张建良，　吴　越，　齐冬莲，　王立志

(浙江大学 电气工程学院，杭州 310027)

0　引　言

随着对能源需求的快速增长，人们迫切需要对各种新能源发电技术进行系统融合和有效管理。在此背景下，微电网技术迅速发展起来，并成为现阶段国内外研究的热点问题[1-6]。通过构建微电网泛能控制器有助于实现对微电网系统的有效控制[7-9]。本文将基于DSP单元，搭建主要由DSP系统控制器、触摸显示屏、上位机等硬件部分和模块控制程序、底层驱动程序和通信程序等软件部分组成微电网泛能控制实验平台。

该实验平台可以方便直观地实现对微电网中各种新能源发电模块，如风机、光伏等的有效控制[10-11]；同时基于DSP强大的数据采集与计算能力，可以达到对新能源发电等模块运行管理的实时性要求。通过该微电网实验平台的构建和实施，不仅可以为高等院校电气类学生的实验动手能力训练提供实践平台，而且也可以为电气领域的科学研究提供良好的设备支撑，推动高等院校电气学科创新性人才培养体系的进一步完善[12-15]。

1　实验平台的总体结构

1.1　实验平台的结构

基于DSP的微电网泛能控制实验平台主要功能是实现对新能源发电、储能等模块的半实物仿真控制，该平台主要由DSP系统控制器为主的硬件部分和相应的功能程序软件部分构成，其组成结构如图1所示。

图1　实验平台的系统结构图

硬件组成部分包括：① 该实验平台将采用TI公司TMS320F28377D型DSP为核心，并通过搭建相关外围电路，实现数据信息与控制信息在DSP与平台中各个硬件部分之间的通信和转换，从而构成DSP系统控制器，并通过控制连接线实现对微电网中新能源发电模块、储能模块等变换器的控制；② 为了具有更好的人机交互环境，采用触摸显示屏实现对DSP内部信息的实时监控；③ 采用上位机实现核心控制程序的调试以及对实验平台中多个DSP控制器的监控和协调功能。

软件组成部分主要包括：① 底层驱动程序。实现DSP核心电路中寄存器以及外围功能电路相关芯片的初始化程序等；② 模块控制程序。包括前期在上位机中为风机、光伏等新能源发电模块和储能模块所设计的在Matlab环境下的模块控制程序，以及转换成C语言并下载到相应DSP控制器中运行的C语言环境下的模块控制程序；③ 通信程序。包括通过RS-485通信协议实现DSP的ADC单元采集数据实时显示到显示屏，以及通过基于TCP/IP的Modbus协议实现上位机读取采集DSP端的实时运行数据。

1.2　实验平台的具体组成

1.2.1硬件部分

(1) DSP主芯片选型。DSP系统控制器的作用主要是完成对电网数据的采样，并对采样数据处理以形成PWM控制开关管的通断，达到对新能源发电等模块的监测与控制。为了实现对系统各模块实时性控制，需要DSP具有较高的运算速度。选用TI公司TMS320F28377D型DSP具有两个处理器单元，极大提高了芯片的数据处理能力，同时该DSP具有丰富的接口，足够满足实验平台的通信与处理需求，实现对微电网中电力数据的采样与相关模块的控制功能。

(2) 网络通信单元。采用致远公司的IPORT-2模块，实现DSP系统控制器与上位机之间通过以太网进行通信，电路原理图如图2所示。该单元具备多功能型嵌入式以太网与串口数据转换功能，方便实验平台中相关部分以灵活可靠的方式实现网络通信和连接功能。

图2以太网模块

(3) 触控屏单元。采用迪文DGUS基于K600+内核设计的屏幕，将GUI分解成控件并按页面来配置，而控件显示则直接由变量控制，通过将几个简单的页面叠加以形成特定显示页面。该屏幕方便用户通过组态软件设计交互界面和配置变量，DSP系统控制器与屏幕只需通过寄存器进行交互，开发过程方便快捷。

(4) PWM电路和AD采样电路。PWM单元的电路原理图如图3所示，其中U1，U2为PWM电压转换芯片，将DSP输出的3.3 V PWM电压转换成变换器接口对应的5 V PWM电压。AD采样电路将新能源发电等模块变换器端的电网模拟量转换为数字量，便于DSP系统控制器进一步的数据处理和控制，其电路原理图如图4所示。

最后将所设计的两个以太网口、两个AD接口、一个PWM接口、PWM电压转换芯片、485芯片、I2C存储芯片及相关电阻焊接到PCB板，并将F28377D套件与外扩电路板连接，最终得到DSP系统控制器的电路板实物如图5所示。

1.2.2软件部分

图3PWM电路原理图

图4AD模块电路原理图

图5　DSP系统控制器电路板实物图

为了发挥硬件部分的功能作用，采用TI公司配套的Code Composer Studio (CCS) 软件，开展基于DSP系统控制器的程序设计与调试，以实现对微电网内部模块的有效控制。实验平台的软件部分主要包括三部分：

(1) 底层驱动程序部分。该部分是保证硬件部分正常工作的基础，主要包括实现对DSP相关寄存器以及外围电路单元的芯片初始化工作，具体包括A/D模块初始化、PWM模块初始化、定时器初始化、SCI模块初始化以及其他相关芯片初始化程序等。

(2) 模块控制程序部分。该部分是微电网泛能控制实验平台的核心功能部分，直接决定了平台的功能实现和系统稳定性能。为了减少直接在DSP环境下编写代码容易出错的缺陷，同时加快平台的开发进度，在实验平台的构建过程中采取首先在上位机Matlab环境下设计风机、光伏新能源发电等模块的模块控制程序，待调试通过后再转换成C语言代码，并下载到相应的DSP控制器中运行；进而利用DSP中ADC电路实时采集新能源发电等模块变换器端输出的三相电压、电流、频率等数据，经过DSP中运行的控制算法输出PWM波，以控制新能源发电等模块变换器中开关管的通断，以满足电能并网波形要求。在模块控制程序中，通过定时器设定采样周期，在达到预定时间后定时器中断置位标志位，在主程序中不断查询该标志位，若标志位置位则ADC启动采样新能源发电等模块发送过来的模拟量，并运行相应模块的控制算法，输出PWM控制波。为充分利用DSP处理器性能以提高控制效果，将中断周期设定为0.25 ms，相应实验平台的控制周期为0.25 ms。

(3) 通信程序部分。该部分主要实现对DSP控制器实时运行数据的监控和传递功能，包括两个方面的通信和信息传递：① 为了就地观测新能源发电等模块的实时数据和运行状况，利用RS-485通信协议，将DSP中ADC单元的采集数据实时显示到相应模块旁边的触控屏单元；② 为了对微电网全局系统进行有效的监控，基于TCP/IP的Modbus协议，在上位机系统设计相应人机接口界面，以读取DSP系统控制器端采集的微电网系统实时运行数据。

2　实验平台的性能指标

通过构建微电网泛能控制实验平台，将实现对微电网中新能源发电等模块的实时监控与运行优化，包括基本功能和扩展功能两个部分：

(1) 基本功能。实验平台对新能源发电等模块的运行模拟量实现实时采样功能，主要包括：① 采样通道>12个，采样时间<1 ms；② 能够生成SVPWM信号并进行输出，以控制开关管的有效通断，其中信号数量12路，输出频率0～3 kHz；③ 通过以太网方式与上位机进行通信，传输数据通道数>5路(包括电压、电流、功率值等)，接收数据通道1路，传输速率>1 MB/s；④ 具备外围电路扩展能力，包括实现串口通信功能，传输数据种类不少于9类，串口波特率115 200；⑤ 实现AD转换功能，转换时间<1 ms，转换精度12位。

(2) 扩展功能。实验平台实现对新能源发电等模块的分布式控制功能，主要包括：① 在集中式通信和分布式通信条件下对光伏、风机、储能等变换器中开关管通断状态以及电压、电流状态量的控制；② 具备对新能源发电等模块的模拟与保护功能，主要包括对光伏、风机、蓄电池进行数学模拟，实现对分布式能源的保护控制，包括直流母线电压控制、并网功率控制、分布式电源开关控制、分布式电源过欠压、过欠频和过流保护等；③ 实现与上位机的交互功能，包括电压、电流、频率、工作状态(正常状态、故障状态、报警状态、停机状态)等的实时传输功能(由DSP系统控制器发送至上位机系统)；④ 遥调信号功率的实时控制功能(由上位机系统发送至DSP系统控制器)；⑤ 实现新能源发电等模块的协同控制功能，包括光伏集群备用率参考值传输功能(由上位机传送指令至任意一台可用光伏发电模块)，光伏集群输出功率的分布式协同分配；⑥ 具备微电网网络安全模拟功能，实现微电网通信网络在延时、丢包、数据篡改等故障下的模拟和恢复功能。

3　实验平台的应用

构建微电网泛能控制实验平台，有助于培育和形成以微电网为核心的电力信息控制综合性实验教学体系，有助于将电力控制类实验教学的重心从以单体控制为主逐步转移到系统级协调控制的教学模式上，提高实验教学体系的系统性和内容的真实性[8]。该实验平台将覆盖“信号分析与处理”课程中信号的采样、滤波器设计等基础性实验内容，以及“控制理论”“电力系统运行与控制”中电子模拟实验、电力系统动态特性等综合性实验内容，同时可以扩展形成微网系统运行优化实验等探究性实验内容，大大增加学生参与实验的兴趣，有助于不断改进高等学校微电网相关内容实验教学的形式和效果[8,12]。进一步地，该实验平台的成功构建，为高校教师在新能源发电、微电网和智能电网等研究应用领域提供平台基础，为高等学校科研和教学改革工作提供了有力的实验支撑。通过结合实际教学、科研和工业应用场景，利用基于DSP的微电网泛能控制实验平台，可以实现对微电网以及配电网的运行情况进行仿真模拟和经济分析，有利于为研究部门和电网企业的技术设计、投资分析等提供有效的决策参考[7,11]；同时，基于该平台系统化的设计理念和丰富的扩展接口，针对智能电网产业发展需求和科研实际特点，可以不断拓展和延伸实验平台的功能，在服务工业企业产品测试和科研实验等方面，提供相应的实验保障和经验支撑，有助于加快微电网相关科研项目和产业实施的推进效果[13]。

4　结　语

微电网泛能控制实验平台的建立，有助于将以微电网为代表的电力信息控制类实验教学重心，从以单体控制为主逐步转移到系统级协调控制的教学模式上，从而提高实验教学的系统性和综合性，增加学生参与实验的兴趣，有助于不断改进电力控制类实验的教学形式和授课效果；同时系统化的平台设计方案有助于开展面向“信号分析与处理”“现代控制理论”“电力系统运行与控制”等专业核心课程的综合性和探究性实验设计，从而推进学科交叉融合水平，优化理论知识与实验技术的结合点和创新模式，不断改进电气信息控制类课程的教学模式和教学手段；该实验平台的建设成果为高校教师在新能源发电、微电网和智能电网等研究应用领域，提供强有力的平台基础和实验支撑，有助于推动微电网相关领域的科研技术项目和应用示范工程的实施和发展。

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