智能微網培訓系統初探

隨著各國經濟的發展，能源需求，特別是電能需求也隨之迅速增長。電網的規模也愈來愈大，超大規模電力系統和超大規模網架帶來的弊病也日益顯現。往往為了保證用戶提出的越來越高和越來越多樣化的安全性和可靠性要求，運行成本和運行難度亦與日俱增。在此基礎上，各國都已經在分布式發電的基礎上，開展微電網的研究，各國都立足于本國電力系統的實際問題，提出了能夠適應其自身的微電網概念和發展目標。自從中國開始注重新能源的發展，促進光伏、風能等新興產業的政策不斷出臺，“光明計劃”“金太陽計劃”等各種計劃陸續施行，為企業打入“興奮劑”。無論是新農村建設，還是在城市供電網中，微網正扮演一個越來越重要的角色，并成為中國可持續發展中電網的發展方向。微網是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、相關負荷和監控、保護裝置匯集而成的小型發配電系統，是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，具有電源容量小、電壓等級低、接近負荷中心、運行方式靈活、可聯網也可孤島運行的特點，可靠性高，停電幾率小，還可以解決邊遠地區供電難問題，是最能體現節能、減排、安全、靈活等優點的能源發展方式。

2013年，內蒙古電力（集體）有限責任公司培訓中心教學科研團隊經過多地調研，準備籌建新能源仿真培訓系統；該系統是包含風力發電、光伏發電、電力儲能，并具有微網特性的實際運行系統示范工程，預計2014年5月通過整體驗收。

系統設計構想

該系統主要由分布式電源發電、儲能裝置、交直流負荷、能量管理系統、測控保護裝置和監控裝置匯集而成的智能型的微電網系統。

該系統建成以后可實現：

（1）實現分布式電源、智能儲能系統友好接入電網，實現與配電網并網協調運行。

（2）建成微網運行狀態監控、分布式發電接入微網控制、功率分配調度與發電控制、電能平衡和負載控制的應用平臺。

（3）實現微網雙向潮流環境下控制保護協調工作的系統。

（4）完成分布式光伏電源、儲能系統智能協調工作，成功實現孤島轉并網、并網轉孤島方式的自動切換。

系統設計方案

智能微網系統設計方案

微網系統建設按區域可劃分為微網控制設備室、屋頂光伏系統、室外風力發電等三個區域。最終建成一個包含新能源發電（含使用光伏發電系統、風機發電系統）、儲能裝置（鉛酸電池儲能）、交直流負荷（含模擬負載、普通負荷）、測控保護裝置、能量管理系統匯集而成的微網系統。

微網系統通過微網進線開關和主網連接，有并網運行和孤島運行兩種方式，并可實現功率平滑控制、需求側響應、能效分析等高級功能。微網能量管理系統實現微網主要設備的信息采集、設備控制、狀態監視等功能，可與配網SCADA系統進行有機連接。

該系統平臺為進一步研究微網的穩態分析和數字仿真技術、微網能量管理技術、微網的并網應用和經濟運行理論奠定了基礎。

交互式培訓系統設計方案

交互式培訓系統采用交互式仿真軟件支撐平臺解決分布式仿真培訓系統互操作性、分布性、異構性、時空一致性和開放性問題，具有良好的規模可伸縮性，能夠滿足展示和仿真互動培訓的需要。

交互式可視化仿真支撐平臺由可視化視頻展示、組件化三維建模，數據庫管理、人機交互界面等子系統以及模型庫，為上層各應用提供公共的展示和培訓基礎服務。

同時軟件系統還具有培訓管理系統的功能。包括培訓業務管理、培訓過程管理、系統輔助管理。

系統組成部分

光伏并網發電系統

光伏并網發電系統，含5kW光伏電池和三相光伏并網逆變器。

風力發電系統

風力發電系統，含2kW的風力發電機組和三相變頻器接入微網。

風機控制器系統

風機控制器系統，采用PWM方式控制風機對蓄電池進行限流限壓充電，即在蓄電池電量較低時，采用限流充電。也就是當風機充電電流小于限流點時，風機的能量全部給蓄電池充電。當風機電流大于限流點時，以限流點的電流給蓄電池充電，多余的能量通過PWM方式卸載。在蓄電池電量較高時，采用限壓充電。也就是當蓄電池電壓低于限壓點時，風機的能量全部給蓄電池充電。當蓄電池電壓達到限壓點時，風機會以限壓點對蓄電池充電，多余的能量通過PWM方式卸載。該系統具有完善的保護功能，包括：蓄電池過充電、蓄電池防反接、防雷、風機限流、風機自動剎車和手動剎車。

并網逆變器系統

并網逆變器系統，采用美國TI公司專用DSP控制芯片，主電路采用國際知名的西門康IGBT功率模塊組裝，運用電流控制型PWM有源逆變技術和優質進口高效隔離變壓器，可靠性高，保護功能齊全，且具有電網側高功率因數正弦波電流、無諧波污染供電等特點。

雙向儲能逆變器

雙向儲能逆變器，主要功能和作用是實現交流電網電能與儲能電池電能之間的能量雙向傳遞，也是一種雙向變流器，可以適配多種直流儲能單元，如超級電容器組、蓄電池組、飛輪電池等，其不僅可以快速有效地實現平抑分布式發電系統隨機電能或潮流的波動，提高電網對大規?？稍偕茉窗l電（風能、光伏）的接納能力，且可以接受調度指令，吸納或補充電網的峰谷電能，及提供無功功率，以提高電網的供電質量和經濟效益。在電網故障或停電時，其還具備獨立組網供電功能，以提高負載的供電安全性。

蓄電池

蓄電池，為20塊12V200AH的太陽能專用膠體電池（浮充次數不少于1500次）工作溫度在-40℃～+55℃。具有防水措施，抗腐蝕性能及深循環性能好。

智能微網控制系統

智能微網控制系統，采用武漢日新公司產品，該公司研發的智能微網控制系統為新技術產品，本設備可實現在各種狀態下智能、穩定切換，極大的提高了內部電網的系統安全性。太陽能電力、市電、儲能單元互為備用，負載供電首選太陽能電力，有多余電量則并入電網；儲能單元在電網故障時可滿足負載供電要求；太陽能電力不足時，引入市電對負載進行供電。用電負載供電方式靈活按照電網狀態選擇切換，各供電方式切換平穩迅速，實現了系統安全性的提高和太陽能電力利用最大化。

智能微網控制系統集成監控系統功能，可實時監控光伏控制器、逆變器、光伏陣列等設備，對整個系統的運行情況通過友好的界面實時的顯示出來。主要功能包括：設備自動檢索：新設備一旦被接入系統，會被自動檢索，并顯示在設備列表中；遠程查詢：用戶可以在任何一臺能登陸網絡的PC上實時監控點點的運行情況；系統詳細運行參數：實時顯示光伏控制器、離網逆變器、光伏陣列等的運行參數；故障記錄及報警：通過聲光等手段及時提醒故障，并作記錄；歷史數據記錄：可查詢設備指定時間范圍內的運行參數信息。

RLC交流負載系統

RLC交流負載模擬器作為微網系統三相模擬負載，主要用于測試微網系統對感性、阻性、容性負載的帶載能力以及微網控制策略對于負載變化的響應情況。其接線形式如下圖所示。

能量管理平臺面向各種控制和優化目標，通過對電源出力調節和自動網絡重構實現電網的能量管理?？蓪崿F優化目標包括：

1）平抑波動控制

平抑波動控制主要是指按照一定的策略控制分布式電源系統的發電功率和接入狀態，以保證在滿足負荷需求的前提下盡量多地使用清潔能源，而且同時要保證分布式電源所發電能全部就地消耗，系統也不會向電網反送功率，避免出現逆功率保護動作造成停電。

為了達到這一控制目的，需要在對各分布式電源系統發電的實時功率、負荷消耗功率、光照強度等一系列參數進行實時采集、綜合分析的基礎之上，實時計算得出當前分布式電源發電功率的調節目標，并采用以下手段來實現調節：

遙調：通過遠傳通道下達調節命令，改變分布式電源的發電功率

遙控：控制開關分、合閘以切除或投入該路分布式電源

2）需求側響應

在實時電價基礎上進行需求側響應的研究。通過峰谷電價調節，實現需求側響應調節負荷和分布式電源達到削峰填谷的目的。分布式電源對于電網而言本身具有一定的正調峰特性。而對于微網中的儲能系統而言，在參與削峰填谷時，通常根據負荷的高峰和低谷區域作為電池工作方式切換的邊界點。

3）優化經濟運行

根據電網分時電價與負荷狀況，合理分配光伏系統和風機發電功率、儲能系統充放電狀態，使得整個微網系統實現經濟運行，大大降低運行成本，實現經濟效益最優化。

4）并網與孤島運行模式切換

當市電網發生故障時，微網系統通過斷開并網開關在10ms內將微網從市電解列，同時儲能系統從P-Q模式切換到V-F模式，作為主電源支撐微網的頻率和電壓保持恒定，保證在并網/孤島切換瞬間各級負荷供電不中斷，發電機和光伏系統保持切換前的工作模式繼續發電，并根據負荷需要調節發電功率和投切控制。當市電網恢復正常后，如果檢測到并網開關電網側電壓正常并持續1s，儲能系統、光伏系統和風機系統相繼轉為并網運行。

（作者供職于內蒙古電力（集團）有限責任公司培訓中心）