含分布式新能源的微電網實驗系統建設及應用

趙興勇

（山西大學電力工程系，太原 030013）

智能微電網集信息技術、新能源技術、分布式發電技術等為一體，以專業智慧構建節能高效、綠色環保、安全可靠的電力系統，助力國家堅強智能電網的建設和發展。微電網作為智能電網重要的組成部分，對新能源推廣、節能降耗、降低炭排放具有重要意義[1-2,6]。

我校電氣工程專業類依托我省電力行業快速發展和壯大，有著明顯的行業背景與特色。在山西乃至全國電力行業，有著不可替代的作用。電力系統是現代化技術集成最高的行業之一，對學生知識、技能的要求不斷提高。微電網是電力系統未來的發展方向之一，其是以分布式電源為基礎的小型模塊化、分散式的供能網絡，是發揮分布式發電效益的有效途徑。它不僅能提高供電質量和可靠性，而且能減輕環境和能源壓力，還可以為大電網黑起動提供后備電源，是大電網的有力補充，更是智能電網的重要組成部分。微電網的最大優勢是提高了電力系統面臨突發災難時的抗災能力。大電網中超大型電站與微電網中分散微型電站的結合，可以減少電力輸送距離、降低輸電線路的投資和電力系統的運營成本，削峰填谷，降低電網損耗，降低電價。

多年來，我校一直在推行教育教學改革，學科建設取得長足的進展。目前電氣工程類有“電力系統及自動化”研究生專業及“電氣工程及自動化”本科專業。但我校原有電力專業實驗室偏重教學體系，面對電力系統新技術就顯得不足，主要體現在教師科研水平不高，學生參與分析現場事故能力不夠的現象，鑒于此，通過建立智能微電網運行與控制實驗室，可以給教師提供進行科學研究，學習掌握現代先進電力系統技術的實驗室[3-5]；給學生提供見識現代電力系統實際場景，提高專業實踐能力的基地。目前，國內外不少高校、科研院所在微電網系統平臺研究方面取得一定的成果，如天津大學及浙江電力科學研究院等，這些平臺主要面向科學研究或工程示范，投資比較大。本平臺主要面向本科生、研究生的培養，另外，其的一次、二次系統均有開放接口，滿足不同組網方式及控制策略的研究。

1 實驗系統的設計構建

1.1 系統的組成

1）一次系統的組成

本實驗室的微電網為兩級交流智能微電網架構，包括：由5kW太陽能發電模擬系統、10kW模擬風力發電系統、30kW·h磷酸鐵鋰電池儲能穩定系統、30kW/10s超級電容系統、10kW RLC可控式模擬負載系統、12kW 充電機組成的一級微電網。由5kW 屋頂太陽能發電系統、9.6kW·h鉛酸儲能系統組成的二級微電網。整個微電網系統包含1面網關接口柜、2面微網智能配電柜、1面微網通信柜、1面鋰電池儲能雙向變流柜、1面超級電容儲能雙向變流柜、1套微電網監控及中央控制系統、1套即插即用電能質量在線監測系統、1套一體式故障錄波裝置及微電網專用保護裝置系統等，如圖1所示。

2）二次系統的組成

二次系統包括：1套 MG2500型微電網中央控制及快速測控系統、1套MG1100微電網監控軟件，1套 MG1600微電網控制策略軟件，1套 MG2200微網通訊轉換裝置，1套微網時鐘，1套一體式故障錄波系統，1套電能質量在線監測。

通過配置的通信管理機實現對微電網系統中各設備的通信處理及轉發。包括保護裝置、電力儀表、中央控制單元及快速測控、光伏逆變器、風力逆變器、穩定控制器（PCS）、電池管理系統BMS、超級電容管理系統CMS等，通過后臺監控系統，實現對微電網系統中各設備的運行狀態監視與控制，以及實現對儲能系統、負荷以及模擬新能源電源的協調與優化控制，如圖2所示。

1.2 系統的功能需求

主要功能有：分布式電源特性研究；分布式電源系統設計優化；分布式電源與能量轉換單元的布局優化、選型與設計；分布式電源與能量轉換單元的性能測試；分布式電源與能量轉換單元的并網特性及控制，包括穩態、暫態特性；分布式發電能效對比及能效提高技術研究；儲能電池特性研究；各種儲能形式在微電網中的應用研究；新型儲能電池試驗；儲能逆變器的研究；電動汽車充電技術研究；電動汽車的車網互動（vehicle to grid, V2G）技術；微電網系統的規劃設計；微電網系統的并網、孤島兩種方式及其過渡過程的安全穩定運行；微電網系統的控制、保護與通信；微電網控制策略研究；微電網系統的監控與能量管理；微電網系統的經濟性評估；微電網參與削峰填谷的優化調度技術；微電網系統電能質量管理；微電網系統對大電網系統的影響；電價方案的設計與優化；智能負荷控制與調節措施的研究；用戶需求側管理系統開發與研究；微電網展示技術與方法的研究等，國內在這方面進行了廣泛的研究[7-10]。

1.3 系統的特色

該微電網系統具有如下特色。

1）可以并網、孤網運行，無縫切換，可以多種運行模式相互自動或手動方式切換，一、二級微電網可以分別獨立孤網運行、并網運行及聯動運行。

2）能與大電網并網點的功率大小及方向可調可控。

3）可以快速平滑光伏發電、風機發電、負荷變化等造成的功率波動。

4）配置專用保護裝置，在微電網內部故障、外部故障情況下，均保證其準確、快速動作，使系統安全運行。

5）可實現對接入微電網系統的負荷進行分級管理。

6）具有開放接口，可以接入其他廠家的智能設備。

系統起動后，進入監控畫面，如圖3所示的主要研究方向，智能微電網運行與控制實驗室、風力發電實驗室、新能源實驗室組成聯合實驗室，為創新團隊的科研工程提供了重要的實驗條件。

圖1 智能微電網一次系統圖

圖2 智能微電網二次系統圖

圖3 微電網系統監控圖

2 在科學研究中的應用

北變微電網技術有限公司等單位在智能微電網研究方面有多年的良好合作關系。聘請該領域知名專家學者前來交流和講座，有力提升了微電網研究水平。

利用智能微電網運行與控制實驗室，創新團隊進行了大量的仿真實驗，承擔了多項省部級課題，主要有：

1）多元綠色能源微電網優化集成與智能控制。

2）針對新型微電網的優化控制技術研究。

3）含新能源及電動汽車的微電網優化控制技術研究。

申請專利多項，主要有：

1）一種電動汽車雙向智能充電樁的充放電控制方法。

2）一種具有無功補償功能的V2G充放電裝置。

3）一種含可再生能源的市政路燈與電動汽車充電樁集成裝置。

在國內外重要學術期刊發表論文多篇，主要有：

1）微電網復合儲能的功率容量優化配置。

2）考慮局部陰影的光伏陣列MPPT優化控制策略。

3）考慮電動汽車的微電網復合儲能容量優化配置。

4）含分布式電源和電動汽車的微電網協調控制策略研究。

5）微電網控制策略研究。

此外，還與國網山西省電力科學研究院、北京

3 在教學改革中的應用

智能微電網運行與控制實驗室是學校主要的開放性實驗室，其優化了傳統的實驗模式，讓學生自主設計實驗方案與步驟，鼓勵創新。同時避免了傳統強電實驗中可能造成的人身安全、設備損壞的隱患。

針對電力系統分析、新能源發電、繼電保護、智能供配電等課程，開發了 10多項探索性實驗項目。主要有：含新能源配電網潮流計算，含源配電網繼電保護配置與整定，微電網結構設計、光儲聯合微電網運行分析，電動汽車V2G分析等。

這些實驗理論與實踐結合緊密，開闊了學生的視野，提升了學生的創新能力，不少學生在教授的指導下，取得了一定的成果，如山西省大學生創新創業項目“戶用光儲微電網系統設計”獲得二等獎。

該實驗室的建成為我校電氣工程及其自動化專業特色專業建設和師資隊伍培養提供了重要支撐。

4 結論

該實驗室的建成，不僅能極大地提升學科專業的發展和水平，提高我校電氣工程及其自動化專業及相關專業人才培養質量，而且還將帶來一定的經濟效益和社會效益，主要反映在以下幾個方面。

1）學生受到良好的技能訓練。學生可在本訓練中心接受有關新能源發電技術的訓練，為今后走上工作崗位從事與新能源發電技術有關的工作奠定了扎實的基礎，縮短了學生的適應性。

2）電力行業和地方企業受益。為企業生產提供技術服務，產生一定的經濟效益，實驗室的科研開發功能也將為將來的生產服務產生潛在的經濟效益。同時能夠及時為新能源發電技術及微電網運行控制人員進行培訓。

3）加強與地方院校同行之間的交流及合作水平。為其他地方院校相關專業的師生提供良好的實驗環境，實現優勢資源共享。推進學科發展，提升學科水平，使本學科成為省內的優勢學科，形成省內同行業水平較高的科研教學平臺，以帶動全省在該領域的整體研究水平，更好服務地方經濟。

在后續的建設完善過程中，進一步加強與相關專業及同行院校的交流，多開設一些創新型實驗及跨學科合作，以提高平臺的利用率。

參考文獻

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