基于OS2構(gòu)架的主網(wǎng)新能源安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊俊峰,陳麗惠,彭文英,李樹(shù)東,熊紅英

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局，云南 保山 678000)

1 引言

由于能源供需緊張，能源價(jià)格波動(dòng)頻繁，與能源供需有關(guān)的國(guó)家和地區(qū)間矛盾時(shí)有發(fā)生[1]。此外，煤炭、石油等化石能源的消耗會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體，如二氧化碳、氮氧化物等，導(dǎo)致全球變暖[2]。因此，人們關(guān)注風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔可再生新能源的開(kāi)發(fā)利用，提高電網(wǎng)智能化水平，將可再生新能源應(yīng)用于發(fā)電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。新能源是在新技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)利用的可再生能源，具有清潔、低碳、可再生的優(yōu)勢(shì)，為節(jié)能減排做出了巨大貢獻(xiàn)，其中包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能、生物質(zhì)能等多種能源，人們對(duì)能源的需求逐漸增加。

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平的差距顯著縮小，其中，主要體現(xiàn)在基于多目標(biāo)概率最優(yōu)潮流算法[3]，以最小發(fā)電成本和碳排放量為優(yōu)化目標(biāo)建立了區(qū)域電網(wǎng)低碳調(diào)度模型，針對(duì)新能源接入電網(wǎng)帶來(lái)的不確定性問(wèn)題，在傳統(tǒng)的模型基礎(chǔ)上，對(duì)Matpower 30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和江蘇某區(qū)域?qū)嶋H電網(wǎng)進(jìn)行算例測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)和局部區(qū)域的碳排放量的綜合管理。用模糊數(shù)表征分布式電源出力不確定性和負(fù)荷功率的波動(dòng)性，構(gòu)建配電網(wǎng)多目標(biāo)模糊無(wú)功優(yōu)化模型，考慮到分布式能源的間歇性和隨機(jī)性，根據(jù)其隸屬度函數(shù)形成模糊適應(yīng)度函數(shù)，利用免疫粒子群算法進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)和約束條件求解[4]。

OS2 是南方電網(wǎng)公司提出的一體化電網(wǎng)運(yùn)行智能系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)的交換格式以及交換方式進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)全共享，利用OS2 構(gòu)架優(yōu)化主網(wǎng)新能源的安全控制系統(tǒng)，能夠使新能源的應(yīng)用更加安全快捷，OS2 構(gòu)架能夠適用于多種微處理器，微控制器和數(shù)字處理芯片，現(xiàn)如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，并移植到超過(guò)100 種以上的微處理器應(yīng)用中[5-7]。能夠滿足任務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、以及實(shí)時(shí)通信功能需求，將其與控制系統(tǒng)相結(jié)合，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)性能，提高用戶體驗(yàn)的目的。

2 新能源安全控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

新能源發(fā)電安全控制系統(tǒng)需要整流與功率變換兩部分，功率變換電路通常采用DC-AC 電路或DC-DC 電路；而整流電路分為可控整流與不可控整流兩種。系統(tǒng)的控制效果直接影響了輸出電能的質(zhì)量，為此對(duì)原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，增加信息傳輸頻道，采用雙頻道完成網(wǎng)絡(luò)通訊。由于兩個(gè)頻道間的通訊協(xié)議不對(duì)稱，將網(wǎng)絡(luò)連接分為兩層[8-10]?？刂瓢迮c上位機(jī)選用相同的芯片及印制線路板，從而達(dá)到提高工業(yè)可靠性的目的。選用TMS320 F28335 型號(hào)32 位浮點(diǎn)DSP 處理器，該芯片同時(shí)具有512KB的Flash 和68KB的ROM，能夠滿足主網(wǎng)新能源安全控制系統(tǒng)的嵌入式程序的規(guī)模，開(kāi)發(fā)板各模塊如圖1所示。

圖1 TMS320F28335開(kāi)發(fā)板

圖1中，各模塊功能如表1所示。

由表1可知，該功能板能夠提供12 路控制PWM 輸出，并加速電力電子的控制，從而縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)難度。在該硬件結(jié)構(gòu)的支持下，利用OS2構(gòu)架，設(shè)計(jì)主網(wǎng)新能源安全控制系統(tǒng)軟件部分。

表1 模塊功能表

3 基于OS2 構(gòu)架的主網(wǎng)新能源安全控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于OS2構(gòu)架的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

OS2構(gòu)架具有可移植、免費(fèi)提供源代碼等特點(diǎn)，能夠同時(shí)完成多個(gè)任務(wù)的運(yùn)行以及實(shí)時(shí)通信，利用OS2 構(gòu)架協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中各任務(wù)的運(yùn)行，避免沖突所產(chǎn)生的資源訪問(wèn)故障。通過(guò)任務(wù)控制塊，記錄任務(wù)狀態(tài)的控制結(jié)果，當(dāng)任務(wù)終止時(shí)，將其保留在任務(wù)控制塊中，完成優(yōu)先級(jí)別較高的任務(wù)后，從中斷處繼續(xù)執(zhí)行。

圖2中，休眠狀態(tài)是任務(wù)駐留在存儲(chǔ)空間中，尚未轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)內(nèi)核，但仍處于待機(jī)狀態(tài)，可以快速切換到就緒狀態(tài)。

圖2 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

3.2 自校正參數(shù)模糊控制

在主網(wǎng)新能源安全控制系統(tǒng)中，傳輸功率的調(diào)節(jié)是必不可少的，因此要將其數(shù)值穩(wěn)定在合適的范圍內(nèi)，使系統(tǒng)在負(fù)載發(fā)生變化的情況下，依舊能夠維持負(fù)載端電壓的恒定。為了有效抑制頻率及負(fù)載擾動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，將控制系統(tǒng)的運(yùn)行頻率用α表示，則：

將控制系統(tǒng)的負(fù)載參數(shù)用β表示，則：

將頻率通過(guò)線性分式變換得到：

公式(3)中，Wα為定常系數(shù)傳遞函數(shù)矩陣。應(yīng)用該矩陣實(shí)現(xiàn)負(fù)載參數(shù)自校正，即通過(guò)線性分式變換得到負(fù)載參數(shù)自校正矩陣：

公式(4)中，WL為自校正參數(shù)模糊控制矩陣。

綜上所述，在運(yùn)行狀態(tài)下，控制系統(tǒng)自適應(yīng)能力受到限制，可以通過(guò)自校正參數(shù)模糊控制矩陣匹配實(shí)際傳輸功率的調(diào)節(jié)數(shù)值，即通過(guò)描述自校正參數(shù)模糊控制矩陣的因子進(jìn)行模糊控制，計(jì)算保持負(fù)載端電壓穩(wěn)定的具體數(shù)值，數(shù)值越大表明維持負(fù)載端電壓的恒定效果越強(qiáng)，提高控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能，使自適應(yīng)能力得到增強(qiáng)，至此完成基于OS2構(gòu)架的主網(wǎng)新能源安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1 準(zhǔn)備過(guò)程

為了驗(yàn)證基于OS2架構(gòu)的主網(wǎng)新能源安全控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，比較了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)(文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5])對(duì)母線電壓沖擊的抑制程度。具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

該試驗(yàn)主要針對(duì)安全控制情況，在上述實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，只考慮直流母線電容變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，暫不考慮直流線路阻抗。實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的具體相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

為保證實(shí)驗(yàn)安全，需要維持DC-AC 變流器的正常運(yùn)行，則母線電壓必須維持在規(guī)定范圍內(nèi)。由表2當(dāng)中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)得知，主網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍在±10%，DC-AC變流器輸出線電壓有效值應(yīng)為：

式(5)中，U0表示規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)電壓；L表示濾波；Imax表示額定電流。

采用1200V耐壓等級(jí)的IGBT器件，允許直流母線工作電壓的最高值范圍在800V-900V之間，主板具體結(jié)構(gòu)設(shè)置情況如圖4所示。

由參數(shù)設(shè)置表中的數(shù)據(jù)能夠得知，將主網(wǎng)額定線電壓設(shè)置為380V，DC-AC 變流器額定容量為30kVA 時(shí)，則能夠允許母線電壓安全工作的范圍在720V-800V 之間。按照表中所設(shè)置的直流母線電壓正常運(yùn)行數(shù)值，則其允許波動(dòng)范圍在-4%～6.7%之間。

4.2 結(jié)果討論

將所設(shè)計(jì)的安全控制系統(tǒng)設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，常規(guī)安全控制系統(tǒng)分別設(shè)置為對(duì)照1組與對(duì)照2組，為保證實(shí)驗(yàn)變量唯一，下述三組實(shí)驗(yàn)中的直流母線電容量取額定值0.01F，利用計(jì)算機(jī)程序，模擬主網(wǎng)直流負(fù)荷供電情況，暫態(tài)情況為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和超級(jí)電容器組均通過(guò)DC-AC模塊從5A充電切換為15A放電控制，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5對(duì)比結(jié)果可知，對(duì)照1組在儲(chǔ)能單元的充放電切換控制中，母線電壓的波動(dòng)值最高時(shí)達(dá)到789V，且由789V恢復(fù)到750V所花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)；對(duì)照2組的電壓波動(dòng)最高數(shù)值為757V，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短至100ms左右；該系統(tǒng)對(duì)暫態(tài)時(shí)直流母線電壓沖擊的抑制效果，雖然優(yōu)于對(duì)照1組，但這兩者在儲(chǔ)能單元的充放電切換控制中，其DC-AC雙向變流器功率輸出由-7.5kW 突變至9kW 左右，極有可能引起DC-AC 變流器輸出電流矢量，與電網(wǎng)電壓矢量夾角的變化，使電流環(huán)動(dòng)態(tài)性能受到影響，削弱安全控制效果；實(shí)驗(yàn)組在此基礎(chǔ)上，利用OS2 架構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)性能，與對(duì)照2組相比，母線電壓的沖擊力進(jìn)一步減弱，數(shù)值保持在754.5V左右。

5 結(jié)束語(yǔ)

受自然因素的影響，新能源發(fā)電具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，可能引發(fā)安全問(wèn)題，甚至惡化運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出基于OS2構(gòu)架的主網(wǎng)新能源安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，考慮到可再生新能源發(fā)電的區(qū)間分布，將OS2構(gòu)架，應(yīng)用到主網(wǎng)新能源安全控制當(dāng)中，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)加以優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)對(duì)照結(jié)果表明，將OS2架構(gòu)，應(yīng)用于主網(wǎng)新能源安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，使母線電壓的波動(dòng)更加穩(wěn)定，常規(guī)的安全控制系統(tǒng)在運(yùn)行中可能會(huì)受到電流環(huán)死區(qū)效應(yīng)的影響，導(dǎo)致DC-AC變流器的實(shí)際輸出電壓誤差產(chǎn)生突變，而利用OS2 架構(gòu)對(duì)其改進(jìn)后，能夠有效避免這一問(wèn)題的發(fā)生，使母線電壓沖擊由789V 降低至754.5V，且縮短了調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)，提高了用戶體驗(yàn)，希望上述研究?jī)?nèi)容能夠?yàn)樾履茉搭I(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。