一种微网实验平台及其控制系统的制作方法

本发明涉及光伏新能源与微网发电控制领域，尤其是涉及面向一种微网实验平台及其控制系统设计实现方法。

背景技术：

在上世纪80年代，美国公共事业管理研究机构提出分布式供电模式，将发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近。与传统的集中式供电模式相比，分布式供电具有以下优势：输配电损耗低；无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本；土建和安装成本低；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故，供电的可靠性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能；非常适合对海岛、乡村、牧区、山区、及商业区和居民区提供电力；绿色低碳，可持续发展。

由于光伏发电适用于分布式供电模式，因此面向光伏发电的分布式供电及其支撑技术已经成为当前新能源技术的研究热点。2001年，美国威斯康星大学的R.H.Lasseter等人提出了微网(Microgrid)概念，即一种能更好地发挥分布式发电潜能的组织形式。微网是一组负荷和微型分布式电源(Distributed Generation,DG)的集合，它们可以以一个单个系统的方式运行，在正常情况下运行在联网模式，在紧急等情况下能够在独立模式下运行。微网可以整合分布式发电的优势，削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响。与大电网相比，微电网具有显著的优点：能充分利用新型能源，减少环境污染和输变电损耗，规模灵活，使用地域广泛。在全球能源日益紧张的严峻现实下，微电网的作用越来越受到重视。光伏微网是以光伏微源为主体，辅以其他类型的DG(风机、微透平、超级电容、燃料电池等)所组成的分布式发电系统。

光伏微网系统在运行过程中，涉及到与大电网间的耦合作用和能量交换，其主要关系有两种：一种是微网利用内部的分布式微源来满足网内的负荷需求，可以从主网吸收功率，但不可以向主网输出功率；另一种是允许微网参与到开放的电力市场中，可以与主网自由交换功率。此外，需要制定管理策略与控制方法来协调微网系统内部各DG间、单个微网与主网间、多个微网间的运行调度和能量优化管理之间的依赖关系，以确保微网的安全性、稳定性和可靠性，保证微网高效、经济地运行。因此，对微网运行负荷分配、实时状态监控、负荷动态调度等关键技术进行研发是非常有必要的。

技术实现要素：

为了克服现有微网分布式结点监控技术的稳定性较差、实时性较差的不足，本发明提供一种稳定性较好、实时性较好的微网实验平台及其控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种微网实验平台及其控制系统，包括嵌入式微网实验平台与微网状态调度与控制系统，所述的嵌入式微网实验平台包括微源结点、功能处理结点、负载结点和多源互补逆变一体控制器，所述的微源结点为向微网提供能源的分布式发电单元，包含风机结点、光伏结点、微透平结点、超级电容结点与燃料电池结点；所述的功能处理结点负责对各微源输出电能的处理、调控与存储，包含逆变结点、整流逆变结点、储能单元结点、汇流控制结点、静态开关结点与变压器结点；所述的多源互补逆变一体控制器为嵌入式微网实验平台的控制核心，负责各微网结点的监测与控制，使各微源结点与功能处理结点协调工作，为微网内负责提供电能，或向大电网输出电能，包含现场控制结点、用户监控结点与网络通信结点；所述的负载结点为微网内的用电设备，按照其电气特性不同分为敏感负载结点与非敏感负载结点；

所述的微网状态调度与控制系统包括嵌入式微网调度软件平台与微网平台状态调控模块，所述的嵌入式微网调度软件平台包括可裁剪嵌入式实时操作系统模块、嵌入式数据库模块、多道并行实时数据采集模块、多道双向通信与处理模块、微网状态实时监控与诊断模块，提供进行定制或二次开发接口，为微网系统及其配套设备的状态监测与实时控制提供应用程序接口支持。

进一步，所述的风机结点、微透平结点输出不规则交变电流并与整流逆变结点相连；所述的整流逆变结点将风机结点、微透平结点输出的不规则交变电流进行整流，然后逆变为规则交变电流；所述的光伏结点、超级电容结点、燃料电池结点输出低压直流电，与逆变结点相连；所述的逆变结点将光伏结点、超级电容结点、燃料电池结点输出的低压直流电进行升压处理，然后逆变为规则交变电流；所述的整流逆变结点、逆变结点与汇流控制结点相连，汇流控制结点接收整流逆变结点、逆变结点的输出电流并进行叠加处理，并经静态开关结点与储能单元结点、负载结点相连。

再进一步，所述的现场控制结点负责对微源结点、功能处理结点、输入/输出母线、负载结点进行监控，通过电力传感器测量上述结点状态信号，通过双向现场总线与用户监控结点相连；所述的用户监控结点通过双向现场总线与继电器件实现对各微网结点的实时调控，并通过工业以太网与网络通信结点相连；所述的网络通信结点为面向微网监控的多路透明网桥，支持3个网段、128个端口，提供126个共享带宽信道，通过普通以太网线与监控中心客户端相连。

更进一步，所述的可裁剪的实时嵌入式操作系统模块，采用RT-Linux基础内核，并根据微网监控要求进行裁剪、配置，保留实时多任务、网络、串口驱动，且具有向下兼容性；所述的嵌入式数据库模块为面向微网实时监控的嵌入式主题数据库，采用嵌入式数据库管理系统框架，在数据表第三范式条件下，结合伯克利SQL查询语言，为微网目标结点的监测、控制、识别提供数据支持；所述的多道并行实时数据采集模块接收现场控制结点上传的电气物理信号，经端点抑制、抖动消除与数字滤波处理后，经多道双向通信与处理模块，上传至微网状态实时监控与诊断模块；所述的微网状态实时监控与诊断模块为微网实验平台的核心应用软件，其物理载体为用户监控结点，通过微网平台状态调控算法实现微网目标结点的监测、控制、诊断与识别。

所述的微网平台状态调控模块，处理过程如下：

①针对微网这一含有未知参数、系统干扰、量测噪声及状态不可得的高维、非线性、强耦合的复杂动态系统，根据电力系统常微分-向量场方程，建立微网系统的状态空间：

x_n＝f(x,t)+w(t) (1)

式(1)中，x_n为n维系统状态向量，具体包括：微网电压、电流、频率和外网的电压、电流、频率、温度、微网负荷、微网谐波含量、并网时间、穿越时间、电磁冲击等微网运行状态特征参数；w(t)为n维系统干扰向量；f(x,t)为n维的关于状态变量和时间的非线性函数，即微网的工作特征状态矩阵；

②将微网电压、电流、频率、工作温度、微网负荷、微网谐波含量作为微网系统内部运行状态向量组，用于表征微网运行时的内部目标状态；将大电网的电压、电流、频率作为大电网运行状态向量组，用于表征微网运行时的外部目标状态；将并网时间、穿越时间、电磁冲击构成微网工作状态转换过程状态向量组，用于表征微网运行时的离-并网转换状态；

③将上述三个向量组构成微网系统运行n维状态空间向量，建立微网-大电网耦合的二次型状态空间方程；

④运用李雅普诺夫第二法对微网-大电网离-并网转换状态稳定性进行判定，得到微网运行状态稳定性泛函积分方程；

⑤基于变分法求解微网-主网耦合二次型状态空间方程特征解，作为微网-大电网工作状态调控实施时机裁定的依据，并实现状态切换过程状态参数的实时监控；

⑥根据步骤⑤得到的微网结构参数、输入参数对离-并网转换过程中电能质量的影响规律，建立微网系统状态空间模型的可观矩阵与可控矩阵；

⑦根据非线性系统状态-动态-量测混合反馈线性化方法，结合卡尔曼滤波器对微网系统可观矩阵与可控矩阵进行参数辨识，建立面向微网多源互补逆变一体控制的最小相位系统。

所述的多源互补逆变一体控制器采用上下位机双嵌入式先进精简指令集处理机结构，由基于Cortex-M3的下位机实时A/V数据采集卡和S3C6410的上位机系统控制卡组成；

所述的下位机实时A/V数据采集卡为现场控制结点的物理载体，主要完成模拟电气信号采集、AD转换、数字滤波、离散傅里叶变换等操作，利用Cortex-M3的Tail-Chaining中断技术，完成分布式微网结点实时A/V信号采集与在线控制；所述的上位机系统控制卡为用户监控结点与网络通信结点的物理载体，利用S3C6410的实时多事务并行处理和多端复用接口，完成实时电气信号处理、分析、显示、控制信息交互和网络通信；上下位机通过通用串行接口进行并行、高速的内部数据传输。

本发明的技术构思为：由嵌入式微网实验平台与微网状态调度与控制系统组成，完成微网结点监控、实时通信、孤岛运行控制、离并网过程控制、过载保护等实验功能，实现对分布式微网结点物理信号的实时数据采集与预处理，并判断运行状态上传至微网监控中心；同时可接收微网监控中心下达的指令，完成对微网结点的管理与控制。

本发明的有益效果主要表现在：

1)配备当前微网研发所需的5种微源结点与5种功能处理结点，能够完成微网结点监控、实时通信、孤岛运行控制、离并网过程控制、过载保护等实验功能，并实现对分布式微网结点物理信号的实时数据采集与预处理。

2)基于嵌入式双精简指令集处理器的多源互补逆变一体控制器，低功耗，强实时，可实现并行实验任务处理。

3)可裁剪、配置的嵌入式微网调度软件平台，能提供进行定制或二次开发接口，可为微网系统及其配套设备的状态监测与实时控制提供应用程序接口支持。

4)基于状态-动态-量测混合反馈线性化与卡尔曼滤波的微网状态监控算法，能够较好的满足微网分布式结点实时监控的任务需求。

附图说明

图1是系统功能构架图；

图2是嵌入式微网调度软件平台示意图；

图3是微网平台状态调控算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种微网实验平台及其控制系统，由嵌入式微网实验平台与微网状态调度与控制系统组成，可完成微网结点监控、实时通信、孤岛运行控制、离并网过程控制、过载保护等实验功能，实现对分布式微网结点物理信号的实时数据采集与预处理，并判断运行状态上传至微网监控中心；同时可接收微网监控中心下达的指令，完成对微网结点的管理与控制。

上述方案中，嵌入式微网实验平台由微源结点、功能处理结点、负载结点与多源互补逆变一体控制器组成，如附图1所示。上述构架中，微源结点为向微网提供能源的分布式发电(Distributed Generation,DG)单元，包含5种当前主流电源结点，即风机结点、光伏结点、微透平结点、超级电容结点与燃料电池结点。功能处理结点负责对各微源输出电能的处理、调控与存储，包含逆变结点、整流逆变结点、储能单元结点、汇流控制结点、静态开关结点、变压器结点等5种功能处理结点，具有系统完善的电能变换与调控能力。多源互补逆变一体控制器为嵌入式微网实验平台的控制核心，负责各微网结点的监测与控制，使各微源结点与功能处理结点协调工作，为微网内负责提供电能，或向大电网输出电能，主要包含现场控制结点(Field Control Node,FCN)、用户监控结点(User Monitoring Node,UMN)与网络通信结点(Network Communication Node,NCN)。负载结点为微网内的用电设备，按照其电气特性不同可分为敏感负载结点(电动机、冰箱等)与非敏感负载结点(灯具、热水器等)。

微源结点的电力特性存在明显差异，因此需要不同的功能处理结点进行分别处理与调控，如附图1所示。风机结点、微透平结点输出不规则交变电流，与整流逆变结点相连。整流逆变结点将风机结点、微透平结点输出的不规则交变电流进行整流，然后逆变为规则交变电流。与风机、透平机不同，光伏结点、超级电容结点、燃料电池结点输出低压直流电，与逆变结点相连。逆变结点将光伏结点、超级电容结点、燃料电池结点输出的低压直流电进行升压处理，然后逆变为规则交变电流。整流逆变结点、逆变结点与汇流控制结点相连，汇流控制结点接收整流逆变结点、逆变结点的输出电流并进行叠加处理，并经静态开关结点与储能单元结点、负载结点相连。

FCN负责对微源结点、功能处理结点、输入/输出母线、负载结点进行监控，通过电力传感器(涡流传感器、霍尔传感器等)测量上述结点状态信号(电压、电流、谐波)，通过双向现场总线与UMN相连。UMN通过双向现场总线与继电器件(固态继电器、GTR或可控硅)实现对各微网结点的实时调控，并通过工业以太网与NCN相连。NCN为面向微网监控的多路透明网桥，可支持3个网段、128个端口，提供126个共享带宽信道，通过普通以太网线与监控中心客户端相连，实现对微网平台的远程调控。

上述方案中所涉及的多源互补逆变一体控制器，采用上下位机双嵌入式先进精简指令集处理机结构，由基于Cortex-M3的下位机实时A/V数据采集卡和S3C6410的上位机系统控制卡组成，如附图1所示。下位机实时A/V数据采集卡为FCN的物理载体，主要完成模拟电气信号采集、AD转换、数字滤波、离散傅里叶变换等操作，利用Cortex-M3的Tail-Chaining中断技术，完成分布式微网结点实时A/V信号采集与在线控制。上位机系统控制卡为UMN与NCN的物理载体，利用S3C6410的实时多事务并行处理和多端复用接口，完成实时电气信号处理、分析、显示、控制信息交互、网络通信等功能。上下位机通过通用串行接口(USB)进行并行、高速的内部数据传输，满足微网监控实时信号的基本要求。

(2)微网状态调度与控制系统

本发明所涉及的微网状态调度与控制系统由嵌入式微网调度软件平台与微网平台状态调控算法组成。

嵌入式微网调度软件平台包括可裁剪嵌入式实时操作系统模块、嵌入式数据库模块、多道并行实时数据采集模块、多道双向通信与处理模块、微网状态实时监控与诊断模块，如附图2所示，可提供进行定制或二次开发接口，可为微网系统及其配套设备的状态监测与实时控制提供应用程序接口支持。可裁剪的实时嵌入式操作系统模块，采用RT-Linux基础内核，并根据微网监控要求进行裁剪、配置，保留实时多任务、网络、串口驱动，且具有向下兼容性。嵌入式数据库模块为面向微网实时监控的嵌入式主题数据库，采用嵌入式数据库管理系统(E-DBMS)框架，在数据表第三范式条件下，结合伯克利SQL查询语言，为微网目标结点的监测、控制、识别提供数据支持。多道并行实时数据采集模块接收FCN上传的电气物理信号，经端点抑制、抖动消除与数字滤波处理后，经多道双向通信与处理模块，上传至微网状态实时监控与诊断模块。微网状态实时监控与诊断模块为微网实验平台的核心应用软件，其物理载体为UMN，通过微网平台状态调控算法实现微网目标结点的监测、控制、诊断与识别。

上述方案所涉及的微网平台状态调控算法，其实施步骤如附图3所示，具体信息如下：

①针对微网这一含有未知参数、系统干扰、量测噪声及状态不可得的高维、非线性、强耦合的复杂动态系统，根据电力系统常微分-向量场方程，建立微网系统的状态空间：

x_n＝f(x,t)+w(t) (1)

式(1)中，x_n为n维系统状态向量，具体包括：微网电压、电流、频率和外网的电压、电流、频率、温度、微网负荷、微网谐波含量、并网时间、穿越时间、电磁冲击等微网运行状态特征参数；w(t)为n维系统干扰向量(控制矩阵)；f(x,t)为n维的关于状态变量和时间的非线性函数，即微网的工作特征状态矩阵。

②将微网电压、电流、频率、工作温度、微网负荷、微网谐波含量作为微网系统内部运行状态向量组，用于表征微网运行时的内部目标状态；将大电网的电压、电流、频率作为大电网运行状态向量组，用于表征微网运行时的外部目标状态；将并网时间、穿越时间、电磁冲击构成微网工作状态转换过程状态向量组，用于表征微网运行时的离-并网转换状态。

③将上述三个向量组构成微网系统运行n维状态空间向量，建立微网-大电网耦合的二次型状态空间方程。

④运用李雅普诺夫(Lyapunov)第二法对微网-大电网离-并网转换状态稳定性进行判定，得到微网运行状态稳定性泛函积分方程。

⑤基于变分法求解微网-主网耦合二次型状态空间方程特征解，作为微网-大电网工作状态调控实施时机裁定的依据，并实现状态切换过程状态参数的实时监控。

⑥根据步骤⑤得到的微网结构参数、输入参数对离-并网转换过程中电能质量的影响规律，建立微网系统状态空间模型的可观矩阵与可控矩阵。

⑦根据非线性系统状态-动态-量测混合反馈线性化(Status Dynamic Measurement,SDM)方法，结合卡尔曼(Kalman)滤波器对微网系统可观矩阵与可控矩阵进行参数辨识，建立面向微网多源互补逆变一体控制的最小相位系统。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。