高比例分布式電源接入配電網(wǎng)的實驗平臺構建

邢作霞， 郭立立， 陳 雷

(沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院， 遼寧 沈陽 110870)

高比例分布式電源接入配電網(wǎng)的實驗平臺構建

邢作霞， 郭立立， 陳 雷

(沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院， 遼寧 沈陽 110870)

針對分布式電源大規(guī)模接入到配電網(wǎng)中對配電網(wǎng)造成廣泛的影響及傳統(tǒng)實驗教學的不足等問題，構建了綜合性、開放性的主動配電網(wǎng)實驗平臺，主要包括交流微網(wǎng)系統(tǒng)、直流微網(wǎng)動模系統(tǒng)、配網(wǎng)動模系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)。介紹了實驗平臺建設的背景、構建方案及實驗平臺用途。該平臺為研究分布式電源接入配電網(wǎng)產(chǎn)生的穩(wěn)定性及能源優(yōu)化系列問題提供了實驗研究支撐，改善了實驗條件，促進了實驗教學的改革，可滿足本科生和研究生實驗探究、課題研究及課程設計等多層次的需求。

主動配電網(wǎng)； 平臺構建； 實驗教學； 科研平臺

大量的分布式電源接入到配電網(wǎng)中時，由于自身的波動性和間歇性，會對配電網(wǎng)的電壓和頻率產(chǎn)生波動，影響供電可靠性，為此電網(wǎng)不得不隔離分布式電源，以減小對電網(wǎng)的沖擊[1-2]。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)結(jié)構不能很好地解決分布式電源的接入問題，因此以微電網(wǎng)作為載體，將分布式電源、儲能、負荷等統(tǒng)一起來，形成一個可控的單元接入到配電網(wǎng)中去，協(xié)調(diào)了配電網(wǎng)和分布式電源間的矛盾[3-5]。但是高比例分布式電源集成到配電網(wǎng)后，仍然會使被動單向供電的配電網(wǎng)產(chǎn)生波動，而主動配電網(wǎng)技術能夠?qū)σ?guī)模化接入分布式電源的配電網(wǎng)實現(xiàn)主動管理，協(xié)調(diào)各分布式電源之間的控制[6]。

1 實驗平臺結(jié)構

與國外相比，我國主動配電網(wǎng)技術研究起步晚，對一些關鍵技術還未成熟，建設主動配電網(wǎng)實驗平臺對展開其技術研究具有現(xiàn)實意義[7]。2015年國家能源局發(fā)布了《關于推進新能源電網(wǎng)示范項目建設的指導意見》，大力推動建設相關實驗平臺[8]。文獻[9]介紹了一些國內(nèi)高校建設的微網(wǎng)實驗平臺，包括天津大學、浙江大學和合肥工業(yè)大學等高校建立了微網(wǎng)實驗室，用于微網(wǎng)關鍵技術的探究及實驗教學。但是與主動配電網(wǎng)相關的實驗平臺還不是很多，通過建設主動配電網(wǎng)實驗平臺，有助于關鍵技術的研究。

現(xiàn)今，大部分學校的實驗教學課程較為死板，不能激發(fā)學生創(chuàng)新思想，實驗設備功能單一，且不可開發(fā)；實驗教學流程模式化，即測量數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)、書寫實驗報告，不能提高學生的實踐能力，對專業(yè)學習起不到太多積極作用。從研究生的層面來看，大部分研究生都采用呆板式的研究方式，單純地閱讀文獻，利用仿真軟件進行論證，缺乏實驗論證，不能做到理論與實踐的相結(jié)合。

為滿足實驗教學改革的要求，順應實踐性實驗平臺建設這一趨勢，構建了本碩共享、開放式、綜合性的主動配電網(wǎng)、微電網(wǎng)實驗平臺，總體結(jié)構見圖1。基于此平臺，可開設微電網(wǎng)、主動配電網(wǎng)相關理論課程與探索性實驗課程，學生自主學習，自主探究實驗，同時也為研究生進行科學實驗提供了優(yōu)良的條件，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力[10-11]。

圖1 實驗平臺總體結(jié)構

1.1 交流微網(wǎng)系統(tǒng)

交流微網(wǎng)系統(tǒng)中包含風機、光伏、儲能電池、超級電容等實際發(fā)電系統(tǒng)，各發(fā)電單元通過變流系統(tǒng)接到電壓為400 V的交流母線上，產(chǎn)生的電能可直接用于負荷消耗。系統(tǒng)中的負荷分為一般負荷、重要負荷、可調(diào)負荷。當系統(tǒng)處于離網(wǎng)模式下，無法承載所有負荷時，可切除可調(diào)負荷和一般負荷，保證重要負荷可靠供電。線路阻抗模擬器可模擬不同長度線路的阻抗。

交流微網(wǎng)系統(tǒng)有離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種運行方式，可以接入配電網(wǎng)，使其處于并網(wǎng)模式，也可以與直流微網(wǎng)構成混合微電網(wǎng)系統(tǒng)，使其處于離網(wǎng)模式。系統(tǒng)依靠實際儲能裝置能夠?qū)崿F(xiàn)離網(wǎng)、并網(wǎng)及無縫切換運行，提高了微網(wǎng)運行的可靠性，為研究分布式電源的協(xié)調(diào)控制技術提供了便利條件。

1.2 直流微網(wǎng)動模系統(tǒng)

直流微網(wǎng)動模系統(tǒng)目標是建設成為一個開放的實驗平臺，采用與Simulink無縫銜接的實時仿真設備作為控制器。系統(tǒng)可分為3部分：第一部分為環(huán)境模擬部分，包含直流電源模擬器、PV模擬器、直流負載模擬器、阻抗模擬器和電池模擬器等，能夠模擬發(fā)電系統(tǒng)和負載的工作特性；第二部分為電能變換部分，主要包括DC/DC、AC/DC、DC/AC變換器和dSPACE實時仿真系統(tǒng)，在dSPACE中搭建變換器的控制模型，根據(jù)控制模型生產(chǎn)PWM驅(qū)動信號來控制各個變換器的運行；第三部分為配電和監(jiān)控部分，環(huán)境模擬部分和電能變換部分通過交直流配電連接組成直流系統(tǒng)，并通過通信線路的連接實現(xiàn)對系統(tǒng)中環(huán)境模擬部分和電能變換部分的監(jiān)控，可實時觀察各部分的運行狀況及參數(shù)。

1.3 能量管理系統(tǒng)

能量管理系統(tǒng)的主要管理對象是微源、負荷和儲能裝置[12]，具有數(shù)據(jù)綜合處理、方案制定、命令發(fā)布，以及控制微電網(wǎng)并網(wǎng)、離網(wǎng)的功能，對整個實驗平臺實現(xiàn)能量調(diào)度，并依據(jù)運行方式制定相應的控制策略。各控制器經(jīng)過通信線路上傳各自的狀態(tài)信息，包括PCC點電網(wǎng)參數(shù)、各微電源輸出特性參數(shù)、斷路器通斷狀態(tài)、負荷的各種電量參數(shù)，經(jīng)過能量管理系統(tǒng)的綜合數(shù)據(jù)處理，制定微電源的投切、工作方式切換、功率輸出等調(diào)節(jié)和斷路器的通斷等控制。然后把這些控制命令發(fā)送至各調(diào)節(jié)裝置，維持微電網(wǎng)的正常運行，實現(xiàn)對微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)的主動管理。

1.4 配網(wǎng)動態(tài)模擬系統(tǒng)

配網(wǎng)動態(tài)模擬系統(tǒng)主要由電網(wǎng)模擬器和實時仿真器組成，電網(wǎng)模擬器的作用是模擬配電網(wǎng)的運行特性和各種工況，包括各種故障情況，這些故障情況在電網(wǎng)系統(tǒng)中并不常見。為了在并網(wǎng)前測試分布式發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)適應能力，需采用電網(wǎng)模擬器來模擬各種形式的故障。實時仿真器對配電網(wǎng)中的分布式電源、儲能設備、負荷及電網(wǎng)系統(tǒng)進行建模和仿真，可在短時間內(nèi)進行工程仿真或者對硬件在環(huán)的實時系統(tǒng)建立動態(tài)模型。

配網(wǎng)動態(tài)模擬系統(tǒng)基于實時仿真機實現(xiàn)配電網(wǎng)的數(shù)字模擬，并利用功率放大器放大模型中的模擬量，模擬配網(wǎng)的多種輸出特性。配電網(wǎng)動態(tài)模擬系統(tǒng)可以進行高比例分布式電源接入配電網(wǎng)的實驗探索，相比其他微電網(wǎng)實驗平臺，該平臺能夠更好地探究分布式電源接入配電網(wǎng)的特性，并且可以在模型上直接觀察到配網(wǎng)產(chǎn)生的全部物理過程，直觀地了解其物理概念，很方便地對配網(wǎng)特性和諸多過程進行定性的研究，為研究微電網(wǎng)及分布式電源并網(wǎng)技術問題提供了可靠的研究環(huán)境。

2 實驗平臺用途

2.1 教學應用

該配網(wǎng)系統(tǒng)是一個綜合性、開放式的實驗平臺，可為學生提供主動配電網(wǎng)和微電網(wǎng)技術的教學實踐，直觀演示主動配電網(wǎng)和微電網(wǎng)在線監(jiān)控界面、系統(tǒng)結(jié)構、系統(tǒng)運行過程等內(nèi)容，使學生直觀地了解主動配電網(wǎng)和微電網(wǎng)的基本概念、監(jiān)控架構、組網(wǎng)結(jié)構等知識。基于該實驗平臺，增設了一些與平臺相關的理論課程，不僅完善了電氣專業(yè)學生的理論課程教學，還為實踐教學打好基礎，擴大了學生的知識面。增設的理論課程見表1。

表1 增設的理論課程

依據(jù)該平臺不僅豐富了理論課程，還能對實驗教學起到促進和創(chuàng)新作用，打破傳統(tǒng)的實驗授課方式，增設探究性實驗和課程設計等。平臺可進行的實驗項目見表2，相同的實驗項目由于實驗深度不同可滿足不同層次的教學與研究需求。

表2 實驗項目

該平臺改變了傳統(tǒng)的實驗課程模式，讓學生自主動手、自主探究，充分利用平臺的軟件與硬件，進行探索性、創(chuàng)新性的實驗教學，并支持學生畢業(yè)設計等教學環(huán)節(jié)。從理論教學、實驗教學、創(chuàng)新實踐3個方面，實現(xiàn)了教學資源共享、第一第二課堂貫通，促進了學生在知識、能力和素質(zhì)等方面的全面發(fā)展。

2.2 科研應用

平臺能進行的科學研究可從各子系統(tǒng)內(nèi)展開，也可以從各子系統(tǒng)間展開，研究內(nèi)容多樣、有層次，為研究生、博士生開展科學研究、理論創(chuàng)新提供了重要保證。良好的科研平臺可縮減關鍵技術研究的周期，較少的人力和財力的投入，有助于研究成果的形成，提高科學研究水平。表3為可進行的部分科研項目。

表3 科研項目

表3(續(xù))

3 結(jié)語

本文闡述了主動配電網(wǎng)實驗平臺的構建，介紹了各個系統(tǒng)及平臺用途。良好的實驗平臺是提升學生實踐能力的重要保障，對科學實驗研究起到促進作用，不再局限于呆板式的實驗教學和科學研究，更多地激發(fā)了學生創(chuàng)新想法，擴大了電氣專業(yè)學生的認知范圍，為本科生和研究生的實驗教學、實驗驗證提供了優(yōu)越的條件。本實驗平臺對其他微網(wǎng)、主動配電網(wǎng)實驗平臺的建設具有實際參考價值。

References)

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Construction of experimental platform for high proportion distributed power supply connecting to distribution network

Xing Zuoxia, Guo Lili, Chen Lei

(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Aiming at the problems such as the wide effect caused by the large-scale connection of the distributed power supply to the distribution network on the network, the shortcoming of the traditional experimental teaching, etc., an experimental platform for a comprehensive and open active distribution network is established, which mainly includes the AC micro grid system, the dynamic simulation system of DC micro grid, the dynamic simulation system of distribution network and the energy management system. The background, the scheme and the utilization of the experimental platform construction are introduced. This platform provides the experimental support for the study of the issues about the stability caused by the connection of the distributed power supply to the distribution network, about the energy resourse optimization, etc., which improves the experimental condition, promotes the reform of experimental teaching and meets the multi-level needs of undergraduate and graduate students for experimental research, project research, curriculum design, etc.

active distribution network; platform construction; experimental teaching; scientific research platform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.022

2016-12-08

國家能源局基于分層儲能的主動配電網(wǎng)應用示范項目(NY20150303)

邢作霞(1976—)，女，河南新鄉(xiāng)，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為風力發(fā)電技術及智能電網(wǎng).

E-mail：xingzuox@163.com

TM72；G484

B

1002-4956(2017)06-0090-03