基于树莓派的微型SCADA可再生能源管理系统在微电网中的实验研究

摘要

可再生能源管理系统（REMS）是一种能够通过微电网监控电力的设备。该系统的目的是优化来自可再生能源的电力使用，从而减少从电网获取的电力需求。为实现这一目标，当可再生能源产生的电力高于负载需求时，该设备将使负载功率需求完全由可再生能源供电，同时多余的电力将存储在电池中，以便在需要时使用。当可再生能源产生的电力无法满足电力需求时，电力将由可再生能源和电网共同供应。该设备使用功率表记录通过微电网的所有电力流动。为了管理微电网中的电力流动，该系统采用继电器模块。用户可以查看特定时间段内的能耗（负载消耗）和发电量（可再生能源产生），从而能够在合适的时间开启负载。

1. 引言

电能已成为人类所需的主要资源之一。2013年，印度尼西亚人均需要764千瓦时的电力，并预测将持续增长。电厂使用的主要燃料是煤炭。如果我们假设没有新的煤炭资源被发现，煤炭将在72年内耗尽。按照这一速度，人们必须找到一种方法来优化可再生能源的利用。作为一个位于赤道线上的地区，印度尼西亚拥有巨大的可再生能源潜力，尤其是太阳能和风能。然而，目前仅安装了1.96兆瓦风电场和19.2太阳能电站，尽管风能潜力可达970兆瓦，太阳能潜力可达4,80千瓦时/平方米/天2/日[1]。这种情况是由于可再生能源的可用性不可持续所致。这意味着可再生能源资源无法很好地满足负载需求。

2. 方法

可再生能源管理系统在可再生能源资源产生的能量超过负载需求时，将用可再生能源完全满足负载需求，并储存多余的能量。如果可再生能源资源无法完全满足负载需求，则由电网[2]进行补充。该系统算法如图1所示。该设备使用由电压传感器模块和电流传感器模块组成的功率表。为了管理功率流动，该设备采用继电器模块。因为可再生能源产生的是直流电，而负载需求是交流电，因此该系统必须安装电源转换器，如图2所示。

2.1 Power mater

为了运行该算法，系统需要知道每个点的功率值（可再生能源产生量和负载消耗量）。为了确定该值，该设备检测每个点的电压和电流，然后控制器使用公式1来确定功率值。

$$ P = V \cdot I $$ (1)

ACS712模块用于检测电流值。为了检测交流电压值，该设备使用ZMPT101b模块，而对于直流电则使用分压器。ACS712电流传感器连接在电源和负载之间，用于测量流经负载的电流。该电流传感器基于霍尔效应原理。该原理指出，当载流导体置于磁场中时，会在其两侧产生垂直于电流方向和磁场方向的电压（图3、图4和图5）。所产生的电压称为霍尔电压，单位为微伏[3]。ZMPT101B是一种电压传感器，用户需通过调节电位器设置参数[4]。

2.2 用于主控制器的树莓派

树莓派是由树莓派基金会开发的单板计算机。与其他计算机类似，树莓派可以执行各种任务（如创建文档、播放媒体、浏览网页等）。它的一个强大特性是GPIO引脚，这使得树莓派能够进行物理计算。GPIO引脚可以连接传感器（例如ACS模块）或执行器（例如继电器模块）[5]。用于设备间通信的树莓派编程语言是Python。这些平台均为自由开源软件，因此整体实施成本较低且易于配置[6]。但由于树莓派只能读取数字输入，而本项目使用了模拟传感器，因此必须添加模数转换器。树莓派的GPIO引脚与该设备中其他组件之间的连接如图6所示。

2.3 电源转换器

该设备采用并网逆变器，可自动与电网同步，从而使可再生能源资源与电网协同工作。这意味着可再生能源资源产生的电能将输送至电网，而电网则为负载需求提供电源。该系统将优化可再生能源的使用，并防止负载出现欠压情况。该设备还配备了纯正弦波逆变器，可在必要时将储能系统的直流电源转换为交流电源，供负载使用（电网断电时作为备用系统）。纯正弦波逆变器是分布式发电（DG）系统中被工业和私人领域广泛采用的最具代表性的技术之一[7]。

并网逆变器的输出电压应满足一些固定要求，以便能够向公用电网[8]供电。要求如下（图7和图8）：
i. 并网逆变器的输出电压幅值应与电网幅值相同。
ii. 逆变器的频率应与电网频率相同（孟加拉国为50赫兹）。
iii. 逆变器的相位应与电网相位匹配

3. 结果与讨论

组装完成后，可再生能源管理系统如图9所示。

该设备传感器经过测试以获取此性能。电压和电流传感器的结果如图10、图11和图12所示。
测试分压传感器时使用了直流电源，分压器在10VDC至14VDC范围内进行测试。测试 ZMPT101b时使用了可变交流电源（variac），该模块在180VAC至240VAC范围内进行测试。
为了测试ACS712模块，将一些负载并联后由电网供电，并逐一开启（图10）。

在10VDC至14VDC范围内，分压器在10VDC点的误差最大，但该误差低于5%，因此可以忽略。ZMPT101b模块在180VAC至240VAC范围内测试，各点误差均低于2%。然而，当电流低于1.5A时，ACS712模块的误差超过5%（见图11和图12）。该误差可通过重新计算程序中的读数公式来减小。但由于某些传感器输出非线性，无法确定适用于宽范围的公式[9,10]。

4. 结论

可再生能源管理系统在某些物理参数点上性能良好，但在其他点上性能下降。因此，有必要估计该设备将在哪个点工作。在得到点估计公式后，必须根据该公式编写程序以控制传感器读取物理参数的值。