含分布式新能源的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

趙興勇

（山西大學(xué)電力工程系，太原 030013）

智能微電網(wǎng)集信息技術(shù)、新能源技術(shù)、分布式發(fā)電技術(shù)等為一體，以專業(yè)智慧構(gòu)建節(jié)能高效、綠色環(huán)保、安全可靠的電力系統(tǒng)，助力國家堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展。微電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)重要的組成部分，對(duì)新能源推廣、節(jié)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(yè)類依托我省電力行業(yè)快速發(fā)展和壯大，有著明顯的行業(yè)背景與特色。在山西乃至全國電力行業(yè)，有著不可替代的作用。電力系統(tǒng)是現(xiàn)代化技術(shù)集成最高的行業(yè)之一，對(duì)學(xué)生知識(shí)、技能的要求不斷提高。微電網(wǎng)是電力系統(tǒng)未來的發(fā)展方向之一，其是以分布式電源為基礎(chǔ)的小型模塊化、分散式的供能網(wǎng)絡(luò)，是發(fā)揮分布式發(fā)電效益的有效途徑。它不僅能提高供電質(zhì)量和可靠性，而且能減輕環(huán)境和能源壓力，還可以為大電網(wǎng)黑起動(dòng)提供后備電源，是大電網(wǎng)的有力補(bǔ)充，更是智能電網(wǎng)的重要組成部分。微電網(wǎng)的最大優(yōu)勢(shì)是提高了電力系統(tǒng)面臨突發(fā)災(zāi)難時(shí)的抗災(zāi)能力。大電網(wǎng)中超大型電站與微電網(wǎng)中分散微型電站的結(jié)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(tǒng)的運(yùn)營成本，削峰填谷，降低電網(wǎng)損耗，降低電價(jià)。

多年來，我校一直在推行教育教學(xué)改革，學(xué)科建設(shè)取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。目前電氣工程類有“電力系統(tǒng)及自動(dòng)化”研究生專業(yè)及“電氣工程及自動(dòng)化”本科專業(yè)。但我校原有電力專業(yè)實(shí)驗(yàn)室偏重教學(xué)體系，面對(duì)電力系統(tǒng)新技術(shù)就顯得不足，主要體現(xiàn)在教師科研水平不高，學(xué)生參與分析現(xiàn)場(chǎng)事故能力不夠的現(xiàn)象，鑒于此，通過建立智能微電網(wǎng)運(yùn)行與控制實(shí)驗(yàn)室，可以給教師提供進(jìn)行科學(xué)研究，學(xué)習(xí)掌握現(xiàn)代先進(jìn)電力系統(tǒng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室[3-5]；給學(xué)生提供見識(shí)現(xiàn)代電力系統(tǒng)實(shí)際場(chǎng)景，提高專業(yè)實(shí)踐能力的基地。目前，國內(nèi)外不少高校、科研院所在微電網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)研究方面取得一定的成果，如天津大學(xué)及浙江電力科學(xué)研究院等，這些平臺(tái)主要面向科學(xué)研究或工程示范，投資比較大。本平臺(tái)主要面向本科生、研究生的培養(yǎng)，另外，其的一次、二次系統(tǒng)均有開放接口，滿足不同組網(wǎng)方式及控制策略的研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)的組成

1）一次系統(tǒng)的組成

本實(shí)驗(yàn)室的微電網(wǎng)為兩級(jí)交流智能微電網(wǎng)架構(gòu)，包括：由5kW太陽能發(fā)電模擬系統(tǒng)、10kW模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、30kW·h磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能穩(wěn)定系統(tǒng)、30kW/10s超級(jí)電容系統(tǒng)、10kW RLC可控式模擬負(fù)載系統(tǒng)、12kW 充電機(jī)組成的一級(jí)微電網(wǎng)。由5kW 屋頂太陽能發(fā)電系統(tǒng)、9.6kW·h鉛酸儲(chǔ)能系統(tǒng)組成的二級(jí)微電網(wǎng)。整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)包含1面網(wǎng)關(guān)接口柜、2面微網(wǎng)智能配電柜、1面微網(wǎng)通信柜、1面鋰電池儲(chǔ)能雙向變流柜、1面超級(jí)電容儲(chǔ)能雙向變流柜、1套微電網(wǎng)監(jiān)控及中央控制系統(tǒng)、1套即插即用電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、1套一體式故障錄波裝置及微電網(wǎng)專用保護(hù)裝置系統(tǒng)等，如圖1所示。

2）二次系統(tǒng)的組成

二次系統(tǒng)包括：1套 MG2500型微電網(wǎng)中央控制及快速測(cè)控系統(tǒng)、1套MG1100微電網(wǎng)監(jiān)控軟件，1套 MG1600微電網(wǎng)控制策略軟件，1套 MG2200微網(wǎng)通訊轉(zhuǎn)換裝置，1套微網(wǎng)時(shí)鐘，1套一體式故障錄波系統(tǒng)，1套電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)。

通過配置的通信管理機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)中各設(shè)備的通信處理及轉(zhuǎn)發(fā)。包括保護(hù)裝置、電力儀表、中央控制單元及快速測(cè)控、光伏逆變器、風(fēng)力逆變器、穩(wěn)定控制器（PCS）、電池管理系統(tǒng)BMS、超級(jí)電容管理系統(tǒng)CMS等，通過后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視與控制，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷以及模擬新能源電源的協(xié)調(diào)與優(yōu)化控制，如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化；分布式電源與能量轉(zhuǎn)換單元的布局優(yōu)化、選型與設(shè)計(jì)；分布式電源與能量轉(zhuǎn)換單元的性能測(cè)試；分布式電源與能量轉(zhuǎn)換單元的并網(wǎng)特性及控制，包括穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)特性；分布式發(fā)電能效對(duì)比及能效提高技術(shù)研究；儲(chǔ)能電池特性研究；各種儲(chǔ)能形式在微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究；新型儲(chǔ)能電池試驗(yàn)；儲(chǔ)能逆變器的研究；電動(dòng)汽車充電技術(shù)研究；電動(dòng)汽車的車網(wǎng)互動(dòng)（vehicle to grid, V2G）技術(shù)；微電網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)；微電網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)、孤島兩種方式及其過渡過程的安全穩(wěn)定運(yùn)行；微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制、保護(hù)與通信；微電網(wǎng)控制策略研究；微電網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控與能量管理；微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估；微電網(wǎng)參與削峰填谷的優(yōu)化調(diào)度技術(shù)；微電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量管理；微電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)大電網(wǎng)系統(tǒng)的影響；電價(jià)方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化；智能負(fù)荷控制與調(diào)節(jié)措施的研究；用戶需求側(cè)管理系統(tǒng)開發(fā)與研究；微電網(wǎng)展示技術(shù)與方法的研究等，國內(nèi)在這方面進(jìn)行了廣泛的研究[7-10]。

1.3 系統(tǒng)的特色

該微電網(wǎng)系統(tǒng)具有如下特色。

1）可以并網(wǎng)、孤網(wǎng)運(yùn)行，無縫切換，可以多種運(yùn)行模式相互自動(dòng)或手動(dòng)方式切換，一、二級(jí)微電網(wǎng)可以分別獨(dú)立孤網(wǎng)運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行及聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。

2）能與大電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的功率大小及方向可調(diào)可控。

3）可以快速平滑光伏發(fā)電、風(fēng)機(jī)發(fā)電、負(fù)荷變化等造成的功率波動(dòng)。

4）配置專用保護(hù)裝置，在微電網(wǎng)內(nèi)部故障、外部故障情況下，均保證其準(zhǔn)確、快速動(dòng)作，使系統(tǒng)安全運(yùn)行。

5）可實(shí)現(xiàn)對(duì)接入微電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷進(jìn)行分級(jí)管理。

6）具有開放接口，可以接入其他廠家的智能設(shè)備。

系統(tǒng)起動(dòng)后，進(jìn)入監(jiān)控畫面，如圖3所示的主要研究方向，智能微電網(wǎng)運(yùn)行與控制實(shí)驗(yàn)室、風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)室、新能源實(shí)驗(yàn)室組成聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，為創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的科研工程提供了重要的實(shí)驗(yàn)條件。

圖1 智能微電網(wǎng)一次系統(tǒng)圖

圖2 智能微電網(wǎng)二次系統(tǒng)圖

圖3 微電網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控圖

2 在科學(xué)研究中的應(yīng)用

北變微電網(wǎng)技術(shù)有限公司等單位在智能微電網(wǎng)研究方面有多年的良好合作關(guān)系。聘請(qǐng)?jiān)擃I(lǐng)域知名專家學(xué)者前來交流和講座，有力提升了微電網(wǎng)研究水平。

利用智能微電網(wǎng)運(yùn)行與控制實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，承擔(dān)了多項(xiàng)省部級(jí)課題，主要有：

1）多元綠色能源微電網(wǎng)優(yōu)化集成與智能控制。

2）針對(duì)新型微電網(wǎng)的優(yōu)化控制技術(shù)研究。

3）含新能源及電動(dòng)汽車的微電網(wǎng)優(yōu)化控制技術(shù)研究。

申請(qǐng)專利多項(xiàng)，主要有：

1）一種電動(dòng)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(bǔ)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(dòng)汽車充電樁集成裝置。

在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文多篇，主要有：

1）微電網(wǎng)復(fù)合儲(chǔ)能的功率容量?jī)?yōu)化配置。

2）考慮局部陰影的光伏陣列MPPT優(yōu)化控制策略。

3）考慮電動(dòng)汽車的微電網(wǎng)復(fù)合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置。

4）含分布式電源和電動(dòng)汽車的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略研究。

5）微電網(wǎng)控制策略研究。

此外，還與國網(wǎng)山西省電力科學(xué)研究院、北京

3 在教學(xué)改革中的應(yīng)用

智能微電網(wǎng)運(yùn)行與控制實(shí)驗(yàn)室是學(xué)校主要的開放性實(shí)驗(yàn)室，其優(yōu)化了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑寣W(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案與步驟，鼓勵(lì)創(chuàng)新。同時(shí)避免了傳統(tǒng)強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)中可能造成的人身安全、設(shè)備損壞的隱患。

針對(duì)電力系統(tǒng)分析、新能源發(fā)電、繼電保護(hù)、智能供配電等課程，開發(fā)了 10多項(xiàng)探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。主要有：含新能源配電網(wǎng)潮流計(jì)算，含源配電網(wǎng)繼電保護(hù)配置與整定，微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)運(yùn)行分析，電動(dòng)汽車V2G分析等。

這些實(shí)驗(yàn)理論與實(shí)踐結(jié)合緊密，開闊了學(xué)生的視野，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力，不少學(xué)生在教授的指導(dǎo)下，取得了一定的成果，如山西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“戶用光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”獲得二等獎(jiǎng)。

該實(shí)驗(yàn)室的建成為我校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)特色專業(yè)建設(shè)和師資隊(duì)伍培養(yǎng)提供了重要支撐。

4 結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)室的建成，不僅能極大地提升學(xué)科專業(yè)的發(fā)展和水平，提高我校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)及相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，而且還將帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，主要反映在以下幾個(gè)方面。

1）學(xué)生受到良好的技能訓(xùn)練。學(xué)生可在本訓(xùn)練中心接受有關(guān)新能源發(fā)電技術(shù)的訓(xùn)練，為今后走上工作崗位從事與新能源發(fā)電技術(shù)有關(guān)的工作奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)，縮短了學(xué)生的適應(yīng)性。

2）電力行業(yè)和地方企業(yè)受益。為企業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)服務(wù)，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)驗(yàn)室的科研開發(fā)功能也將為將來的生產(chǎn)服務(wù)產(chǎn)生潛在的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)能夠及時(shí)為新能源發(fā)電技術(shù)及微電網(wǎng)運(yùn)行控制人員進(jìn)行培訓(xùn)。

3）加強(qiáng)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(guān)專業(yè)的師生提供良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)資源共享。推進(jìn)學(xué)科發(fā)展，提升學(xué)科水平，使本學(xué)科成為省內(nèi)的優(yōu)勢(shì)學(xué)科，形成省內(nèi)同行業(yè)水平較高的科研教學(xué)平臺(tái)，以帶動(dòng)全省在該領(lǐng)域的整體研究水平，更好服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)。

在后續(xù)的建設(shè)完善過程中，進(jìn)一步加強(qiáng)與相關(guān)專業(yè)及同行院校的交流，多開設(shè)一些創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)及跨學(xué)科合作，以提高平臺(tái)的利用率。

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