沉浸式硬件在環(huán)的微電網(wǎng)虛擬現(xiàn)實仿真實驗平臺

王寶華, 程 路

(南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院, 江蘇 南京 210014)

近年來,以光伏與風(fēng)力發(fā)電為代表的可再生能源得到迅猛發(fā)展,為了更加全面合理地利用及管理分布式電源,微電網(wǎng)的概念就被提了出來[1-4]。概括起來,微電網(wǎng)由負荷和微源構(gòu)成,通過電力電子接口實現(xiàn)靈活的供電。隨著可再生能源發(fā)電的發(fā)展,微電網(wǎng)的研究、發(fā)展將成為必然,因此電氣工程專業(yè)的實驗教學(xué)也必須與之相適應(yīng)。微電網(wǎng)采用就地發(fā)電就地使用的形式,包含了分布式電源(主要是光伏與風(fēng)電)[5]、儲能、本地負荷、以及與大電網(wǎng)接口的電力電子變壓器[6]。其中分布式發(fā)電、儲能、電力電子變壓器均需要電力電子變換器作為接口完成電能交互。因此,微電網(wǎng)運行與控制是與“電力系統(tǒng)分析”“電力電子技術(shù)”“新能源發(fā)電”“電力系統(tǒng)繼電保護”“電力系統(tǒng)自動化”等課程緊密結(jié)合的。

在微電網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)中,電能變換、儲能、直流輸電、配電[7],都是以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ),而隨著電力電子技術(shù)與電力系統(tǒng)結(jié)合的愈發(fā)緊密,對于微電網(wǎng)的學(xué)習(xí)需要設(shè)置大量的實踐鍛煉以獲得良好的教學(xué)效果。此外,通過加強理論與實踐的結(jié)合,有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高其動手實踐能力,提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

如果直接建設(shè)實物微電網(wǎng)系統(tǒng)進行實驗教學(xué),會有建設(shè)周期長、占地面積大、投入成本高等缺點,更為重要的是,電力系統(tǒng)電壓等級高,將對人身安全產(chǎn)生嚴重威脅,因此實物建設(shè)不適用于教學(xué)。另外一個途徑是采用純軟件仿真進行系統(tǒng)模擬,然而軟件模擬也存在觀察不直觀、實踐效果差等缺點。綜合考慮以上因素,采用半實物虛擬現(xiàn)實的仿真方法[8-9],一方面通過沉浸式3D人機交互的形式,提供直觀而真實的場景感受,并可以通過操作實現(xiàn)不同功能的模擬,比如孤島供電[10]、新能源發(fā)電、功率控制等；另一方面,提供半實物測試平臺,通過測試儀器可以測量各連接點處的電壓、電流、功率、頻率等信號,便于加深理解,并可以鍛煉動手能力和增強科研創(chuàng)新能力。

1 實驗平臺的構(gòu)建

1.1 微電網(wǎng)實驗平臺的構(gòu)建

微電網(wǎng)實驗平臺[11-12]以當(dāng)前可再生能源并網(wǎng)發(fā)電為出發(fā)點,結(jié)合混合儲能、無功補償、電力電子變壓器、電壓跌落補償?shù)燃夹g(shù),構(gòu)成交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)。如圖1所示,微電網(wǎng)通過電力電子變壓器(solid state transformer, SST)與10kV配電網(wǎng)相連,SST另一端通過固態(tài)開關(guān)接入微電網(wǎng)380V非敏感交流母線,此母線用于連接對電壓質(zhì)量要求不高的設(shè)備,如照明及家電等設(shè)備。此外,光伏組1通過Boost與DC/AC變換器接入非敏感母線,并為光伏組1配套蓄電池與超級電容混合儲能,其通過各自的雙向Buck/Boost與DC/AC變換器接入交流母線。其中,SVG模塊用于補充系統(tǒng)無功功率,以提高并網(wǎng)功率因數(shù)。該系統(tǒng)幾乎囊括了微電網(wǎng)的所有關(guān)鍵設(shè)備,即光伏發(fā)電[13]、風(fēng)力發(fā)電[14]、儲能、電能質(zhì)量、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(unified power quality conditioner,UPQC)、以及固態(tài)開關(guān)。

圖1 交直流混合微電網(wǎng)圖

為了實現(xiàn)對微電網(wǎng)的整體有序控制,實驗平臺采用分層控制方式,如圖2所示。上層為微網(wǎng)調(diào)度與控制系統(tǒng),通過對微網(wǎng)內(nèi)部各設(shè)備狀態(tài)以及節(jié)點功率的監(jiān)測,產(chǎn)生調(diào)度與控制指令并下發(fā)給各組設(shè)備,調(diào)整其工作狀態(tài)以實現(xiàn)對微網(wǎng)運行的優(yōu)化調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)既可以靈活修改微電網(wǎng)的系統(tǒng)拓撲,也可以對不同的控制目標(biāo)與要求改變控制系統(tǒng)的控制算法,并通過系統(tǒng)運行驗證算法的有效性,因而具備極大的靈活性。

1.2 微電網(wǎng)子系統(tǒng)實驗平臺的構(gòu)建

微電網(wǎng)主要由風(fēng)力與光伏發(fā)電、電力電子變壓器、UPQC等部分組成,本實驗平臺軟件主要部分搭建如下：

(1) 風(fēng)力與光伏發(fā)電系統(tǒng)。實驗采用直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電,包括風(fēng)力機模型、機側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器,光伏發(fā)電采用常用的兩級式拓撲,即前級Boost變換器進行最大功率跟蹤,后級DC/AC并網(wǎng)逆變。

(2) 電力電子變壓器。電力電子變壓器的突出特點在于將潮流控制、無功補償、故障電流限制和交直流混合輸出等多種功能于一體,通過引入電力電子換流器對一次側(cè)和二次側(cè)的電壓幅值和相位的實時控制,實現(xiàn)變壓器一次側(cè)、二次側(cè)電壓、電流和功率的靈活調(diào)節(jié)。

(3) UPQC。UPQC包括并聯(lián)補償與串聯(lián)補償兩部分,可以實現(xiàn)對電流與電壓質(zhì)量的統(tǒng)一調(diào)節(jié)。并聯(lián)補償用于對電網(wǎng)諧波與無功電流的補償,并為串聯(lián)提供穩(wěn)定的直流電壓,串聯(lián)補償經(jīng)過LC濾波器控制輸出補償電壓,并通過耦合變壓器注入電網(wǎng),從而補償負荷端的電壓質(zhì)量。

(4) 儲能充放電系統(tǒng)。實驗采用混合儲能充放電系統(tǒng),其中蓄電池構(gòu)成能量型儲能,而超級電容構(gòu)成功率型儲能,并且兩者直流側(cè)均通過多組并聯(lián)實現(xiàn)大容量儲能。

圖2 微電網(wǎng)運行與控制圖

1.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在微電網(wǎng)實驗平臺的應(yīng)用

本實驗平臺采用沉浸式硬件在環(huán)的微電網(wǎng)虛擬仿真操作,如圖3所示。通過上位機3D人機交互界面進行場景模擬,以實現(xiàn)不同微電網(wǎng)應(yīng)用場景的模擬,比如海島、工業(yè)園區(qū)等,從而提供身臨其境的環(huán)境與感受。通過3D人機界面,可以調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的內(nèi)部設(shè)備的運行狀態(tài),比如天氣、電池容量、負荷大小等參數(shù)。

此外,還可以修改微電網(wǎng)的調(diào)度與控制系統(tǒng),以實現(xiàn)不同的控制目標(biāo)。上位機將設(shè)置好的微電網(wǎng)參數(shù),下發(fā)給半實物虛擬仿真器,虛擬仿真器接收控制信號,實施仿真出電路的響應(yīng)并輸出給控制機箱構(gòu)成仿真系統(tǒng)的閉環(huán),通過3D人機交互界面可以直觀的觀察電網(wǎng)的運行狀態(tài),同時可以實現(xiàn)對實際系統(tǒng)的控制。

圖3 沉浸式硬件在環(huán)的微電網(wǎng)虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)圖

1.4 實驗平臺構(gòu)建

歸納起來,本實驗平臺原理如圖4所示,首先是微電網(wǎng)拓撲的確定,包括拓撲結(jié)構(gòu)以及調(diào)度控制策略兩部分,其中拓撲結(jié)構(gòu)為含風(fēng)光儲的交直流混合微電網(wǎng),并含有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)與質(zhì)量裝置,而調(diào)度控制策略為分層控制,并可以根據(jù)需求與控制目標(biāo)更改。其次是半實物虛擬仿真的實現(xiàn),包括場景模擬與輸出結(jié)果反饋,其中場景模擬用于模擬不同的應(yīng)用,而輸出結(jié)果反饋可以通過3D人機交互界面,也可以提供信號測試供示波器輸入。最后是遠程虛擬仿真教學(xué)與實驗,利用網(wǎng)絡(luò)遠程控制實時仿真設(shè)備完成相關(guān)實驗。

圖4 實驗平臺構(gòu)建原理圖

2 實驗平臺操作

2.1 電力電子變壓器實驗

微電網(wǎng)實驗平臺既可以進行部分功能實驗,也可以進行整體的控制實驗。比如電力電子變壓器在微電網(wǎng)中廣泛使用,并且具有故障隔離功能,即當(dāng)電網(wǎng)輸入端發(fā)生故障時,電力電子變壓器的輸出仍保持穩(wěn)定狀態(tài),可在平臺對其隔離功能進行實驗。當(dāng)變壓器輸入側(cè)電網(wǎng)發(fā)生跌落故障時,輸入電流跟隨增大,但輸出電壓保持恒定。假設(shè)電網(wǎng)電壓跌落到60%,可通過該實驗觀察輸出電壓,驗證其是否保持穩(wěn)定。電網(wǎng)電壓在跌落的同時伴隨頻率變化,要求電力電子變壓器的輸出仍然能保持指令電壓輸出,假設(shè)電網(wǎng)電壓跌落到50%,同時伴隨著電網(wǎng)頻率從50 Hz減小到40 Hz,可觀察變壓器輸出變化。

2.2 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器實驗

當(dāng)微電網(wǎng)敏感母線端由于發(fā)生短路故障、單相不平衡負載比例較大等原因而產(chǎn)生電壓跌落時,UPQC串聯(lián)側(cè)變流器將通過耦合變壓器注入補償電壓,維持負載側(cè)電壓穩(wěn)定,為敏感負荷提供高質(zhì)量供電。實驗平臺可以模擬電網(wǎng)電壓跌落,包括單相跌落、兩相跌落、三相跌落,并設(shè)置不同的跌落深度,觀察網(wǎng)側(cè)電壓、UPQC補償電壓、負載電壓的關(guān)系,考查電壓補償速度與精度。如實驗設(shè)置a相電壓跌落50%時,可觀察負載側(cè)電壓是否保持穩(wěn)定。

2.3 儲能充放電實驗

微電網(wǎng)一般工作在并網(wǎng)模式下,但是當(dāng)大電網(wǎng)出現(xiàn)故障的情況下,微電網(wǎng)運行于孤島模式,此時系統(tǒng)失去了大電網(wǎng)電壓支撐能力,微電網(wǎng)內(nèi)部的儲能設(shè)備必須提供不間斷供電功能,即取代大電網(wǎng)為系統(tǒng)提供電壓支撐。當(dāng)微網(wǎng)由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換為孤島模式的瞬間,由儲能代替大電網(wǎng)發(fā)揮電壓支撐作用,在切換瞬間,功率缺額由儲能提供,通過并網(wǎng)前對作為主電源的混合儲能進行預(yù)同步控制,將微電網(wǎng)的電壓和相角調(diào)整到與大電網(wǎng)基本一致,從而有效減少由孤島向并網(wǎng)運行切換時的沖擊和振蕩。

上述微電網(wǎng)實驗是通過軟件進行相關(guān)算法的編程,利用該系統(tǒng)驗證算法的有效性,并利用示波器采集算法結(jié)果。然后利用半實物虛擬仿真來提高實驗場景的真實性,包括場景模擬與輸出結(jié)果反饋,其中場景模擬用于模擬不同的應(yīng)用,而輸出結(jié)果反饋可以通過3D人機交互界面,也可以提供信號測試供示波器輸入。最后是遠程虛擬仿真教學(xué)與實驗,利用網(wǎng)絡(luò)遠程控制實時仿真設(shè)備完成相關(guān)實驗。

2.4 實驗結(jié)果

(1) 電力電子變壓器實驗。設(shè)置電網(wǎng)電壓跌落到60%時,三相電流電壓如圖5所示；設(shè)置電網(wǎng)電壓跌落50%、頻率為40 Hz時,三相電流電壓如圖6所示。

圖5 電網(wǎng)電壓跌落到60%時，三相電流電壓圖

圖6 電網(wǎng)電壓跌落50%、頻率為40 Hz時，三相電流電壓圖

相應(yīng)的實驗結(jié)論為：無論是電網(wǎng)電壓的波動及跌落,還是頻率的大幅度變化,電力電子變壓器輸出端電壓都能保持穩(wěn)定,驗證了其具有良好的故障隔離功能。

(2) 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器實驗。設(shè)置a相電壓跌落50%,UPQC補償效果如圖7所示。

圖7 電壓跌落補償效果圖

相應(yīng)的實驗結(jié)論為：電壓跌落補償響應(yīng)時間約5 ms,能夠?qū)崿F(xiàn)對單相電壓跌落、兩相電壓跌落以及三相平衡與不平衡跌落的同時補償,并可以補償不同的電壓跌落深度,補償后負載電壓精度98%以上,響應(yīng)時間小于10 ms,驗證了UPQC能夠快速而精確地補償負載電壓。

(3) 儲能充放電實驗。當(dāng)微網(wǎng)由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換為孤島模式,其切換過程的電網(wǎng)電壓變化如圖8所示。

圖8 并離網(wǎng)模式切換時，電網(wǎng)電壓圖

相應(yīng)的實驗結(jié)論為：在模式切換瞬間,電網(wǎng)電壓存在大約3～5個周波的振蕩,這主要是在切換瞬間,儲能有P/Q控制轉(zhuǎn)換為V/f控制,功率缺額的調(diào)整將存在調(diào)節(jié)時間,在此期間微網(wǎng)電壓存在振蕩與沖擊。當(dāng)微網(wǎng)進行并離網(wǎng)切換的過程中,通過儲能裝置填補PCC點的有功與無功缺額,并且發(fā)揮電壓支撐功能,過渡時間大約為3～5個電網(wǎng)周波,此后微電網(wǎng)進入穩(wěn)態(tài)。

上述實驗驗證了本平臺可以進行各種微電網(wǎng)實驗,不僅能準(zhǔn)確地顯示實驗結(jié)果,又能提供真實的直觀感受,學(xué)生在鍛煉動手能力的同時加深了對微電網(wǎng)相關(guān)知識的理解。

3 科研平臺

由于微電網(wǎng)實驗平臺結(jié)合了諸如UPQC與SST等前沿技術(shù),因此該實驗平臺可以為電氣工程與智能電網(wǎng)專業(yè)的科研任務(wù)提供平臺基礎(chǔ)。

在實驗平臺經(jīng)過大量實驗測試的基礎(chǔ)上,該平臺推進了一批科研項目的順利進行。在微電網(wǎng)實驗平臺開展了有國家自然科學(xué)基金項目多端口模塊化直流固態(tài)變壓器集成優(yōu)化及功率協(xié)調(diào)控制研究,也有江蘇省自然科學(xué)基金光伏并網(wǎng)逆變器的壽命監(jiān)測及延長關(guān)鍵技術(shù)研究省部級項目。同時,該實驗平臺在校企合作方面也發(fā)揮了重要作用,諸如太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與技術(shù)、Boost-Full Bridge單相光伏并網(wǎng)逆變器研究等橫向項目利用微電網(wǎng)實驗平臺進行了科學(xué)驗證。該實驗平臺依托江蘇省重點建設(shè)品牌專業(yè)—電氣工程,為越來越多的科研項目提供科研支持。

4 結(jié)語

微電網(wǎng)結(jié)合了配電、儲能、電力電子等技術(shù),綜合了電氣領(lǐng)域的幾項主要技術(shù)。因此,采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建設(shè)的微電網(wǎng)實驗平臺可以融合電力系統(tǒng)和電力電子等多門課程,不僅有助于學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)理解,也能夠培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力。除此之外,微電網(wǎng)實驗平臺還可以對科學(xué)研究提供幫助。因此,本實驗平臺適應(yīng)了微電網(wǎng)發(fā)展的要求,滿足了實驗教學(xué)與信息技術(shù)深度融合的需求,可以提高實驗教學(xué)效果,對電氣工程及自動化、智能電網(wǎng)等專業(yè)科研訓(xùn)練的建設(shè)發(fā)揮了重要作用。