新能源微電網(wǎng)綜合實驗平臺及教學(xué)研究

宋關(guān)羽， 王智穎， 李 鵬， 于 浩

(1. 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室(天津大學(xué))，天津 300072；2. 電氣與自動化國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心(天津大學(xué))，天津 300072)

0 引言

微電網(wǎng)是指由分布式發(fā)電裝置、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負載以及監(jiān)控保護裝置組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，既可以孤島運行，又能在并網(wǎng)時作為配電網(wǎng)中的電源和負荷，在一定區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)自我控制、保護和管理等功能[1]。近年來，微電網(wǎng)以其靈活性和經(jīng)濟性方面的優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和研究。

借鑒國內(nèi)外微電網(wǎng)實驗平臺和示范工程的先進建設(shè)理念及經(jīng)驗，建成了一套集成多種分布式發(fā)電設(shè)備的微電網(wǎng)綜合實驗平臺，結(jié)構(gòu)靈活、運行方式多樣[2]。平臺配置有綜合監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、保護控制系統(tǒng)等，具有裝備完備、通用性與擴展性強等特點。

新能源微電網(wǎng)綜合實驗平臺可用于開展研究生與本科生的分布式電源、微電網(wǎng)相關(guān)課程教學(xué)實踐。學(xué)生通過開展各類分布式電源、微電網(wǎng)技術(shù)實驗，了解相關(guān)技術(shù)及其發(fā)展方向，掌握分布式電源的基本運行原理、微電網(wǎng)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及運行控制等。借助該實驗平臺，開展多種形式的分布式電源運行特性、并離網(wǎng)切換、控制器設(shè)計、能量管理策略驗證等專業(yè)實驗，綜合運用所學(xué)知識，全面提升學(xué)生動手實操能力，做到課程理論與專業(yè)實踐有機結(jié)合，從而全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)與能力。

1 實驗平臺設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)與硬件組成

新能源微電網(wǎng)綜合實驗平臺是一個低壓400V交流微電網(wǎng)實驗平臺，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)內(nèi)包括六條交流母線和六條模擬線路，用以連接多類型分布式電源和儲能設(shè)備，組成微電網(wǎng)主要拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1 微電網(wǎng)綜合實驗平臺結(jié)構(gòu)圖

該實驗平臺中包含了多種分布式電源，如光伏(單晶硅、多晶硅、薄膜、太陽能跟蹤式光伏)、風(fēng)機(雙饋、永磁直驅(qū))、燃料電池(質(zhì)子交換膜)、微型燃氣輪機等。實驗平臺中接有多種功率型和能量型儲能設(shè)備，前者如飛輪儲能和超級電容，后者有鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、壓縮空氣儲能等。實驗平臺中還有三組干式負荷，均可作為阻性、感性或容性負荷使用。具體分布式電源及儲能設(shè)備分類及參數(shù)如表1所示。

表1 微電網(wǎng)設(shè)備和參數(shù)

1.2 集中式管理系統(tǒng)設(shè)計

綜合實驗平臺采用遠程操作的、可視化的集中式管理系統(tǒng)CMS(centralized management system)進行模塊化管理，主要功能可分為四部分：①SCADA；②保護與控制；③模式控制；④能量管理。

測控單元實現(xiàn)與底層分布式電源及儲能系統(tǒng)接口、網(wǎng)絡(luò)通信，配合具有高速采樣頻率的故障錄波分析裝置，分別用于采集、儲存分布式設(shè)備、微電網(wǎng)匯流母線、聯(lián)絡(luò)線的慢動態(tài)、快動態(tài)運行數(shù)據(jù)。GPS模塊與時間同步裝置相連，通過前置機對數(shù)據(jù)整合并，統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集時標(biāo)。

微電網(wǎng)保護與控制系統(tǒng)針對微電網(wǎng)綜合實驗平臺內(nèi)分布式電源和儲能系統(tǒng)具有接入種類豐富、拓撲結(jié)構(gòu)靈活多變、運行方式多樣化的特點，采用基于多種保護原理的綜合配置方案，利用對各種保護定值和延時的不同設(shè)置，實現(xiàn)各原理間及保護裝置之間的相互配合，有效保障微電網(wǎng)工作于不同運行方式下，正確切除各種故障。

模式控制器主要用于微電網(wǎng)模式切換，在微電網(wǎng)孤島、并網(wǎng)運行模式切換時，該設(shè)備采用主動控制分布式電源變流器，調(diào)整微電網(wǎng)與配電網(wǎng)兩端的電壓差、頻率差和相角差，實現(xiàn)微電網(wǎng)自同期并網(wǎng)控制，可自動或手動閉合并網(wǎng)點開關(guān)，實現(xiàn)微電網(wǎng)運行模式切換。

用戶工作站具備面向?qū)ο蟮摹㈤_放型、分布式大容量數(shù)據(jù)庫平臺，具有可視化的操作界面，主要功能包括：實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢服務(wù)、歷史儲存與查詢、運行模式選擇等。系統(tǒng)支持在線修改，可為中央控制器的能量管理功能提供可靠的實時通信服務(wù)。

中央控制器通過以太網(wǎng)通訊方式與用戶工作站進行交互，實現(xiàn)全網(wǎng)運行實時監(jiān)測。內(nèi)置的能量管理系統(tǒng)根據(jù)光伏發(fā)電預(yù)測、分時電價信息、上網(wǎng)功率閾值、負荷優(yōu)先級、儲能系統(tǒng)SOC等狀態(tài)，優(yōu)化調(diào)度指令，對分布式設(shè)備運行進行優(yōu)化控制，集中式管理系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 集中式管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

集中式管理系統(tǒng)內(nèi)各功能模塊具備獨立運行能力，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能完善，滿足微電網(wǎng)物理模擬仿真實驗平臺內(nèi)運行狀態(tài)實時監(jiān)控、故障事故記錄等功能的要求，確保微電網(wǎng)實驗平臺安全、可靠、高效運行，為理論教學(xué)和實驗研究提供基礎(chǔ)支撐性作用。

2 實驗平臺運行模式

微電網(wǎng)實驗平臺具有拓撲易重構(gòu)的特征，通過改變匯流母線和聯(lián)絡(luò)線路組合方式，能夠構(gòu)成多達43種拓撲結(jié)構(gòu)。列舉部分拓撲如表2所示。

表2 微網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

分布式電源和儲能系統(tǒng)也可以在某一拓撲結(jié)構(gòu)下靈活接入，從而形成不同的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，滿足探索性理論研究與教學(xué)實踐需求。根據(jù)不同的研究需求，針對不同的運行場景，改變分布式電源和儲能的接入種類和規(guī)模，可形成不同的運行方式。按規(guī)模可將運行方式分為三類：單元級(單臺分布式電源或儲能設(shè)備)、單母線級(多臺分布式電源或儲能接在同一母線下)和多母線級(多臺分布式電源或儲能接在不同母線下)。

2.1 單元級結(jié)構(gòu)

單元級結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中只含有一臺分布式電源或儲能設(shè)備。該拓撲可用于對分布式發(fā)電設(shè)備進行物理仿真，模擬不同工況(如并離網(wǎng)、輕重載、正常運行故障)并進行各參數(shù)測量，進而分析不同種類的分布式電源及儲能的工作原理、控制方式及運行特性(如U-I輸出外特性、暫態(tài)過程響應(yīng)速度、能效等)。

圖3 單元級結(jié)構(gòu)

2.2 單母線級結(jié)構(gòu)

單母線級結(jié)構(gòu)拓撲如圖4所示，多種分布式發(fā)電/儲能裝置以及負荷被連接至同一母線上。由于分布式發(fā)電與儲能裝置的動態(tài)特性通常各不相同，各裝置間的相互作用會對微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生較大影響[3]。因此這種拓撲可用于分析、調(diào)節(jié)微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行和孤島運行條件下的協(xié)同控制方式與能量管理策略，在確保微電網(wǎng)運行可靠性基礎(chǔ)上對其進行優(yōu)化。

圖4 多源單母線級結(jié)構(gòu)

2.3 多母線級結(jié)構(gòu)

多母線級結(jié)構(gòu)如圖5所示，該系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)由六段線路和六條母線組成。該系統(tǒng)運行方式為一套多微電網(wǎng)系統(tǒng)。其中有多臺設(shè)備作為主電源運行，將配電網(wǎng)側(cè)開關(guān)打開后，整個微電網(wǎng)可孤島運行，此時多臺主電源通過主從或?qū)Φ鹊姆绞絽f(xié)調(diào)運行。微電網(wǎng)還能夠進一步解列成三個孤島運行的微網(wǎng)。在該運行方式下，可進行多個微電網(wǎng)并網(wǎng)、孤島切換，解列、并列運行實驗。

圖5 多源多母線級結(jié)構(gòu)

3 教學(xué)實驗設(shè)計

3.1 分布式電源運行特性驗證實驗

分布式電源種類繁多，運行特性也不盡相同，接入微電網(wǎng)后，必然對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行控制帶來影響[4]。分布式電源按照并網(wǎng)方式可以分為逆變型電源、同步機型電源和異步機型電源，其中大部分為基于電力電子技術(shù)的逆變型電源。對分布式電源運行特性進行分析、驗證是研究微電網(wǎng)運行特征的基礎(chǔ)與前提[5]。

分布式電源運行特性分析與驗證實驗可以在微電網(wǎng)的單元級拓撲上進行。本實驗平臺可開展光伏(單晶硅、多晶硅、薄膜、太陽能跟蹤式光伏)、風(fēng)機(雙饋、永磁直驅(qū))、燃料電池(質(zhì)子交換膜)、微型燃氣輪機等分布式電源運行特性驗證實驗。通過實驗平臺對分布式發(fā)電設(shè)備進行物理仿真，模擬不同工況(如并離網(wǎng)、輕重載、正常運行故障)并進行各參數(shù)測量，進而分析不同種類分布式電源的工作原理、控制方式及運行特性(如U-I輸出外特性、暫態(tài)過程響應(yīng)速度、能效等)。通過對分布式電源運行特性的分析和驗證，有助于學(xué)生直觀掌握其工作特性及原理，為后續(xù)實驗開展奠定基礎(chǔ)。

3.2 并網(wǎng)逆變器控制策略設(shè)計實驗

不同類型的分布式電源在微電網(wǎng)中所起的作用往往不同，其并網(wǎng)逆變器的控制策略也不盡相同。常見的并網(wǎng)逆變器控制策略主要有：恒功率控制(PQ控制)、恒壓/恒頻控制(V/f控制)和Droop控制。

掌握3種控制模式的基本原理，分別測定3種控制模式下分布式電源輸出功率曲線。通過修改控制器策略與參數(shù)，驗證不同的控制效果，從而增強對分布式電源并網(wǎng)特性的理解與認識。

3.3 并離網(wǎng)狀態(tài)切換實驗

微電網(wǎng)一般應(yīng)具備兩種常態(tài)運行模式，即獨立運行模式和聯(lián)網(wǎng)運行模式，微電網(wǎng)應(yīng)能夠在這兩種常態(tài)運行模式下進行可靠的轉(zhuǎn)換。當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行模式時，由外部電網(wǎng)為系統(tǒng)內(nèi)分布式電源提供電壓和頻率參考，所有并網(wǎng)逆變器都可采用恒功率控制模式；當(dāng)轉(zhuǎn)入獨立運行模式時，則需有一個主電源采用恒壓/恒頻控制模式，主電源控制器應(yīng)能夠在兩種控制模式間快速切換。

在充分掌握恒功率控制與恒壓/恒頻控制模式的基礎(chǔ)上，制定微電網(wǎng)模式切換策略并編寫相關(guān)程序，并在離線仿真軟件上進行測試，以降低兩種模式間切換時帶來的暫態(tài)電流或電壓沖擊。經(jīng)離線軟件測試后，結(jié)合實驗室實際物理設(shè)備，進行微電網(wǎng)運行狀態(tài)模式切換實驗。觀察聯(lián)絡(luò)線電壓、電流變化情況，一方面與仿真結(jié)果進行比較，另一方面優(yōu)化切換策略，實現(xiàn)平滑切換。通過并離網(wǎng)運行狀態(tài)切換實驗，理解微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換過程，進一步掌握微電網(wǎng)運行控制策略。

3.4 運行優(yōu)化策略驗證實驗

微電網(wǎng)運行優(yōu)化策略由能量管理系統(tǒng)在已知各種運行信息的基礎(chǔ)上制定完成。目的是根據(jù)分布式電源出力預(yù)測、微電網(wǎng)內(nèi)能源需求、市場信息等數(shù)據(jù)，按照不同的優(yōu)化運行目標(biāo)和約束條件做出決策，實時制定微電網(wǎng)運行調(diào)度策略，通過對分布式電源、儲能設(shè)備和負荷的靈活調(diào)度來實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運行。優(yōu)化運行目標(biāo)包括可再生能源利用率最高、CO2排放量最少、系統(tǒng)可靠性最高等；約束條件通常考慮能量平衡約束和功率平衡約束。

學(xué)生通過學(xué)習(xí)并掌握微電網(wǎng)運行優(yōu)化模型與求解算法，編制能量管理程序，得到微電網(wǎng)運行優(yōu)化策略。借助微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，將所得到的優(yōu)化策略進行下發(fā)實現(xiàn)，測試優(yōu)化策略的有效性。該實驗將有助于學(xué)生理解微電網(wǎng)運行優(yōu)化模型與方法，從而實現(xiàn)微電網(wǎng)能量優(yōu)化，提高運行控制效率。

4 教學(xué)特色與成果

4.1 教學(xué)特色

新能源微電網(wǎng)綜合實驗平臺具有開放性、靈活性、綜合性等特征，采取研究生科研實驗與本科生教學(xué)實驗并行的模式，將實驗平臺作為多門智能電網(wǎng)、智能配電網(wǎng)、微電網(wǎng)理論課程的實驗基地。及時將最先進的科研成果向教學(xué)轉(zhuǎn)化，使學(xué)生能夠始終了解行業(yè)、領(lǐng)域的前沿技術(shù)，同時注重課程理論與實踐相結(jié)合，充分發(fā)揮實驗平臺功能，全面提升學(xué)生的動手能力與實踐能力。

4.2 教學(xué)成果

新能源微電網(wǎng)綜合實驗平臺自投入運行以來，共計為上百位本科生與研究生提供平臺開展分布式電源、微電網(wǎng)相關(guān)實驗，先進完備的實驗設(shè)備、良好整潔的實驗環(huán)境受到師生廣泛好評。同時，依托物理實驗平臺的相關(guān)教學(xué)成果，建設(shè)微電網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)資源，借助3D技術(shù)與手段，刻畫微電網(wǎng)實際工程，虛實結(jié)合，使學(xué)生能夠更全面的掌握微電網(wǎng)技術(shù)。

5 結(jié)語

本文介紹了新能源微電網(wǎng)綜合實驗平臺架構(gòu)、硬件設(shè)備構(gòu)成及集中式管理系統(tǒng)，并結(jié)合3類典型結(jié)構(gòu)說明了平臺運行方式，通過開設(shè)分布式電源運行特性驗證、并網(wǎng)逆變器控制策略設(shè)計、并離網(wǎng)狀態(tài)切換、運行優(yōu)化策略驗證4個實驗，有助于學(xué)生全面了解并掌握分布式電源、微電網(wǎng)的組成及運行控制特性。借助該實驗平臺開展一系列教學(xué)實踐課程，將顯著增強電氣工程專業(yè)學(xué)生動手實踐能力，切實做到理論與實際相結(jié)合，有助于培養(yǎng)電氣工程領(lǐng)域的高水平人才。