基于分布式發(fā)電的智能配電網(wǎng)物理模擬系統(tǒng)研發(fā)

張 彥，馬夢(mèng)朝，商玲玲，王 偉

（1.國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

近年來，隨著各國對(duì)新能源及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)的大力支持，新能源及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)在技術(shù)領(lǐng)域與規(guī)模上都取得了突破性進(jìn)展。分布式發(fā)電以其低投資、發(fā)電方式靈活、與環(huán)境兼容性好等特點(diǎn)，具備與大電網(wǎng)聯(lián)合穩(wěn)定運(yùn)行的可能，因此，分布式發(fā)電系統(tǒng)是目前加入智能配電網(wǎng)的一項(xiàng)新業(yè)務(wù)［1-2］。大量分布式電源的加入，給現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運(yùn)行與控制帶來巨大變化，這種趨勢(shì)對(duì)于傳統(tǒng)配電網(wǎng)模型極富挑戰(zhàn)性。

研發(fā)基于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分布式發(fā)電和智能用電的智能配電網(wǎng)模擬系統(tǒng)，可按照調(diào)度指令和智能用電情況調(diào)節(jié)分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式，可用于研究含多種分布式電源的智能配電網(wǎng)控制策略，也可用于分布式發(fā)電和微網(wǎng)［3-5］的培訓(xùn)教學(xué)。

1 智能配電網(wǎng)物理模擬及自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

基于新能源并網(wǎng)發(fā)電、智能用電等新技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，采用物理模擬、光纖通信、以太網(wǎng)組網(wǎng)、廣域保護(hù)與測(cè)量、組態(tài)軟件開發(fā)、大規(guī)模數(shù)據(jù)庫、自動(dòng)監(jiān)控、高級(jí)配電自動(dòng)化等核心技術(shù)手段，開發(fā)了智能配電網(wǎng)物理模擬及自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)［6］，系統(tǒng)實(shí)物如圖1 所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

圖1 智能配電網(wǎng)物理模擬及自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

智能配電網(wǎng)物理模擬及自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主電源來自實(shí)際電網(wǎng)，為確保供電可靠性，設(shè)計(jì)為多路供電電源。

采用單元化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)共設(shè)4 個(gè)運(yùn)行單元，每個(gè)單元即可獨(dú)立運(yùn)行，又可同時(shí)運(yùn)行，且支持修改網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、改變運(yùn)行方式，具有很大的靈活性。

該系統(tǒng)能夠兼容多種類型的新能源并網(wǎng)運(yùn)行，各種新能源組成微網(wǎng)后接入該系統(tǒng)并接受調(diào)度和控制。

該系統(tǒng)帶有模擬負(fù)荷和實(shí)際負(fù)荷，模擬負(fù)荷由電阻、電感元件組合而成，可以模擬不同的負(fù)荷類型，實(shí)際負(fù)荷為接入系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行計(jì)算機(jī)、空調(diào)等負(fù)荷。

系統(tǒng)具有單母線、單母線分段、雙母線、雙母線帶旁路等多種接線方式，能夠模擬多種運(yùn)行方式。

系統(tǒng)線路采用多級(jí)π 型線路級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)行模擬，通過改變?chǔ)?型電路參數(shù)達(dá)到改變模擬線路長(zhǎng)度的目的，預(yù)設(shè)多個(gè)故障點(diǎn)，能夠模擬不同位置處的多種類型短路故障。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

智能配電網(wǎng)物理模擬及自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包含3 部分：一次物理模擬系統(tǒng)，廣域保護(hù)與測(cè)量系統(tǒng)，監(jiān)控與高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)。

圖2 智能配電網(wǎng)物理模擬及自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一次物理模擬系統(tǒng)分為4 個(gè)單元，每個(gè)單元的結(jié)構(gòu)相似，均可獨(dú)立運(yùn)行，也可同時(shí)作為一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，因此能夠模擬多種規(guī)模、不同結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的電網(wǎng)。每個(gè)單元都采用了多π 型等值電路，具有多種接線方式，并配備了可遙控操作的開關(guān)。在每個(gè)單元的不同位置處都預(yù)設(shè)了故障點(diǎn)，能夠模擬各種類型的短路故障。多π 型等值電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 多π 型等值電路結(jié)構(gòu)

保護(hù)與測(cè)量系統(tǒng)采用廣域保護(hù)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)一次模擬系統(tǒng)的繼電保護(hù)功能，具備保護(hù)定值遠(yuǎn)程整定功能，從監(jiān)控主機(jī)側(cè)即可完成全部保護(hù)裝置的定值查看與在線修改。

監(jiān)控與高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)該系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控功能，采用基于雙環(huán)無源光纖以太網(wǎng)（EPON）的通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)的遙測(cè)、遙信和遙控功能，具備對(duì)故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算的功能，同時(shí)能夠?qū)π履茉措娫床糠诌M(jìn)行調(diào)度和監(jiān)控。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)2 部分組成。其中，太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組件方陣、防雷匯流箱、逆變器、太陽能發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成；儲(chǔ)能系統(tǒng)由蓄電池組、雙向儲(chǔ)能逆變器、蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。

雙向儲(chǔ)能蓄電池從電網(wǎng)給蓄電池充電或?qū)⑿铍姵貎?chǔ)存的電能逆變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的三相電，供微網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)載使用；蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)所有蓄電池組單個(gè)電池進(jìn)行在線電流、電壓、內(nèi)阻監(jiān)測(cè)；儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行控制，包括充電、放電、功率輸出、電池監(jiān)控等。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括10 kW 單晶硅光伏電池組件和10 kW 多晶硅光伏電池組件，可以通過發(fā)電情況進(jìn)行比較教學(xué)，使學(xué)員更清楚地掌握到不同材料光伏電池的特性。該光伏發(fā)電系統(tǒng)并入前述智能配電網(wǎng)運(yùn)行，并且當(dāng)配電網(wǎng)故障時(shí)可以接受調(diào)度，系統(tǒng)實(shí)物如圖4 所示。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)物

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

該光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他新能源組成微網(wǎng)后接入前述的智能配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行，可作為電源或負(fù)載運(yùn)行，同時(shí)接受配電網(wǎng)調(diào)度；系統(tǒng)配備實(shí)驗(yàn)裝置，可對(duì)太陽能光伏電池的特性及影響因素進(jìn)行研究或培訓(xùn)。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

10 kW 單晶硅光伏電池組件和10 kW 多晶硅光伏電池組件，經(jīng)過匯流箱、交直流配電柜和并網(wǎng)逆變器接入母線，儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)過雙向變換器接入母線系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過對(duì)單晶硅和多晶硅光伏電池的對(duì)比，可深入了解光伏電池的特性及不同材料的區(qū)別；通過蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)，可充分掌握儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要作用。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)概述

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過使用電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)輪機(jī)，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)來模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)包括2 組小型永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組平臺(tái)（每組5 kW）和2 組雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組平臺(tái)（每組5 kW）。

通過搭建小型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬系統(tǒng)，可對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)、暫態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行模擬，并能模擬雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組隨風(fēng)速變化由次同步運(yùn)行到超同步運(yùn)行的演變過程。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行低電壓跌落試驗(yàn)，測(cè)試風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力。系統(tǒng)可對(duì)電壓跌落深度、電壓跌落恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，將本系統(tǒng)并入前述智能配電網(wǎng)運(yùn)行，并且當(dāng)配電網(wǎng)故障時(shí)可以接受調(diào)度，系統(tǒng)實(shí)物如圖6 所示。

圖6 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)物

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與其他新能源組成微網(wǎng)后接入前述的智能配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行，可作為電源或負(fù)載運(yùn)行，同時(shí)接受配電網(wǎng)調(diào)度。

通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)、暫態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行模擬，以及并入智能配電網(wǎng)運(yùn)行的狀況，充分反映出永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)及其對(duì)電網(wǎng)的影響。

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

小型永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬系統(tǒng)包括直流調(diào)速系統(tǒng)，同軸電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)），無功補(bǔ)償裝置和低電壓發(fā)生器等，具體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

圖8 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬系統(tǒng)包括直流調(diào)速系統(tǒng)，同軸電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)雙饋發(fā)電機(jī)），無功補(bǔ)償裝置和低電壓發(fā)生器等，具體結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

該系統(tǒng)可對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行低電壓跌落試驗(yàn)，測(cè)試風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力。系統(tǒng)可對(duì)電壓跌落深度、電壓跌落恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置；可通過蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)，充分掌握儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的重要作用。

4 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)概述

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)包括蓄電池組、雙向儲(chǔ)能逆變器、蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)管理系統(tǒng)4 大部分。

蓄電池組由300Ah／2 V 鉛酸蓄電池2 組，300 Ah／2 V 膠體蓄電池2 組組成，每組24 塊串聯(lián)，組成48 V／300 Ah 系統(tǒng)，共計(jì)4 組96 塊，作為系統(tǒng)的主要儲(chǔ)能元件。雙向儲(chǔ)能逆變器作用是從電網(wǎng)給蓄電池充電或?qū)⑿铍姵貎?chǔ)存電能逆變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)三相電，供微網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)載使用；蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)所有蓄電池組單個(gè)電池進(jìn)行在線電壓、電流、內(nèi)阻監(jiān)測(cè)，及時(shí)監(jiān)控電池狀態(tài)；儲(chǔ)能系統(tǒng)管理系統(tǒng)能對(duì)整個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行控制，包括充電、放電、功率輸出、電池監(jiān)控等。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接入前述智能配網(wǎng)運(yùn)行，并且當(dāng)配網(wǎng)故障時(shí)可以接受調(diào)度，系統(tǒng)實(shí)物如圖9 所示。

圖9 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)物

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

儲(chǔ)能系統(tǒng)概括起來的特點(diǎn)是可充可放、可調(diào)度、可控制。

通過對(duì)雙向逆變器工作狀況的監(jiān)控，并響應(yīng)上位機(jī)控制命令，對(duì)儲(chǔ)能逆變器實(shí)現(xiàn)充電、放電、調(diào)節(jié)輸出功率等功能；通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作狀態(tài)研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)在新能源發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中的功能。

4.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 組鉛酸蓄電池和2 組膠體蓄電池均通過雙向儲(chǔ)能變換器接入母線系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 智能用電系統(tǒng)

智能用電實(shí)訓(xùn)室由智能用電監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)、用電模擬沙盤、智能用電設(shè)備組成。智能用電監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)對(duì)不同負(fù)荷狀態(tài)下的用電模擬沙盤內(nèi)各類負(fù)荷、智能用電設(shè)備的用電狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，并通過與電網(wǎng)信息交互，智能優(yōu)化用電控制策略。

智能用電策略演示系統(tǒng)依托堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)和現(xiàn)代管理理念，利用高級(jí)量測(cè)、高效控制、高速通信、智能模擬等技術(shù)，通過智能用電沙盤演示，展示了城市用電負(fù)荷預(yù)測(cè)、時(shí)段調(diào)度、負(fù)荷優(yōu)先、削峰填谷等控制策略，滿足學(xué)校智能電網(wǎng)的教學(xué)和科研需求，體現(xiàn)系統(tǒng)的互動(dòng)化、智能化、科學(xué)化。

智能家居系統(tǒng)是充分利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、綜合布線等技術(shù)手段，將與家居生活相關(guān)的家用電器通過不同的互連方式進(jìn)行通信及數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)家用電器之間的互聯(lián)互通，并通過智能家居系統(tǒng)展示家用電器的網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制、管理、耗能分析等，滿足對(duì)智能家居教學(xué)和科研需求。

上述5 個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)智能配電網(wǎng)，配電網(wǎng)可獨(dú)立和并網(wǎng)運(yùn)行，各種新能源電壓接受智能配網(wǎng)的調(diào)度，此系統(tǒng)兼顧實(shí)驗(yàn)和培訓(xùn)2 種功能，其應(yīng)用取得了較好的效果。

6 結(jié)語

隨著新能源發(fā)電和智能配電網(wǎng)的迅速發(fā)展，含分布式新能源發(fā)電和智能用電的智能配電網(wǎng)將會(huì)成為今后常見的運(yùn)行模式。在詳細(xì)分析智能配電網(wǎng)物理模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究了各子系統(tǒng)的運(yùn)行特性、智能配網(wǎng)的保護(hù)及控制策略。對(duì)于研究智能配電網(wǎng)運(yùn)行新模式及大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。