基于ZigBee的微网控制策略研究与实现

张 鸿，宁跃飞

(郑州升达经贸管理学院，河南郑州451191)

基于ZigBee的微网控制策略研究与实现

张 鸿，宁跃飞

(郑州升达经贸管理学院，河南郑州451191)

良好的微网控制策略是解决分布式电源并网的重要方法。在研究微网控制策略的基础上，提出了利用物联网的技术和手段对相应的功能进行设计和实现的方案。介绍了微网的运行方法，选用了Droop控制方法作为微网的并网控制策略，并采用无线传感网络技术对其功能进行了实现。

分布式发电；微网；控制策略；物联网

分布式发电是灵活利用可再生能源的主要方式之一。它可以有效地解决能源短缺、环境保护等问题。同时，作为传统电源的一种补充，也可以解决传统电源不能灵活追踪负荷、结构复杂、故障率高的缺点。但是分布式发电系统一般都采用风能、太阳能等发电方式构成，具有一定的不可控性，同时分布式发电系统在实现削峰填谷、降低损耗、改善电网可靠性等环节上也产生了成本高、控制难、随机性强等问题。因此，采取可靠的技术手段来解决分布式发电并网时所面临的难题，是目前研究的重点。

微网是近年来提出的一种新型电网结构，是一种集分布式电源、储能装置、电力电子装置、负载和控制保护装置于一身的小型发配电系统，是能够实现自我控制、保护和管理的智能系统[1]。微网的出现，不仅可以解决传统大电网发电方式单一、投资大、结构复杂的问题，同时微网还可以把供电和供冷、供热结合起来，形成有效的统一服务系统，对完善生产生活的服务体系具有重要的意义。

微网具有两种运行方式：一种是独立运行，即脱网孤岛运行方式，这种方式以微网为核心，与大电网相隔离，自成系统，可以不受大电网运行状态的影响；另一种方式是并网运行，微网以某种方式与主网相连接，主要的运行方式受主网支配的运行方式。这两种运行过程需要具有灵活切换的能力，并且切换需要及时平滑。

微网运行可控性强、规模小、运行方式灵活，但是微网系统又是一门涉及多种学科的交叉技术，其运行模式与控制策略的选择对其运行的可靠性和稳定性，具有重要的意义。

1 微网的运行策略分析及确定

图1所示为文献[1]提出的微网的基本结构。从图中可知，多种发电形式均可顺利成为微网的基本组成部分，其中包括了光伏发电、风力发电、燃料电池、生物质发电等形式。同时微网系统中还特别增加了与供电系统相并行的供冷供暖系统。整个结构采用两条线路完成功能：一条为电力线，主要作为供电线路；另一条为信息线，信息线的作用是将采集的数据上传至中央控制单元，同时将中央控制单元的控制命令发送至微网的控制开关中，以完成微网的运行状态远程调控。

图1 微网的基本结构

微网中的中央控制单元起到对微网运行状态进行分析、确定运行方式的目的。在中央控制单元中内置的以微网控制策略为基础的算法是其运行的标准。

目前，微网的控制策略主要有三种，分别为：Droop控制策略、V/f控制策略、PQ控制策略[2]。

Droop控制策略主要是通过模仿传统电力系统中同步发电机下垂特性而对逆变器进行控制的一种方法。它主要利用系统输出有功功率与频率之间、无功功率与电压幅值之间均呈现线性关系来调节微网的输出有功功率和无功功率，具有切换平滑的优势。V/f控制策略是指恒压恒频控制策略。该策略主要实现了无论逆变器电源输出的功率如何变化，其输出的电压幅值和频率均在一定条件下维持不变的基本功能。而PQ控制策略是恒功率控制，主要的控制方式是通过对有功电流和无功电流的解耦控制，来实现当微网系统母线的频率和电压在一定范围内变化时，系统输出的有功功率和无功功率能够保持不变的策略。考虑到微网与并网运行时状态的切换需要具有一定的平滑性，因此本设计采用Droop策略来作为微网的控制策略。

2 基于物联网的微网控制系统的实现

采用物联网的方式来实现微网控制系统是解决微网运行过程的良好结构选择。物联网的一种定义是：通过无线射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统(GPS)、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[2]。在微网中，存在两种线路通道，一种是电力线路，用以传输电能；另一种是信息通路，用以传输数据和控制命令。在本设计中，信息通路采用物联网的三层结构，分别为感知层、通信层、中央控制与应用层。在感知层中，采用短距离通信技术ZigBee来完成，由各ZigBee节点构成星形结构的无线传感网，信息传输选用2.4 GHz工作频段，采用IEEE 802.15标准，具体芯片选用德州仪器生产的CC2530。CC2530节点的I/O口上连接各种电流、电压等参数传感器，采集的数据通过射频方式传输至整个星形网的核心——协调器端。协调器也由CC2530来承担，主要的任务是将各个终端ZigBee节点采集来的数据上传至底层数据处理中心。整个ZigBee网络的搭建是在符合ZigBee2007协议规范的协议栈软件ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0的基础上完成的。协调器上电后，由启动代码来初始化硬件系统和软件架构需要的各个模块，ZStack采用轮转查询式操作系统，由main()函数开始执行，完成系统硬件初始化以及进入OSAL操作系统层。

底层数据处理中心由嵌入式芯片来完成，ZigBee协调器与嵌入式芯片采用串口连接，芯片选用飞凌嵌入式ARM11的S3C6410开发板来担当。嵌入式中心的作用有两个：一个是对上传的数据进行简单的处理，使其格式更加符合数据传输的要求；另一个作用就是通信网关的功能，由于底层数据的通信协议采用ZigBee2007，而通信层采用工业以太网来完成，因此，嵌入式中心负责完成两个通信协议的转换。

中央控制单元设立在系统服务器中，除正常的应用系统之外，最主要的就是Droop控制策略的实现。Droop控制策略的实现首先要依赖于硬件系统来完成。图2是基于Droop控制的硬件功能框图，整个系统的控制主体是功率控制和电压电流双闭环控制。功率环控制模块以从ZigBee节点中上传上来的各种逆变器及其他设备的输出电压及电流的采样数据为依据，以有功功率及无功功率的计算为目标，结合相应的数学模型，实现对逆变器的有功功率和无功功率的计算，并将生成的结果输入至下垂方程模块中进行P-f和Q-V计算，从而得出系统运行的参考电压。另一个控制模块是电压电流双闭环控制模块，该模块是以功率环控制模块所提供的电压为依据，计算出当前电压的适应性电流，并通过PWM脉冲形式输入至逆变器进行参数较正，同时该结果也会反馈至微网母线侧进行实时控制。

图2 Droop控制三相全桥逆变器系统功能结构图

图2中所示的各部分功能，一部分完全依靠硬件来完成，例如数据的采集、通信等，而另一部分功能是需要进行高精度计算的，例如功率的计算、参考电压值的得出、参考电流值的得出等，这一部分功能在中央控制单元中完成，计算的依据是系统的无功及有功换算公式，具体如式(1)及式(2)所示[3]。

3 总结

本文从微网的基本结构出发，对微网中逆变器的控制策略进行了分析，确定了以Droop控制策略为基本控制策略的微网管理运行系统，并对其主要设计进行了说明。

本系统采用物联网的基本三层结构，利用嵌入式系统和ZigBee技术构建底层数据采集平台，借助工业以太网实现数据的远程传送，并设立中央处理中心，完成数据的处理和控制命令的下达。

为了提高微网运行的可靠性，本系统采用了Droop的控制策略来对微网进行管理，并设计了内外环控制的方式，外环控制对Droop控制进行计算，内环对电流和电压进行分析处理，形成了完整的控制体系，提高了系统工作的稳定性。

[1]黄小荣.微网运行模式及控制策略研究[J].华东电力，2012(5)：798-799.

[2]张中锋.微网逆变器的下垂控制策略研究[D].南京：南京航空航天大学，2013：12-13.

[3]王宁.微网系统能量管理技术研究[D].北京：北京交通大学，2010：85-100.

Research and implementation of microgrid control strategy based on ZigBee

A good micro network control strategy was an important way to solve the distributed power grid.On the basis of the study on the control strategy for micro network,the use of the Internet of things technology and means were proposed to carry on the design and implementation of the function of the corresponding solution.The operation method of micro network was introduced.The DROOP control method was chosen as the network interconnection control strategy.At last the technology of wireless sensor network was used by the design to realized its function.

distributed generation;microgrid;control strategy;internet of things

TM 61

A

1002-087 X(2016)03-0725-02

2015-08-28

张鸿(1975—)，女，河南省人，硕士生，副教授，主要研究方向为软件工程、图像处理。