智能微網(wǎng)并網(wǎng)仿真實驗系統(tǒng)的構(gòu)建方法

黃飛騰, 翁國慶, 謝路耀

(浙江工業(yè)大學 信息工程學院, 浙江 杭州　310023)

?

智能微網(wǎng)并網(wǎng)仿真實驗系統(tǒng)的構(gòu)建方法

黃飛騰, 翁國慶, 謝路耀

(浙江工業(yè)大學 信息工程學院, 浙江 杭州310023)

提出并實現(xiàn)了一種新能源智能微網(wǎng)并入配電網(wǎng)的仿真實驗系統(tǒng)構(gòu)建方法。該仿真實驗系統(tǒng)能與智能微網(wǎng)實驗室、電氣自動化實驗室的實際設(shè)備相互配合,解決了無法對實際電網(wǎng)進行危險性實驗的難題。探討了該仿真實驗系統(tǒng)在科研中的應用及其對探索型實驗教學改革的助益。通過實驗教學實踐表明,該仿真實驗系統(tǒng)為新興特色專業(yè)的建設(shè)提供了較好的支撐,促成了多項國家級和省部級成果,所提出的構(gòu)建方法具有較好的推廣性。

仿真實驗系統(tǒng)； 智能微網(wǎng)； 特色專業(yè)建設(shè)； 新能源發(fā)電

為響應國家“十三五”規(guī)劃和新能源戰(zhàn)略,引導電氣類人才培養(yǎng)適應新時期發(fā)展需求[1-2],關(guān)于智能微網(wǎng)和新能源發(fā)電技術(shù)的研究已成為浙江工業(yè)大學電氣專業(yè)建設(shè)的重要內(nèi)容。分布式電源和智能微網(wǎng)并入電網(wǎng)已成為當前國內(nèi)外的研究熱點[3-4]。然而,為保證實際電網(wǎng)的可靠運行,任何可能對電網(wǎng)產(chǎn)生危害的實驗均不得直接在實際電網(wǎng)上操作[5-6]。

我校已建設(shè)了兩個重要的電氣實驗室——智能微網(wǎng)實驗室和電力系統(tǒng)自動化實驗室,且兩者已實現(xiàn)互聯(lián)和并入實際電網(wǎng)。但是,它們的并網(wǎng)實驗僅限于測量穩(wěn)態(tài)電力數(shù)據(jù)和進行一些安全的電力常規(guī)操作實驗,無權(quán)進行嚴重的短路故障、沖擊負荷投切等危險性實驗,而后者恰恰是科研創(chuàng)新和電氣專業(yè)高等教育的迫切需要和實驗支撐[7-8]。

筆者提出了一種智能微網(wǎng)并網(wǎng)仿真實驗系統(tǒng)的構(gòu)建方法。該仿真實驗系統(tǒng)基于Matlab仿真軟件,包含了智能微網(wǎng)與電力系統(tǒng)的各重要組成部分。其穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)模擬了我校實際的智能微網(wǎng)和PS-5G小型電力系統(tǒng)的互聯(lián)和并網(wǎng)情況,并且能進行危險性實驗,可進行故障保護、自愈恢復、智能診斷、新能源技術(shù)等電氣暫態(tài)實驗。

1　仿真實驗系統(tǒng)構(gòu)建方案

仿真實驗系統(tǒng)的構(gòu)建思路是:圍繞特色專業(yè)建設(shè),以智能微網(wǎng)實驗室和電力系統(tǒng)自動化實驗室為基礎(chǔ),以各種電網(wǎng)智能化裝置、電動汽車和諧波分析儀等先進實驗設(shè)備為基礎(chǔ),構(gòu)建系統(tǒng)化的整體設(shè)計方案。仿真實驗系統(tǒng)的功能設(shè)計目標是:不僅能模擬智能微網(wǎng)并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài),而且能仿真多種具有沖擊性和危險性的電氣測試暫態(tài)實驗。

智能微網(wǎng)并網(wǎng)仿真實驗系統(tǒng)的設(shè)計分為兩大部分:(1)分布式電源(DG)并入電網(wǎng)的外部拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計；(2)分布式電源內(nèi)部智能微網(wǎng)的設(shè)計。主要設(shè)計內(nèi)容包括:電網(wǎng)模型、智能監(jiān)測裝置模型、風力發(fā)電模型、光伏發(fā)電模型、儲能系統(tǒng)模型、內(nèi)部動態(tài)負荷模型。

1.1外部拓撲結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)的外部拓撲結(jié)構(gòu)主要由電網(wǎng)模型、智能監(jiān)測裝置模型兩部分組成,如圖1所示。

電網(wǎng)模型包含了公共網(wǎng)并網(wǎng)節(jié)點(PCC)、通用母線(BUS)、輸電線路(Line)、斷路器(QF)、發(fā)電機(G)、節(jié)點負荷(SL)、動態(tài)負荷(SD)等電氣設(shè)備。智能監(jiān)測裝置模型(PQM)包含了電氣工頻信號的智能監(jiān)測、波形測量和數(shù)據(jù)共享通信等一系列監(jiān)測功能。此外,還有DG外部模型的并網(wǎng)。

圖1　分布式新能源并入電網(wǎng)的外部拓撲結(jié)構(gòu)圖

上述組成模型或器件,少有現(xiàn)成的完備模塊,需要利用Matlab的基本元件搭建、模塊化制作而成,構(gòu)建方法如下。

PCC和通用母線需要通過分別短接三相電阻的ABC三相,從短接線上拉出若干連接點,模塊化制作為電氣母線(Bus)。

供電線路(Line)由2個三相線路模塊(Branch)串接制作而成,再從串接線上引出連接點,作為故障、干擾源(fault)等的連接通道,通過修改Branch的阻抗參數(shù),實現(xiàn)調(diào)節(jié)故障等接入點的位置。

電源(G)被設(shè)計成簡單和復雜兩種模型。簡單模型由三相電源與變壓器組合而成,可設(shè)置其容量、頻率、內(nèi)阻抗等參數(shù),用于入門級教學場景；而涉及到發(fā)電機動態(tài)性能實驗時,需要用復雜模型[9],先按照發(fā)電機動態(tài)過程的數(shù)學模型,包括電壓方程和運動方程建模,再用Matlab語言編程,最后轉(zhuǎn)換成基本運算模塊組合成復雜電機模型。

智能監(jiān)測裝置(PQM)也稱電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，其模型是由電壓電流測量模塊、功率測量模塊和示波器模塊連接組成,能完成三相電壓、電流和功率等數(shù)據(jù)及波形的實時監(jiān)測。

節(jié)點負荷由三相RLC負載模塊制作,而動態(tài)負荷在PLC可調(diào)負載的基礎(chǔ)上,并接了旋轉(zhuǎn)電動機模塊。

分布式電源(DG)是封裝了風力發(fā)電、光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)等豐富內(nèi)容的智能微網(wǎng)外部模型。

主要模塊的接線以及結(jié)構(gòu)如圖2所示:

圖3是用PQM監(jiān)測到“電壓暫降事件”實驗中的電壓、電流、有功功率和無功功率波形。

圖2　主要模塊的外部接線以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3　危險性實驗時監(jiān)測到的仿真波形

1.2智能微網(wǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

智能微網(wǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)和內(nèi)部負荷等部分。

風力發(fā)電系統(tǒng)由6個風機模塊(wind generation)與風機控制器組成，模擬3臺600 W水平軸風力發(fā)電機和3臺600 W垂直軸風力發(fā)電機。通過6只風機控制器將風機模型發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換成直流電并連接到直流母線上,直流母線輸入到蓄電池組,蓄電池組再經(jīng)一臺4 kW的風機逆變器連接到微電網(wǎng)母線。

光伏發(fā)電系統(tǒng)由64個光伏電池組件和光伏逆變器組成,總?cè)萘繛?2.4 kWp。光伏組件分4路接入光伏逆變器直流側(cè),經(jīng)過逆變成為交流電,再連接到微電網(wǎng)母線。光伏電池組件是由Matlab中的基本元件按照單個光伏電池的物理特性,搭建成類似于小型光控電流源的光伏電池板[10-11],模擬195 Wp單晶A級板光伏組件。它不但能分析光伏電池隨著光照強度和溫度不同而變化的I-U和P-U非線性特性,并可仿真光伏電池工作在最大功率點以及穩(wěn)定工作區(qū)域時的線性關(guān)系。

儲能系統(tǒng)由大容量電池和雙向整流逆變器組成。總?cè)萘?6.8 kW·h,由192只單體200 A·h的電池模塊連接而成,電池串額定電壓384 V,經(jīng)過雙向整流逆變器連接到400 V微電網(wǎng)母線。

風機控制器、光伏逆變器、雙向整流逆變器等模型是由Matlab元件庫中的晶閘管等電力電子器件搭建而成的,用于“交直流轉(zhuǎn)換”的整流、逆變控制回路[12-13]。

監(jiān)控系統(tǒng)由智能微網(wǎng)內(nèi)部多處設(shè)置的PQM完成電能質(zhì)量的監(jiān)測,由斷路器完成回路的通斷。內(nèi)部負荷包括電動汽車、手機充電樁、空調(diào)、照明、可調(diào)RLC、動態(tài)阻抗等各類負荷設(shè)備的等效模型。

智能微網(wǎng)的內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。采用單母線主接線形式,電壓等級400 V。一個進線回路通過PCC快速開關(guān)將微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)相連,8個出線回路連接各大系統(tǒng)和各類負載設(shè)備。

圖4　智能微網(wǎng)的內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

圖4中各組成部分的Matlab模型按照拓撲結(jié)構(gòu)組成智能微網(wǎng)。各組成部分的內(nèi)部構(gòu)造方法類似于圖2中各種仿真模型。其中,風機模塊如圖5(a)所示,教學樓頂上的風機(見圖5(b))與光伏組件不僅用于科研和教學,還成為了浙江工業(yè)大學的一道風景線。

圖5　風力發(fā)電機模型與實際設(shè)備

所構(gòu)建的仿真實驗系統(tǒng),不僅可用于各種傳統(tǒng)電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)仿真,還可用于智能微網(wǎng)、新能源發(fā)電技術(shù)等熱點技術(shù)的研究。特別是可用于研究新能源DG并入傳統(tǒng)電網(wǎng)對其帶來的各種影響,以及短路、沖擊、事故等電氣危險性實驗的仿真。該仿真實驗系統(tǒng)為科研創(chuàng)新和電氣人才培養(yǎng)提供了良好的實驗條件。

2　科研應用

“智能微網(wǎng)”創(chuàng)新團隊所在的浙江工業(yè)大學信息工程學院有浙江省“重中之重”立項學科,智能電網(wǎng)和新能源發(fā)電是其非常重要的研究方向。智能微網(wǎng)并網(wǎng)仿真實驗系統(tǒng)與實際電氣實驗室建設(shè)相輔相成,為創(chuàng)新團隊順利開展科研工作提供了重要實驗條件保證。

創(chuàng)新團隊利用智能微網(wǎng)并網(wǎng)仿真實驗系統(tǒng)進行了大量仿真實驗,促成了眾多國家級和省部級科研成果。創(chuàng)新團隊主要成員先后主持了7項國家自然科學基金項目，例如:

(1) 面向智能配電網(wǎng)的電能質(zhì)量擾動源自動定位關(guān)鍵技術(shù)研究；

(2) 獨立型微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化配置研究；

(3) 集成非均衡直流源的多電平變流器及其關(guān)鍵控制問題研究；

(4) 適于分布式發(fā)電協(xié)調(diào)控制的WPM配電網(wǎng)通信技術(shù)；

(5) 復雜電能質(zhì)量擾動識別的關(guān)鍵技術(shù)研究。

創(chuàng)新團隊主持了12項省級科研項目，例如:

(1) 復雜陰影條件下光伏陣列高效運行關(guān)鍵技術(shù)的研究；

(2) 分布式在線電能質(zhì)量監(jiān)測儀的研制；

(3) 含電動汽車并網(wǎng)的智能微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究；

(4) 模塊化光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。

創(chuàng)新團隊主要成員申請發(fā)明專利14項,例如:

(1) 計及監(jiān)測可信度的電能質(zhì)量擾動源定位方法；

(2) 一種分布式發(fā)電系統(tǒng)和微電網(wǎng)的電能按質(zhì)定價方法；

(3) 公交電動汽車及其梯次利用電池集群的V2G可用容量評估方法；

(4) 電動汽車動力電池集群可用容量的預測方法；

(5) 基于雙CPU的分布式電能質(zhì)量在線監(jiān)測儀。

創(chuàng)新團隊在國內(nèi)外重要期刊和國際會議上發(fā)表了相關(guān)的學術(shù)論文46篇,例如:

(1) Novel Location Algorithm for Power Quality Disturbance Source Using Chain Table and Matrix Operation(SCI檢索)；

(2) Wide-area time-delay robust damping control for power system (SCI檢索)；

(3) 帶分布式電源的配電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動源定位(EI檢索)；

(4) 光伏陣列多峰最大功率點分布特點研究(EI檢索)。

創(chuàng)新團隊的研究工作得到了同領(lǐng)域研究者的認可。

此外,仿真系統(tǒng)與智能微網(wǎng)的構(gòu)建工作,還促進了校企合作與協(xié)同創(chuàng)新。創(chuàng)新團隊與浙江省電力試驗研究院、溫州電力設(shè)計有限公司等單位在“智能微網(wǎng)技術(shù)”研究上有著良好的合作關(guān)系,可在其海島微網(wǎng)示范基地進行相關(guān)研究實驗。創(chuàng)新團隊還聘請多名國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的專家、學者前來講學和交流,舉辦關(guān)于新能源發(fā)電和智能微網(wǎng)的學術(shù)報告。

3　探索型實驗

基于智能微網(wǎng)并網(wǎng)仿真實驗系統(tǒng)的開放探索型實驗,改變了傳統(tǒng)的實驗教學模式,優(yōu)化了教學手段,讓學生能自主探索、勇于創(chuàng)新。探索型實驗有助于創(chuàng)新人才的培養(yǎng),而且基于仿真實驗系統(tǒng)的電氣實驗排除了傳統(tǒng)強電實驗中存在的設(shè)備損壞和危害人身安全等隱患。

在智能微網(wǎng)并網(wǎng)仿真實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,針對電力系統(tǒng)自動化、繼電保護、供配電技術(shù)、電力系統(tǒng)分析等多門電氣專業(yè)課程,開發(fā)了20項探索型實驗教學項目,其中綜合設(shè)計實驗8項,探索研究實驗12項。表1列舉了其中具有代表性的部分實驗。

表1　主要探索型仿真實驗項目

這一系列的實驗項目,既有簡單的電氣入門實驗,也有逐漸深入的過渡性實驗,還有各類高級的大型設(shè)計實驗,能適用于各層次和水平的本科生和研究生學習和研究。實踐表明,智能微網(wǎng)并網(wǎng)仿真實驗系統(tǒng)使理論和實踐緊密結(jié)合,加強了科學前沿教育,取得了良好的效果。學生的實踐創(chuàng)新能力得到了提高,學校培養(yǎng)出了一批優(yōu)秀的創(chuàng)新型人才。

我校已有不少電氣類專業(yè)的學生在教師指導和實驗系統(tǒng)的輔助下,取得了創(chuàng)新成果，例如國家大學生科技創(chuàng)新項目“基于雙PWM變流控制的風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)研究”、浙江省新苗計劃項目“微網(wǎng)電能質(zhì)量綜合評估及智能診斷方法的研究”、浙江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化項目“市電補償式光伏發(fā)電系統(tǒng)”。創(chuàng)新型人才已多次獲得電子設(shè)計競賽全國一等獎、“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽全國一等獎、大學生“飛思卡爾”杯智能汽車競賽全國一等獎等競賽榮譽。

智能微網(wǎng)并網(wǎng)仿真實驗系統(tǒng)還為特色專業(yè)建設(shè)和教師隊伍發(fā)展提供了重要支撐,例如浙江省新興特色專業(yè)建設(shè)項目、浙江省國際化專業(yè)建設(shè)項目、浙江省財政廳專項電氣專業(yè)能力實踐基地建設(shè)項目和浙江工業(yè)大學實驗教改項目等。一些高水平教師獲得了多項榮譽,例如全國高校青年教師教學競賽工科組二等獎、浙江省高校青年教師教學技能競賽省級優(yōu)秀獎等。

4　結(jié)語

新能源發(fā)電技術(shù)和智能微網(wǎng)已成為浙江工業(yè)大學電氣專業(yè)的重要發(fā)展方向。新能源智能微網(wǎng)并入配電網(wǎng)的仿真實驗系統(tǒng)與智能微網(wǎng)實驗室、電氣自動化實驗室的各種實際設(shè)備相互配合,解決了對電網(wǎng)進行危險性實驗的難題。實踐表明,該仿真實驗系統(tǒng)為科研和教學改革提供了良好的支撐。

References)

[1] 張彩霞,陳惠卿.地方高校電氣工程與自動化專業(yè)創(chuàng)新實踐教學模式[J].實驗室研究與探索,2012,31(8):357-359.

[2] 孫宏國,周云龍,胡國文,等.電氣與新能源省級實驗教學示范中心的建設(shè)與探索[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(10):140-144.

[3] 蘇粟,蔣小超,王瑋,等.計及電動汽車和光伏-儲能的微網(wǎng)能量優(yōu)化管理[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(9):164-171.

[4] 李振杰,袁越.智能微網(wǎng):未來智能配電網(wǎng)新的組織形式[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(17):42-48.

[5] Sumner M,Abusorrah A, Thomas D,et al.Real time parameter estimation for power quality control and intelligent protection of grid-connected power electronic converters [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2014(5):1602-1607.

[6] Mcbee K D,Simoes M G. Utilizing a smart grid monitoring system to improve voltage quality of customers [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2012(3):738-743.

[7] Biswal B,Biswal M, Mishra S,et al. Automatic classification of power quality events using balanced neural tree [J]. IEEE Transactions on Industrial electronics, 2014, 61 (1):521-530.

[8] 王楓,付周興,王清亮,等.PBL在電力系統(tǒng)仿真實驗教學中的應用研究[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(9):156-158.

[9] 許國瑞,王紅宇,劉曉芳,等.同步發(fā)電機不同實用模型的大擾動特性對比研究[J].中國電機工程學報,2012,32(24):67-73.

[10] 胡長武,李寶國,王蘭夢,等.光伏電池簡化數(shù)學模型的Matlab/Simulink仿真研究[J].可再生能源,2013,31(10):20-25.

[11] 田琦,趙爭鳴,鄧夷,等.光伏電池反向模型仿真分析及實驗研究[J].中國電機工程學報,2011,31(23):121-128.

[12] 王宇,熊光煜,王淑紅.三相PWM整流/逆變器的建模與仿真[J].電氣技術(shù),2010(1):33-37.

[13] 張興,余暢舟,劉芳,等.光伏并網(wǎng)多逆變器并聯(lián)建模及諧振分析[J].中國電機工程學報,2011,31(23):336-345.

Construction method of experimental simulation system for grid-connected smart micro-grid

Huang Feiteng, Weng Guoqing, Xie Luyao

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

A construction method of experimental simulation system for grid-connected smart micro-grid is proposed and realized. The experimental simulation system can cooperate with the actual equipment in the laboratory of smart micro-grid and the laboratory of electrical automation, to solve the problems which there is no right to carry out perilous experiments on the actual power grid. Then, the application of the experimental simulation system in scientific research and the experimental teaching reform is discussed. Practice shows that the experimental simulation system can provide a good support for Characteristic Specialized Construction of Zhejiang province. It has promoted a number of national and provincial achievements. The proposed method has good generalization.

experimental simulation system; smart micro-grid; characteristic specialized construction; new energy power generation

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.034

2015- 09- 29

國家自然科學基金項目(51207139)；浙江省新興特色專業(yè)建設(shè)項目(080601)；浙江省教育廳科研項目(Y201431752)；浙江工業(yè)大學2015年校級實驗室工作研究與改革項目“電力系統(tǒng)保護與新能源新實驗項目開發(fā)”；浙江工業(yè)大學校級優(yōu)秀課程建設(shè)項目(YX1403)

黃飛騰(1984—),男,浙江溫州,博士研究生,實驗師,主要研究方向為電力自動化、智能微網(wǎng).

E-mail：hfate@zjut.edu.cn

TM727

A

1002-4956(2016)4- 0123- 05