智能微網(wǎng)培訓(xùn)系統(tǒng)初探

隨著各國經(jīng)濟的發(fā)展，能源需求，特別是電能需求也隨之迅速增長。電網(wǎng)的規(guī)模也愈來愈大，超大規(guī)模電力系統(tǒng)和超大規(guī)模網(wǎng)架帶來的弊病也日益顯現(xiàn)。往往為了保證用戶提出的越來越高和越來越多樣化的安全性和可靠性要求，運行成本和運行難度亦與日俱增。在此基礎(chǔ)上，各國都已經(jīng)在分布式發(fā)電的基礎(chǔ)上，開展微電網(wǎng)的研究，各國都立足于本國電力系統(tǒng)的實際問題，提出了能夠適應(yīng)其自身的微電網(wǎng)概念和發(fā)展目標。自從中國開始注重新能源的發(fā)展，促進光伏、風(fēng)能等新興產(chǎn)業(yè)的政策不斷出臺，“光明計劃”“金太陽計劃”等各種計劃陸續(xù)施行，為企業(yè)打入“興奮劑”。無論是新農(nóng)村建設(shè)，還是在城市供電網(wǎng)中，微網(wǎng)正扮演一個越來越重要的角色，并成為中國可持續(xù)發(fā)展中電網(wǎng)的發(fā)展方向。微網(wǎng)是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負荷和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，具有電源容量小、電壓等級低、接近負荷中心、運行方式靈活、可聯(lián)網(wǎng)也可孤島運行的特點，可靠性高，停電幾率小，還可以解決邊遠地區(qū)供電難問題，是最能體現(xiàn)節(jié)能、減排、安全、靈活等優(yōu)點的能源發(fā)展方式。

2013年，內(nèi)蒙古電力（集體）有限責(zé)任公司培訓(xùn)中心教學(xué)科研團隊經(jīng)過多地調(diào)研，準備籌建新能源仿真培訓(xùn)系統(tǒng)；該系統(tǒng)是包含風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電力儲能，并具有微網(wǎng)特性的實際運行系統(tǒng)示范工程，預(yù)計2014年5月通過整體驗收。

系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)想

該系統(tǒng)主要由分布式電源發(fā)電、儲能裝置、交直流負荷、能量管理系統(tǒng)、測控保護裝置和監(jiān)控裝置匯集而成的智能型的微電網(wǎng)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)建成以后可實現(xiàn)：

（1）實現(xiàn)分布式電源、智能儲能系統(tǒng)友好接入電網(wǎng)，實現(xiàn)與配電網(wǎng)并網(wǎng)協(xié)調(diào)運行。

（2）建成微網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)控、分布式發(fā)電接入微網(wǎng)控制、功率分配調(diào)度與發(fā)電控制、電能平衡和負載控制的應(yīng)用平臺。

（3）實現(xiàn)微網(wǎng)雙向潮流環(huán)境下控制保護協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)。

（4）完成分布式光伏電源、儲能系統(tǒng)智能協(xié)調(diào)工作，成功實現(xiàn)孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)、并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島方式的自動切換。

系統(tǒng)設(shè)計方案

智能微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方案

微網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)按區(qū)域可劃分為微網(wǎng)控制設(shè)備室、屋頂光伏系統(tǒng)、室外風(fēng)力發(fā)電等三個區(qū)域。最終建成一個包含新能源發(fā)電（含使用光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)機發(fā)電系統(tǒng)）、儲能裝置（鉛酸電池儲能）、交直流負荷（含模擬負載、普通負荷）、測控保護裝置、能量管理系統(tǒng)匯集而成的微網(wǎng)系統(tǒng)。

微網(wǎng)系統(tǒng)通過微網(wǎng)進線開關(guān)和主網(wǎng)連接，有并網(wǎng)運行和孤島運行兩種方式，并可實現(xiàn)功率平滑控制、需求側(cè)響應(yīng)、能效分析等高級功能。微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)微網(wǎng)主要設(shè)備的信息采集、設(shè)備控制、狀態(tài)監(jiān)視等功能，可與配網(wǎng)SCADA系統(tǒng)進行有機連接。

該系統(tǒng)平臺為進一步研究微網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)分析和數(shù)字仿真技術(shù)、微網(wǎng)能量管理技術(shù)、微網(wǎng)的并網(wǎng)應(yīng)用和經(jīng)濟運行理論奠定了基礎(chǔ)。

交互式培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計方案

交互式培訓(xùn)系統(tǒng)采用交互式仿真軟件支撐平臺解決分布式仿真培訓(xùn)系統(tǒng)互操作性、分布性、異構(gòu)性、時空一致性和開放性問題，具有良好的規(guī)?？缮炜s性，能夠滿足展示和仿真互動培訓(xùn)的需要。

交互式可視化仿真支撐平臺由可視化視頻展示、組件化三維建模，數(shù)據(jù)庫管理、人機交互界面等子系統(tǒng)以及模型庫，為上層各應(yīng)用提供公共的展示和培訓(xùn)基礎(chǔ)服務(wù)。

同時軟件系統(tǒng)還具有培訓(xùn)管理系統(tǒng)的功能。包括培訓(xùn)業(yè)務(wù)管理、培訓(xùn)過程管理、系統(tǒng)輔助管理。

系統(tǒng)組成部分

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，含5kW光伏電池和三相光伏并網(wǎng)逆變器。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，含2kW的風(fēng)力發(fā)電機組和三相變頻器接入微網(wǎng)。

風(fēng)機控制器系統(tǒng)

風(fēng)機控制器系統(tǒng)，采用PWM方式控制風(fēng)機對蓄電池進行限流限壓充電，即在蓄電池電量較低時，采用限流充電。也就是當風(fēng)機充電電流小于限流點時，風(fēng)機的能量全部給蓄電池充電。當風(fēng)機電流大于限流點時，以限流點的電流給蓄電池充電，多余的能量通過PWM方式卸載。在蓄電池電量較高時，采用限壓充電。也就是當蓄電池電壓低于限壓點時，風(fēng)機的能量全部給蓄電池充電。當蓄電池電壓達到限壓點時，風(fēng)機會以限壓點對蓄電池充電，多余的能量通過PWM方式卸載。該系統(tǒng)具有完善的保護功能，包括：蓄電池過充電、蓄電池防反接、防雷、風(fēng)機限流、風(fēng)機自動剎車和手動剎車。

并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)

并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)，采用美國TI公司專用DSP控制芯片，主電路采用國際知名的西門康IGBT功率模塊組裝，運用電流控制型PWM有源逆變技術(shù)和優(yōu)質(zhì)進口高效隔離變壓器，可靠性高，保護功能齊全，且具有電網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)正弦波電流、無諧波污染供電等特點。

雙向儲能逆變器

雙向儲能逆變器，主要功能和作用是實現(xiàn)交流電網(wǎng)電能與儲能電池電能之間的能量雙向傳遞，也是一種雙向變流器，可以適配多種直流儲能單元，如超級電容器組、蓄電池組、飛輪電池等，其不僅可以快速有效地實現(xiàn)平抑分布式發(fā)電系統(tǒng)隨機電能或潮流的波動，提高電網(wǎng)對大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電（風(fēng)能、光伏）的接納能力，且可以接受調(diào)度指令，吸納或補充電網(wǎng)的峰谷電能，及提供無功功率，以提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量和經(jīng)濟效益。在電網(wǎng)故障或停電時，其還具備獨立組網(wǎng)供電功能，以提高負載的供電安全性。

蓄電池

蓄電池，為20塊12V200AH的太陽能專用膠體電池（浮充次數(shù)不少于1500次）工作溫度在-40℃～+55℃。具有防水措施，抗腐蝕性能及深循環(huán)性能好。

智能微網(wǎng)控制系統(tǒng)

智能微網(wǎng)控制系統(tǒng)，采用武漢日新公司產(chǎn)品，該公司研發(fā)的智能微網(wǎng)控制系統(tǒng)為新技術(shù)產(chǎn)品，本設(shè)備可實現(xiàn)在各種狀態(tài)下智能、穩(wěn)定切換，極大的提高了內(nèi)部電網(wǎng)的系統(tǒng)安全性。太陽能電力、市電、儲能單元互為備用，負載供電首選太陽能電力，有多余電量則并入電網(wǎng)；儲能單元在電網(wǎng)故障時可滿足負載供電要求；太陽能電力不足時，引入市電對負載進行供電。用電負載供電方式靈活按照電網(wǎng)狀態(tài)選擇切換，各供電方式切換平穩(wěn)迅速，實現(xiàn)了系統(tǒng)安全性的提高和太陽能電力利用最大化。

智能微網(wǎng)控制系統(tǒng)集成監(jiān)控系統(tǒng)功能，可實時監(jiān)控光伏控制器、逆變器、光伏陣列等設(shè)備，對整個系統(tǒng)的運行情況通過友好的界面實時的顯示出來。主要功能包括：設(shè)備自動檢索：新設(shè)備一旦被接入系統(tǒng)，會被自動檢索，并顯示在設(shè)備列表中；遠程查詢：用戶可以在任何一臺能登陸網(wǎng)絡(luò)的PC上實時監(jiān)控點點的運行情況；系統(tǒng)詳細運行參數(shù)：實時顯示光伏控制器、離網(wǎng)逆變器、光伏陣列等的運行參數(shù)；故障記錄及報警：通過聲光等手段及時提醒故障，并作記錄；歷史數(shù)據(jù)記錄：可查詢設(shè)備指定時間范圍內(nèi)的運行參數(shù)信息。

RLC交流負載系統(tǒng)

RLC交流負載模擬器作為微網(wǎng)系統(tǒng)三相模擬負載，主要用于測試微網(wǎng)系統(tǒng)對感性、阻性、容性負載的帶載能力以及微網(wǎng)控制策略對于負載變化的響應(yīng)情況。其接線形式如下圖所示。

能量管理平臺面向各種控制和優(yōu)化目標，通過對電源出力調(diào)節(jié)和自動網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)實現(xiàn)電網(wǎng)的能量管理。可實現(xiàn)優(yōu)化目標包括：

1）平抑波動控制

平抑波動控制主要是指按照一定的策略控制分布式電源系統(tǒng)的發(fā)電功率和接入狀態(tài)，以保證在滿足負荷需求的前提下盡量多地使用清潔能源，而且同時要保證分布式電源所發(fā)電能全部就地消耗，系統(tǒng)也不會向電網(wǎng)反送功率，避免出現(xiàn)逆功率保護動作造成停電。

為了達到這一控制目的，需要在對各分布式電源系統(tǒng)發(fā)電的實時功率、負荷消耗功率、光照強度等一系列參數(shù)進行實時采集、綜合分析的基礎(chǔ)之上，實時計算得出當前分布式電源發(fā)電功率的調(diào)節(jié)目標，并采用以下手段來實現(xiàn)調(diào)節(jié)：

遙調(diào)：通過遠傳通道下達調(diào)節(jié)命令，改變分布式電源的發(fā)電功率

遙控：控制開關(guān)分、合閘以切除或投入該路分布式電源

2）需求側(cè)響應(yīng)

在實時電價基礎(chǔ)上進行需求側(cè)響應(yīng)的研究。通過峰谷電價調(diào)節(jié)，實現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)調(diào)節(jié)負荷和分布式電源達到削峰填谷的目的。分布式電源對于電網(wǎng)而言本身具有一定的正調(diào)峰特性。而對于微網(wǎng)中的儲能系統(tǒng)而言，在參與削峰填谷時，通常根據(jù)負荷的高峰和低谷區(qū)域作為電池工作方式切換的邊界點。

3）優(yōu)化經(jīng)濟運行

根據(jù)電網(wǎng)分時電價與負荷狀況，合理分配光伏系統(tǒng)和風(fēng)機發(fā)電功率、儲能系統(tǒng)充放電狀態(tài)，使得整個微網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)經(jīng)濟運行，大大降低運行成本，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最優(yōu)化。

4）并網(wǎng)與孤島運行模式切換

當市電網(wǎng)發(fā)生故障時，微網(wǎng)系統(tǒng)通過斷開并網(wǎng)開關(guān)在10ms內(nèi)將微網(wǎng)從市電解列，同時儲能系統(tǒng)從P-Q模式切換到V-F模式，作為主電源支撐微網(wǎng)的頻率和電壓保持恒定，保證在并網(wǎng)/孤島切換瞬間各級負荷供電不中斷，發(fā)電機和光伏系統(tǒng)保持切換前的工作模式繼續(xù)發(fā)電，并根據(jù)負荷需要調(diào)節(jié)發(fā)電功率和投切控制。當市電網(wǎng)恢復(fù)正常后，如果檢測到并網(wǎng)開關(guān)電網(wǎng)側(cè)電壓正常并持續(xù)1s，儲能系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和風(fēng)機系統(tǒng)相繼轉(zhuǎn)為并網(wǎng)運行。

（作者供職于內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司培訓(xùn)中心）