转换为直流电；所述直流斩波电路62将直流输入进行斩波变换为特定的直流电压输出；所述的线性稳压电路63将直流斩波电路62输出的直流电调整为特定电压的纯净直流电输出；所述全数字控制器65采用的处理器芯片是TMS320F2808，其从线性稳压电路63输出端采集电压和电流值，然后根据采集到的输出电流值在预先存好的离散U-I特性曲线数据中找出与输出电流值相对应的参考电压值，然后将参考电压值发送给数模转换器64进行数模转换，转换后的模拟电压信号作为基准电压控制线性稳压电路63的输出电压，从而达到输出电压由负载电流控制的目的。所述人机界面66采用迪文科技公司的DGUS串口屏，可以通过DGUS串口屏输入光照、温度和光伏板参数，然后在全数字控制器65中依据这些参数选择太阳能电池的U-I特性曲线。
所述储能电池9采用普通的36V锂电池组成，本实施例中采用的是旺洁锂电公司生产的36V锂电池。
所述储能变流器10为双向变流器，既可以工作在逆变状态，又可以工作在整流状态。因其为公知技术，这里仅进行简单介绍。主要包括控制模块与功率模块两部分，采用分层设计结构，功率模块在下层，控制模块在上层。其中控制模块采用的全数字控制芯片是TMS320F2808，还包括电压电流检测电路和驱动与保护电路。功率模块主要由交流-直流PWM可控整流部分、直流滤波部分和双向DC/DC部分级联组成。其中交流-直流PWM可控整流部分的全控整流桥的桥臂由功率开关器件IPM组成；直流滤波部分为直流电容并联而成；双向DC/DC部分采用的功率开关器件是IRFB4410。储能变流器10在孤岛模式下采用V/f控制策略，在并网模式下采用PQ控制策略，并且可以实现PQ控制模式与V/f控制模式的平滑切换。
当前的技术中光伏发电模拟装置的主功率电路采用的是开关电源电路，其输出必然存在纹波和毛刺，在对光伏发电系统进行最大功率点跟踪实验时，纹波和毛刺就有可能导致最大功率点跟踪失败，独特之处在于本发明加入了线性稳压电路，可以保证输出纯净的直流电，线性稳压电路的原理图见图3。
图3所示实施例表明，本发明智能微电网实验系统的光伏发电模拟装置6的线性稳压电路包括：9个电阻即R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38和R39，两个NPN三极管即Q4和Q6，一个PNP三极管Q5，一个稳压管D8，两个集成稳压器即U6和U7，一个运算放大器U8A。其连接关系为：NPN三极管Q4的基极与PNP三极管Q5的集电极和电阻R31的一端相连，NPN三极管Q4的发射极与电阻R31的另一端、稳压管D8、集成稳压器U6的引脚3和电阻R34的一端相连，NPN三极管Q4的集电极与PNP三极管Q5的发射极和电阻R32的一端相连，PNP三极管Q5的基极与电阻R32的另一端、电阻R33的一端、稳压管D8的另一端和集成稳压器U6的引脚2连接，集成稳压器U6的引脚1与电阻R34的另一端和电阻R33的另一端相连，运算放大器U8A的引脚2与电阻R36的一端相连，运算放大器U8A的引脚3与电阻R35的另一端和电阻R37的一端相连，运算放大器U8A的引脚8接15V电源，运算放大器U8A的引脚1与NPN三极管Q6的基极相连，运算放大器U8A的引脚4与NPN三极管Q6的发射极、电阻R37的另一端，电阻R38的一端和集成稳压器U7的引脚3相连，集成稳压器U7的引脚2接5V电源，集成稳压器U7的引脚1与电阻R38的另一端、电阻R39的一端和地相连。
其工作原理是：PNP三极管Q5与NPN三极管Q4组成达林顿结构的扩流电路，当输入电流很大时，扩流电路可以分担绝大部分的电流从而保护集成稳压器U6。稳压管D8可以防止在电源启动瞬间集成稳压器U6承受过电压导致损坏。基准电压信号U_ref经过运算放大器U8A和NPN三极管Q6组成的放大电路后改变NPN三极管Q6的集电极电位，从而控制整个线性稳压电路的输出电压。由于集成稳压器U6的引脚3的电平始终比引脚1的电平高1.25V，而集成稳压器U7输出-1.25V电压到NPN三极管Q6的发射极，因此当基准电压信号U_ref为0时，集成稳压器U6的引脚1的电平为-1.25V，则集成稳压器U6的引脚3的电平为0V,使光伏发电模拟装置6的输出可以从零起调。
图1中的负荷11为公知技术，是一个可控负载模块，包括一组电阻、电抗和电容。其中电阻为6个并联的电阻，各电阻与一个相应的可控开关串联；电抗为3个并联的电抗，各电抗与一对反向并联的晶闸管串联；电容为3个并联的电容，各电容与一对反向并联的晶闸管串联。
所述的第一通信控制节点12、第二通信控制节点13和第三通信控制节点14结构相同，均为电路板。其组成及连接关系见图4。
图4所示实施例表明，本发明智能微电网实验系统的通信控制节点12，13，14的组成均包括：主控单元71、信号光电隔离模块72和通信接口模块73。所述主控单元71选用带有两路异步串行接口的单片机，本实施例选用的是PIC18F45K80。主控单元71的异步串行接口引脚RX1和RX2用于接收数据，引脚TX1和TX2用于发送数据，I/O接口引脚RA1和RA2用于控制RS485接口芯片的数据传输方向。
信号光电隔离模块72包括：各自独立的第一数据输入光耦合器721、第一数据输出光耦合器722、第二数据输入光耦合器723和第二数据输出光耦合器724。第一数据输入光耦合器721、第一数据输出光耦合器722、第二数据输入光耦合器723和第二数据输出光耦合器724均为6N137芯片。
通信接口模块73包括：第一RS485接口芯片731、第一RS485总线接口732、第二RS485总线接口733和第二RS485接口芯片734。其中第一RS485接口芯片731和第二RS485接口芯片734均为美国美信公司的MAX485芯片。
其连接关系为：第一数据输入光耦合器721与主控单元71的RX1引脚连接，第一数据输出光耦合器722与主控单元71的TX1引脚连接，第二数据输入光耦合器723与主控单元71的RX2引脚连接，第二数据输出光耦合器724与主控单元71的TX2引脚连接。第一RS485接口芯片731的R引脚与第一数据输入光耦合器721连接，第一RS485接口芯片731的D引脚与第一数据输出光耦合器722连接，第一RS485接口芯片731的RE/DE引脚与主控单元71的RA1引脚连接，第一RS485接口芯片731的A、B引脚与第一RS485总线接口732连接，第二RS485接口芯片734的R引脚与第二数据输入光耦合器723连接，第二RS485接口芯片734的D引脚与第二数据输出光耦合器724连接，第二RS485接口芯片734的RE/DE引脚与主控单元71的RA2引脚连接，第二RS485接口芯片734的A、B引脚与第二RS485总线接口733连接。
本发明智能微电网实验系统的通信拓扑结构图如图5所示，本发明智能微电网实验系统的通信系统采用一种改进的通信方式进行通信，其RS485通信部分采用一种改进型通信拓扑结构，将从站进行分组，在主站和每组从站之间各加入一个通信控制节点。本实施例中中央控制器2作为主站，风力发电模拟装置3、第一DC/DC(直流斩波器)4、第一单相并网逆变器5、光伏发电模拟装置6、第二DC/DC7、第二单相并网逆变器8、储能电池9、储能变流器10和负荷11均作为从站。本实施例的RS485通信系统引入了3个通信控制节点，每个通信控制节点有两个总线接口，总线接口1和总线接口2。每个通信控制节点的总线接口2和主站通过手拉手的方式连接在一个RS485总线上。本发明RS485通信系统共包含9个从站设备，将这9个从站设备分成3组，分别挂接在上述3个通信控制节点的总线接口1上。每组的3个从站设备和对应的通信控制节点的总线接口1通过手拉手的方式连接在一个RS485总线上。通信控制节点的主站侧作为从站接受主站的轮询，通信控制节点的从站侧作为主站轮询其下挂接的从站设备。主站轮询各个通信控制节点的过程与通信控制节点轮询各个从站设备的过程是同时进行的，这样通信控制节点可以分担主站的轮询任务。相比传统的通信拓扑结构，采用该改进型通信拓扑结构，RS485总线的实时性得到大幅提高。由于物理条件限制，每条RS485总线上一般最多只能挂接32个从站设备，而且依据RS485的轮询规约，如果挂接设备过多，数据上传速度就会很慢，很多现场为了保证监控系统的响应速度，每条RS485总线上挂接从站设备的数量一般限制在10个左右，而采用本发明的方案，在目前3个通信控制节点基础上，通过通信控制节点的增加，理论上可挂接100个以上的从站设备。该改进型通信拓扑结构由于通信控制节点的使用，使得原本连接在同一总线上的从站分别连接在各个独立的总线上，提高了系统的独立性，当某一总线通信故障时不会对其他的总线产生影响。而且加快了系统从故障中恢复的速度，提高了通信系统的安全性和可靠性。
本发明智能微电网实验系统的运行方法，包括以下步骤：
第一步、运行在孤岛模式下：
(1)首先手动断开微电网实验开关，使系统与配电网断开连接。
(2)通过操作演示面板打开储能变流器10，然后闭合负荷开关，此时储能变流器10输出220V交流电为负荷供电，同时也为系统提供电压参考值。
(3)通过操作演示面板依次打开风力发电模拟装置3、第一DC/DC4、第一单相并网逆变器5，此时第一单相并网逆变器5与储能变流器10并联运行，模拟风力发电与储能电池共同供电的情形。
(4)通过操作演示面板依次打开光伏发电模拟装置6、第二DC/DC7、第二单相并网逆变器8，此时第一单相并网逆变器5与第二单相并网逆变器8和储能变流器10并联运行，模拟风力发电、光伏发电和储能电池共同为负荷供电的情形。系统运行在孤岛模式下。
第二步、运行在并网模式下：
在上述第一步的基础上，手动闭合微电网实验开关，则储能变流器10基于预同步控制方法自动跟踪配电网电压，然后吸合并离网开关，完成并网操作，系统运行在并网模式下。此时，如果手动断开微电网实验开关，则储能变流器10会检测到配电网切除，将断开并离网开关，使系统切换到孤岛模式运行。
其中，所述储能变流器10的运行机理主要包括以下步骤：
第一步、由孤岛模式切换到并网模式的预同步控制：
从孤岛模式切换到并网模式之前，要确保逆变输出电压和配电网电压同幅同相。
(1)逆变输出电压和配电网电压的幅值预同步控制：
在一个电压周期中，通过电压采集电路对逆变输出电压等时间间隔采集400次，然后将从第1次到第200次采集到的电压幅值求和进而计算其平均值Uaver1。对配电网电压也通过上述方法计算其电压平均值Uaver2。然后对Uaver1和Uaver2的大小进行比较，若Uaver1的值在Uaver2容许的误差范围内，即可判断逆变输出电压幅值和配电网电压幅值相等，即逆变输出电压和配电网电压幅值同步；否则，即可判断逆变输出电压和配电网电压幅值没有达到同步。若Uaver1小于Uaver2，则使电压前馈程序中的电压前馈系数在每个采样周期递增1；若Uaver1大于Uaver2，则使电压前馈系数在每个采样周期递减1。通过这种方法可以有效调节逆变输出电压幅值的大小直至与配电网电压幅值相等，即完成了逆变输出电压和配电网电压的幅值预同步。
(2)逆变输出电压和配电网电压的相位预同步控制：
电压采集电路将采集到的配电网电压经过过零比较电路后形成方波信号，方波信号的上升沿会触发控制器的捕获中断，在捕获中断服务子程序中完成相位的预同步控制。在相位同步程序中计算逆变输出电压与配电网电压的相位差，即电压调制波与采集的配电网电压之间的步数差。若步数差大于1，则进一步判断：如果调制波的步数大于采集的配电网电压的步数，则将调制波的步数减2；如果调制波的步数小于采集的配电网电压的步数，则将调制波的步数加2。若步数差不大于1，则此时即可判定逆变输出电压的相位和配电网电压的相位同步。在以后的每个采样周期中配电网电压的上升沿都会触发一次捕获中断，重复执行上述程序，直至步数差为0或1，此时逆变输出电压和配电网电压的相位预同步控制完成。
第二步、由并网模式切换到孤岛模式的混合孤岛检测法：
由并网模式切换到孤岛模式之前，先采用快速检测法进行孤岛检测，即在一个电网电压周期内，电压的采集步数为400步，每一步都将检测到的配电网电压的幅值与设定的相应时刻参考电压幅值做差，若检测到连续4个差值都大于10V或者小于-10V时，即可判断配电网掉电，则立即使储能变流器10从并网模式切换到孤岛模式；如果使用快速检测法没有判断出配电网掉电，则再应用过/欠电压检测法和过/欠频率检测法作为孤岛检测方法，判断配电网是否发生故障或电能质量达不到要求，从而确定是否使储能变流器10从并网模式切换到孤岛模式。
第三步、基于双闭环反馈控制实现并网/孤岛的平滑切换：
储能变流器10采用双闭环控制结构，在并网模式下采用PQ控制，在孤岛模式下采用V/f控制。PQ控制和V/f控制的内环结构相同，均采用电流环控制。
由孤岛模式切换到并网模式，切换前需要经过电压幅值相位的预同步控制，确保逆变输出电压和配电网电压同幅同相，然后储能变流器10由V/f控制策略快速转换为PQ控制策略，然后进行并网操作。
由并网模式切换到孤岛模式时，检测前一时刻配电网电压相位，然后储能变流器10由PQ控制策略快速转换为V/f控制策略，初始相位为检测前一刻电网电压相角加上切换过程中电网电压相角的变化，最后孤岛运行。
本发明的微电网实验系统采用主从控制结构，其中储能变流器10作为主控制单元，第一单相并网逆变器5和第二单相并网逆变器8作为从控制单元。在微电网处于孤岛运行状态时，作为主控制单元的储能变流器10采用V/f控制策略，作为从控制单元的第一单相并网逆变器5和第二单相并网逆变器8采用PQ控制策略；当微电网处于并网运行状态时，储能变流器10、第一单相并网逆变器5和第二单相并网逆变器8均采用PQ控制策略，而一旦转入孤岛运行模式，则需要作为主控制单元的储能变流器10快速地由PQ控制转换为V/f控制。
本发明结构设计合理，所有模块均安装在柜子里，柜体正面配备一个操作演示面板，操作演示面板包含本智能微电网实验系统的内部结构示意图，可以更加直观的向使用者展示微电网的结构与工作原理。而且柜子下面安装有移动轮，移动方便，有利于操作与维护等。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (3)
1.一种智能微电网实验系统，其特征为该系统的组成包括计算机、中央控制器、风力发电模拟装置、第一DC/DC(直流斩波器)、第一单相并网逆变器、光伏发电模拟装置、第二DC/DC、第二单相并网逆变器、储能电池、储能变流器、负荷、第一通信控制节点、第二通信控制节点和第三通信控制节点；
其连接关系为：计算机通过EtherCAT总线与中央控制器相连；中央控制器通过RS485总线与第一通信控制节点、第二通信控制节点和第三通信控制节点相连；风力发电模拟装置的输出端与第一DC/DC的输入端相连；第一DC/DC的输出端与第一单相并网逆变器的输入端相连；第一单相并网逆变器的输出端通过继电器与交流母线相连；光伏发电模拟装置的输出端与第二DC/DC的输入端相连；第二DC/DC的输出端与第二单相并网逆变器的输入端相连；第二单相并网逆变器的输出端通过继电器与交流母线相连；储能电池的输出端与储能变流器的输入端相连；储能变流器的输出端通过继电器与交流母线相连；负荷通过继电器与交流母线相连；第一通信控制节点通过RS485总线分别与储能电池、储能变流器、负荷相连；第二通信控制节点通过RS485总线分别与光伏发电模拟装置、第二DC/DC、第二单相并网逆变器相连；第三通信控制节点通过RS485总线分别与风力发电模拟装置、第一DC/DC、第一单相并网逆变器相连；
所述的计算机为普通计算机；
所述的中央控制器包括中央控制模块、RS485通信模块和EtherCAT通信模块，其中，RS485通信模块与中央控制模块相连，中央控制模块与EtherCAT通信模块相连；EtherCAT通信模块与计算机相连；RS485通信模块分别和第一通信控制节点、第二通信控制节点和第三通信控制节点相连；其中，中央控制模块为处理器芯片；RS485通信模块为接口芯片；EtherCAT通信模块为开发板；
所述的风力发电模拟装置为36V输出的开关电源；
所述的第一DC/DC、第二DC/DC的电路结构相同，均为直流斩波器；
所述的第一单相并网逆变器、第二单相并网逆变器结构相同；
所述的第一通信控制节点、第二通信控制节点和第三通信控制节点结构相同，均为电路板；所述储能电池采用普通的36V锂电池组成；
所述储能变流器为双向变流器；
所述的光伏发电模拟装置包括整流滤波电路、直流斩波电路、线性稳压电路、数模转换器、全数字控制器和人机界面；其连接关系为：整流滤波电路的输入端连接市电220V电压，输出端连接直流斩波电路的输入端；直流斩波电路的输出端连接线性稳压电路的输入端；数模转换器的输入端与全数字控制器连接，数模转换器的输出端与线性稳压电路连接；全数字控制器与线性稳压电路的输出端连接；全数字控制器输出PWM波控制直流斩波电路；人机界面与全数字控制器的通信端口连接。
2.如权利要求1所述的智能微电网实验系统，其特征为所述的光伏发电模拟装置中线性稳压电路，其组成包括9个电阻即R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38和R39，两个NPN三极管即Q4和Q6，一个PNP三极管Q5，一个稳压管D8，两个集成稳压器即U6和U7，一个运算放大器U8A；其连接关系为：NPN三极管Q4的基极与PNP三极管Q5的集电极和电阻R31的一端相连，NPN三极管Q4的发射极与电阻R31的另一端、稳压管D8的一端、集成稳压器U6的引脚3和电阻R34的一端相连，NPN三极管Q4的集电极与PNP三极管Q5的发射极和电阻R32的一端相连，PNP三极管Q5的基极与电阻R32的另一端、电阻R33的一端、稳压管D8的另一端和集成稳压器U6的引脚2连接，集成稳压器U6的引脚1与电阻R35的一端、电阻R34的另一端和电阻R33的另一端相连，运算放大器U8A的引脚2与电阻R36的一端相连，运算放大器U8A的引脚3与电阻R35的另一端和电阻R37的一端相连，运算放大器U8A的引脚8接15V电源，运算放大器U8A的引脚1与NPN三极管Q6的基极相连，运算放大器U8A的引脚4与NPN三极管Q6的发射极、电阻R37的另一端、电阻R38的一端、集成稳压器U7的引脚3相连，集成稳压器U7的引脚2接5V电源，集成稳压器U7的引脚1与电阻R38的另一端、电阻R39的一端和地相连，电阻R39的另一端和输出电压U-相连。
3.如权利要求1所述的智能微电网实验系统，其特征为所述的第一通信控制节点、第二通信控制节点和第三通信控制节点组成均包括：主控单元、信号光电隔离模块和通信接口模块；
所述主控单元为带有两路异步串行接口的单片机；
所述的信号光电隔离模块包括：各自独立的第一数据输入光耦合器、第一数据输出光耦合器、第二数据输入光耦合器和第二数据输出光耦合器；
所述的通信接口模块包括：第一RS485接口芯片、第一RS485总线接口、第二RS485总线接口和第二RS485接口芯片；
其连接关系为：第一数据输入光耦合器与主控单元的RX1引脚连接，第一数据输出光耦合器与主控单元的TX1引脚连接，第二数据输入光耦合器与主控单元的RX2引脚连接，第二数据输出光耦合器与主控单元的TX2引脚连接；第一RS485接口芯片的R引脚与第一数据输入光耦合器连接，第一RS485接口芯片的D引脚与第一数据输出光耦合器连接，第一RS485接口芯片的RE/DE引脚与主控单元的RA1引脚连接，第一RS485接口芯片的A、B引脚与第一RS485总线接口连接，第二RS485接口芯片的R引脚与第二数据输入光耦合器连接，第二RS485接口芯片的D引脚与第二数据输出光耦合器连接，第二RS485接口芯片的RE/DE引脚与主控单元的RA2引脚连接，第二RS485接口芯片的A、B引脚与第二RS485总线接口连接。
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Also Published As
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