基于LabVIEW的微电网经济运行实验平台设计

于 群, 段红利

(山东科技大学 电气与自动化工程学院， 山东 青岛 266510)

0 引 言

微电网系统作为分布式电源以及多种负荷有效组织形式，能够进行发电优化调度、负荷管理、实时监测并自动实现微电网同步。太阳能、风能等新能源具有不可控性及不稳定性的缺点，不仅会使负荷的用电无法得到保障，而且会影响电力系统的稳定性[1]。如何充分利用清洁能源，实现微网系统稳定高效的运行，是微网系统需研究的首要问题。蓄电池等储能设备，在微电网的运行过程中具有抑峰平谷的作用，配合柔性负荷投切控制策略，有利于实现微电网持续供电，增强运行可靠性和稳定性[2]。

本文针对微电网清洁能源发电间歇导致蓄电池频繁充放电问题，提出次要负荷协同储能设备工作的控制策略，构建以LabVIEW为核心，集成数据监测与优化控制功能的微电网经济运行实验平台。

该平台由输入、运算、显示3个模块组成。在微网正常工作时，选择模式1。无风或微风天风机无法投入发电，阴雨天光伏电池无法工作时，选择模式2。两种工作模式相互协调满足实验要求。

1 系统整体设计

1.1 系统组成

微电网系统的整体结构框图如图1所示。风电机组、光伏电池组及微型燃气轮机发电系统发出的电能输送至400 V交流母线，母线一端连接蓄电池及两种负载，另一端经过变压器连接大电网。根据负载优先级不同分为重要负荷及次要负荷。在检测到系统发电量不足时，利用上位机完成优化计算，通过切除次要负荷、改变微型燃气轮机发电功率、增加或减少从大电网购电量、改变电池充放电功率，实现经济运行。

图1 微电网监控系统结构图

1.2 系统优化控制

微网集中有多种分布式能源，其中可再生能源发电存在间歇性与随机性。微电网若直接接入大电网，将会影响大电网电能质量，甚至导致系统失稳[3]。因此，本设计中的微电网只在功率缺额时从大电网购电，并不向电网售电。风电机组及光伏电池出力的间歇性给微电网的调度增加了难度。为保证系统实现经济运行，提出一种次要负载投切协同蓄电池出力调节控制策略，避免蓄电池频繁充放电，从而延长蓄电池的使用寿命，实现系统经济运行。策略如下：

(1) 风电机组及光伏电池组作为清洁能源，将以最大功率发电，Sw(t)=Sw·max，Sp(t)=Sp·max。

(2) 当Sw(t)、Sp(t)可以满足所有负载用电量时，根据当前时刻蓄电池荷电状态(state of charge ，SoC)决定是否将多余电能存入蓄电池。若储能装置SoC达到上限，则降低燃气轮机输出功率来维持系统内功率平衡。

(3) 当Sw(t)、Sp(t)之和小于当前负荷用电量时，计算功率缺额，首先切除相应大小的可中断负荷。若所有次要负荷都因发电功率供不应求被切除，则提高微型燃气轮机输出功率直至满足负荷的功率需求。若提高微型燃气轮机输出功率后系统供能仍低于负载用电量，蓄电池等储能设备还存在可用电量，则投入蓄电池供能。若此时仍不能使系统功率供需平衡，则根据缺额量从大电网购电，功率限制在50 kW。

2 实验平台构成

利用上位机搭载组态软件结合下位机硬件系统来设计实验平台是较为普遍且有效的实现方案。

目前，控制领域比较常用的组态软件在国外主要有LabVIEW、FIX32、Wincc，国内则有组态王、力控、FameView等。LabVIEW程序基于数据流驱动[4]，软件数据库包括了数据采集、分析、存储及显示，以及GPIB、串口通信控制等函数包[5]，LabVIEW集成化的编程环境可以与真实的物理信号相连来获取数据并进行分析，可以从根本上提高系统的工作效率。并且，该软件功能强大，在测量、工业控制、科研仿真、软件开发等领域有着广泛的应用[6-7]。

(1) 组态软件选型。LabVIEW作为虚拟仪器开发软件, 它能提供多种硬件驱动，具有强大的图形显示能力以及完备的高级数学分析库。程序设计过程快速便捷，通过编程很容易改变虚拟组件的设置和功能[8]，开发者可以根据实际生产或演示需要重新构建新的虚拟实验平台[9-10]，为学术研究和工业自动化应用提供了一个直接高效的设计环境[11]。

该软件除了对设备数据的监测显示功能以外，还可以通过组件调用Matlab程序获取经济优化算法[12]，对采集到的数据进行分析计算，控制功能通过下位机控制器实现。该软件为实验者提供简洁的监测界面，可动态显示设备运行状况。此外，它还具有灵活的组态方式以及数据通信连接功能。LabVIEW以强大的数据库和友好的用户界面，可以大大提高开发效率[13]，实现实验平台的监控需求。

(2) 算法选择。改进型粒子群算法(GA-PSO)是将遗传算法加入粒子迭代过程配合粒子群算法进行寻优[14]。粒子群算法(PSO)收敛速度快，但是精度低，在寻优过程中容易陷入局部最优解。给 PSO中的粒子加入遗传变异迭代操作，增强了粒子跳出局部最优的能力，避免了算法迭代过程中的早熟现象。

(3) 控制器选型。本设计中用DVP20EX作为控制器，该型号PLC带有4个模拟量输入端口和2个模拟量输出端口。模拟量输入及输出信号可以为电压或电流信号，但两者范围不同。EX系列PLC主机I/O为20点，扩展后最大为238点。通信端口为RS-232与RS-485，可使用MODBUS ASCII/RTU通信协议。由此可知，该型号PLC模拟量端口及通信方式满足设计需要。

3 试验平台设计

分析微电网经济运行实际工况，确定风-光-蓄-燃系统需要采集的数据以及调控量。利用LabVIEW组态软件搭建上位机监控界面，将Matlab中控制算法通过Matlabscript组件写入LabVIEW，监测两种工作模式下的优化结果。

3.1 数据处理

由LabVIEW编写模拟风速、光照强度、蓄电池荷电状态、次要负荷接入量以及燃气轮机功率大小等数据，以此作为信号输入直接传至库函数优化计算以及显示界面。

数据处理使用Matlab编写改进型粒子群算法。LabVIEW和Matlab通过Matlabscript组件实现混合编程，在LabVIEW中加入Matlab算法程序，让优化计算过程变得简单方便且易于实现。

3.2 上位机显示界面设计

微网经济运行实验平台显示面板是实验平台的重要组成部分，如图2所示。

在工作模式2下，设备参数的设置、测试结果和显示功能都由软件编程实现，因此要求系统软件的界面简单直接[15]，具备相关操作和显示控件，方便用户操作和易于观察系统的工作状况[16]。直接操作上位机界面风速、光照强度调节按钮，系统则根据当前输入值快速计算出设备最优出力点，实现经济运行。分布式电源的出力变化，以及本时段运行受控设备工作状态实时显示，方便学员理解经济运行过程。

图2 微网经济运行实验平台显示面板

3.3 数据输入模块设计

光伏电池选取SunPowerSPR-305-WH7型光伏电池板进行模拟，根据光伏电池外特性，编写光伏发电模块，运行流程图和程序如图3、4所示。蓄电池外特性如下：

Up(t)=Um·ln(e+b·ΔS)(1-C·ΔT)

(1)

(2)

(1+a·ΔT)

(3)

式中：光伏电池最大功率点输出电压和电流分别为Um=54.7 V，Im=5.58 A；ΔS=S-Sref；参考辐射强度Sref=1 kW/m2；ΔT=T-Tref；参考电池温度Tref=25 ℃，补偿系数a、b、c为常数，a=0.002 5 ℃-1，b=5 cm/W,c=0.002 88 ℃-1，最大视在功率Sm=U·I。

图3 光伏电池模拟模块运行流程图

图4 光伏电池模拟模块

风力发电机模拟模块见图5。其外特性公式如下为：

(4)

式中：vi为切入风速3 m/s；vo为切出风速24 m/s；vr为额定风速12 m/s；Sw·max为风电机组额定输出功率(200 kW)。

图5 风机发电模拟模块

蓄电池模块运行流程图及程序如图6～7所示。

图6 蓄电池模拟模块运行流程图

将风光等数据以24×4数组形式写入txt文件，数据读取模块可在确定文件路径后将参数读入，进行下一步计算操作。文件读取流程及程序如图8～9所示。

图7 蓄电池模块程序图

图8 数据读取运行流程图

图9 数据读取模块

3.4 数据处理模块设计

选择粒子群算法作为数据优化算法，使用LabVIEW中的Matlabscript组件，将编写好的Matlab算法程序连接起来。部分算法程序如图10所示。

图10 粒子群算法程序图

4 实验平台测试

0时刻默认蓄电池SoC为0.5，剩余电量25 kWh，燃气轮机未投入运行，次要负荷接入量为5 kW。使用HOMER软件模拟24 h风光参数，获得系统输入数据如图11所示。

经过实验平台对输入参数处理，获取优化计算后的结果如图12所示，以14：00的运行数据为例做出说明。

系统自动补偿装置将功率因数提高至0.95，当前时刻风电机组输出有功功率为457.5 kW，光伏输出功率为450.6 kW，接入负荷1 032 kW。由于风光出力低于系统所需电能，蓄电池参与供能，其放电功率为4.2 kW，电池剩余能量下降。柔性负荷全部切除，燃气轮机发电量提高到103 kW，并从大电网购电16.7 kW，满足功率平衡约束。

图11 系统输入数据

5 结 语

实验教学在高校培养人才方面有着重要地位，通过构建微电网实验平台，将理论教学与实践相结合，对改进电力系统实验的教学形式，改进实验教学内容，增强学生的学习效果，有着非常重要的作用。让学生通过实验操作，改变相关参数观察优化运行结果，能深刻的体会微网经济运行过程。

本实验平台具有一定的通用性和扩展性，针对高校电气类实验室硬件设备差别较大的状况，可以通过修改上位机通信程序建立连接，提高高校现有资源利用率，减少搭建成本，为电气工程类专业学生开展微网经济运行相关实验提供有力的支持。