杜 波，刘文洲

(长春工程学院电气与信息工程学院，长春 130012)

风光储智能微网测控终端的设计

杜 波，刘文洲

(长春工程学院电气与信息工程学院，长春 130012)

设计风光储智能微网测控终端系统，实现对电网侧、微网侧、直流侧的各种参数的采集和显示，控制微网进行离网和并网运行，风能和太阳能可以直接在微网中消耗，也可以将能源回馈公共电网，提高风能和太阳能的消纳能力，实现洁净能源的高效利用，实现经济效益的同时，对环境、资源方面的影响意义深远。

风光储；智能微网；测控；终端

0 前言

资源耗竭和环境污染日益严重，这是目前整个世界面临的问题，可再生能源的开发和利用势在必行，风能和太阳能是可再生、无污染的绿色洁净能源，利用风能和太阳能进行发电，并与储能单元、负载等一起构成智能微网，通过控制单元接入主电网，形成风光储智能微网系统。风光储联合发电系统是在1981年由丹麦的N.E.B usch和Kllenbach提出的，最初的风光储联合发电系统是将风力发电机组和光伏发电机组进行简单的组合，后来美国北方风力公司的Allan Russell等人就风光互补发电的系统控制与系统规模做了更进一步的研究，风光储联合发电系统的理论基础基本成型。

针对风光储智能微网系统，进行测控终端设计，对电网侧、微网侧、直流侧的电压、电流、功率等参数进行采集，设计上位机控制软件，对系统进行并网和离网控制，提高风能、太阳能的利用和消纳，提供洁净能源。并通过Xtender分析软件对历史数据进行提取和分析，便于系统的维护和升级。

1 风光储智能微网系统

风光储智能微网系统包括光伏发电单元、风力发电单元、储能单元、主逆变单元和负载，如图1所示，通过太阳能电池板采集太阳能，通过风机采集风能，经过并网逆变器并入微网交流母线。

图1 风光储智能微网系统结构图

风光储智能微网系统可以离网孤岛运行：在光照和风况较好的情况下，当光伏、风力发电单元功率基本满足负载需求时，智能微网可进入孤岛运行，功率差额由蓄电池组通过储能和释放进行补偿。在光照和风况都不佳的情况下，且蓄电池能量充足时，负载主要由蓄电池组提供能量。

风光储智能微网系统也可以接入电网并网运行：在光照和风况都不佳时，且蓄电池组电量已经低于保护值时，系统利用外部主电网能量对负载供电以及为蓄电池充电。在光照和风况能够满足负载用电，且蓄电池电量充裕时，将微网多余能量回馈外部电网。

微网通过公共连接点和主电网连接，可控制微网接入或断开主电网，当主电网发生故障或者电能质量问题时，微网迅速与主电网断开，保证了电网安全。如图1所示，左侧为主电网，右侧为微网交流母线，两侧通过大功率转移继电开关K相连，下方为蓄电池。当孤岛运行时K断开，当并网运行时K闭合，微网接入主电网。

2 智能微网硬件

智能微网硬件主要包括主逆变器、编程显示外设、电池状态监测、串行通讯外设，以及风机和太阳能电池板。

2.1 主逆变器

主逆变器安装在主控制柜内部，为微网系统提供电能质量标准，用来协调储能单元、分布式发电单元、负载之间的功率平衡，支撑起整个微网系统，主逆变器是整个微网稳定运行的关键。

系统并网逆变器采用瑞士Studer公司生产的Xtender系统双向逆变器，该系列逆变器拥有自1 500 VA到8 000 VA功率等级，分为XTS、XTM、XTH 3个系列，并且可以通过并联扩展容量。Xtender采取模块式设计，允许灵活地进行多机并联或三相构建，能提供最优化的系统设计。

XTH6000-48系列属于大功率系列，功率为6 000 VA，直流输入范围为38～68 V，额定值为48 V，交流输入范围为150～230 V，额定值为220 V，交流输出为230 V，频率50 Hz。

XTH6000-48逆变器内部原理图如图2所示，控制器采用DSP，接口方便，编程简单。电池输入(BATTERY)接蓄电池组，交流输入(AC Input)接市电，交流输出(AC Output)接微网交流母线。2个辅助触点信号(Aux1和Aux2)可实现2路开关量逻辑控制，Aux1用于根据蓄电池SOC值对负载单元的供电回路进行控制，Aux2用于根据蓄电池SOC值对风力和光伏发电系统的并入回路进行控制。CAN BUS端口用于逆变器与相关设备间的通讯；Temp Sens用于连接蓄电池状态监测仪表。Remote on/off用于连接远端控制信号。

图2 XTH6000-48内部原理图

智能微网在离网孤岛运行时，负载能量由光伏、风电系统提供，功率差额由蓄电池组通过储能和释放进行补偿。在并网运行时，根据蓄电池储能的多少，蓄电池可从电网吸收能量进行储能，也可以向电网释放能量进行馈能。蓄电池以直流形式存储电能，同样也以直流形式释放电能，因此，需要变流器进行直流和交流之间的转换，采用三相桥式电压型逆变电路来实现，如图3所示。

图3 三相桥式电压型逆变电路电池充放电电路图

图3中逆变桥各臂并联的反馈二极管为交流侧向直流侧输送能量提供了通道，从而实现了能量的双向传递。三相桥式变流电路工作于整流状态时将交流电整流为直流电为蓄电池充电，变流电路工作于逆变状态时将直流电逆变为交流电，从而实现蓄电池馈能至电网。通过对变流器开关管的控制，实现整流和逆变的切换，从而实现电池的储能和馈能。

三相桥式电压型逆变电路的基本工作方式为180°导电方式：即每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120°；任一瞬间有3个桥臂同时导通；每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。开关器件V的控制信号由DSP发出。

2.2 RCC编程外设

RCC编程外设是Xtender提供的可针对其内部参数进行设定的设备，在系统运行时也具有实时参数采集、显示、存储的功能。RCC具有如下基本功能：显示测量的运行值、软件升级或执行客户定制设置、上传/下载逆变器的参数设置、逆变器的软件升级、记录错误信息的事件记录、获取XTENDER通讯母线上连接的其他部件的信息，如BSP(蓄电池状态测试仪)。

2.3 BSP-500蓄电池状态测试仪

BSP-500蓄电池状态测试仪是Xtender提供的用于检测蓄电池组SOC(state of charge，SOC)状态的外设。模块随带一个500 A或1 200 A的分流器，需串联在直流回路中。用于测量直流回路的电流、电压，并且随带温度传感器，测量电池所处环境温度。根据这些信息，对蓄电池组的相关状态进行计算，并且将测量数据及状态供给系统。

2.4 Xcom-232i串行通讯外设

Xcom-232i串行通讯外设实现将Xtender系统中相关参数及实时数据通过RS232串行通讯协议与上位机进行通讯，实现上位机对Xtender逆变器数据、BSP数据、RCC数据的采集与反馈控制。

3 智能微网软件

3.1 空间矢量脉宽调制

主逆变器中，控制器DSP对三相桥式电压型逆变电路进行控制，从而实现蓄电池的充放电控制。空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术被广泛应用于 UPS、变频器等各类三相 PWM 逆变电源中，SVPWM的主要思想是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆。SVPWM具有以下特点：

1)在每个小区间虽有多次开关切换，但每次开关切换只涉及一个器件，所以开关损耗小；

2)利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简单；

3)逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM逆变器输出电压高15%，具有母线电压利用率高的特点。

传统的SPWM方法从电源的角度出发，以生成一个可调频调压的正弦波电源，而SVPWM方法将逆变系统和异步电机看作一个整体来考虑，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制，因此，系统采用SVPWM控制方法对逆变电路进行控制。

3.2 上位机控制软件

Xtender逆变器本身具有针对电网接入、电池充放电管理、微网电压/频率控制功能，通过RCC设置Xtender系统的内部控制参数，可以实现一定目的的控制功能。同时，为了实施更复杂的控制方法，Xtender逆变器也支持用户开发的上位机控制软件，通过Xtender特定的通讯协议，对系统运行实时参数与控制参数进行访问和修改。控制软件实现了基于蓄电池组电池SOC的Xtender逆变器充电/孤网/馈电状态的切换控制，对微网能源利用模式更灵活，效率更高。智能微网上位机软件是基于Visio C++6.0平台开发，实现了PC机平台与Xtender逆变器的数据采集及控制功能。软件界面如图4所示。

根据Xtender逆变器附带通讯外设Xcom-232i所支持的协议和参数定义，采用VC所提供的串行通讯控件MSComm，实现上位机控制软件的通信。PC通过RS232交叉串口线(或者USB转RS232串口线)与Xcom-232i相联，在软件界面中下部的“控制配置”栏串口下拉菜单中选中PC机连接的串口端口。软件中自动对通讯帧相关的参数进行了配置，如果端口正确且通讯线路连接无误的话，按“启动控制”按钮后，软件界面上的系统数据将得到刷新，“通讯ID”将不断显示当前轮询采集的参数。

图4 上位机软件界面

上位机控制软件对电网侧电压、电流、功率，微网侧电压、电流、功率，直流侧电压、电流、SOC值的模拟量采集，对辅助开关、转移继电器开关状态采集；实现了对转移继电器开关允许位，馈电允许位的控制。控制软件通过电池SOC值参数来判断微网能量水平，决策是否需要通过外界电网补充能量或者向外界电网回馈能量，向Xtender相关控制参数发送指令，控制微网进入独立运行状态或并网运行状态。上位机软件界面简介直观，控制方便。

3.3 Xtender分析软件

系统中的RCC编程外设在系统运行时具有实时参数采集、显示、存储的功能，但是为了更加方便地统计和分析系统运行中的各类历史数据，可采用Xtender分析软件对历史数据进行提取和分析，有助于维护系统更加稳定地运行。

RCC编程外设提供了系统中运行数据的自动采集和存储功能，在RCC编程外设中启动数据采集功能后，RCC会每分钟自动对各种电气值进行记录(如电压、蓄电池的电流、输出功率)，存储在随机的SD卡的“CSVFILES/log”目录中，如图5左半部所示，将SD卡取出，插入带SD卡阅读器的电脑，即可通过Xtender分析软件对数据进行提取和分析，如图5右半部所示。

Xtender提供的历史数据分析软件Xtender Data Analysis Tool：Data Logger，可对逆变器系统的运行数据以多种图表的方式进行统计分析。通过STUDER提供的免费的基于MicrosoftOffice Excel07，Xtender系统分析软件可对SD卡中的数据进行提取，可通过Excel软件或Matlab软件以生成图表的方式分析系统运行历史数据(每天/周/月)，数据观察更加直观，使系统维护和数据分析更加方便简洁。

4 结语

为了解决资源枯竭和环境污染的问题，开发利用风能和太阳能，与蓄电池和负载构成风光储智能微网，对智能微网的测控终端进行设计。

智能微网硬件主要包括主逆变器、编程显示外设、电池状态监测、串行通讯外设以及风机和太阳能电池板。能够实现对电网侧、微网侧、直流侧的电压、电流、功率等参数的采集和显示，与上位机进行通讯。智能微网软件中，在逆变器中应用空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，便于微处理器的实时控制，开关损耗小、母线电压利用率高，提高电能质量，提高电网运行稳定性。通过上位机控制软件，对系统进行并网和离网控制，从而能够更加有效地利用能源。Xtender分析软件的使用，便于对历史数据进行提取和分析，进行系统的维护和升级。

风光储智能微网能够合理利用风能和光能，实现微网系统的并网和离网控制，提高风能和太阳能的消纳能力，实现洁净能源的高效利用，实现经济效益的同时，对环境、资源方面的影响意义深远。

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The Design to Measurement and Control Terminal of Wind and Solar Energy Storage Intelligent Micro Network

DU Bo，et al.

(SchoolofElectricandInformationEngineering，
ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

The design of measurement and control terminal of wind and solar energy storage intelligent micro network is to achieve the acquisition and display to a variety of parameters on the grid side，micro network side and DC side，and to control micro network to operate in off-grid and in-grid.Wind and solar energy can be consumed directly in the micro network，and can also make the energy feedback to public power grid.It is to improve the wind energy and solar energy consumption ability to achieve efficient use of clean energy，and to achieve economic benefits.At the same time，the impact on the environment and resources is of far-reaching significance.

wind and solar energy storage；intelligent micro network；measurement and control；terminal

2017-05-19

吉林省科技厅项目(20150204008SF)

杜波(1976-)，女(汉)，长春，副教授 主要研究检测技术与自动化装置。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.009

TK89

A

1009-8984(2017)02-0040-04