新能源智能微網(wǎng)實驗平臺構(gòu)建與應(yīng)用

黃飛騰， 翁國慶

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院， 浙江 杭州 310023)

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新能源智能微網(wǎng)實驗平臺構(gòu)建與應(yīng)用

黃飛騰， 翁國慶

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院， 浙江 杭州 310023)

提出并實現(xiàn)了軟硬結(jié)合的新能源智能微網(wǎng)實驗平臺構(gòu)建方案，包含風光發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)、計算機仿真系統(tǒng)和電動汽車等設(shè)備。探討了基于該實驗平臺的科研應(yīng)用功能和開放探索型教學(xué)改革方法。實踐表明，該實驗平臺為科研和教學(xué)改革提供了較好的支撐條件，促成了多項國家級和省部級成果。所提設(shè)計方案和應(yīng)用實踐具有較強的推廣性和示范性。

新興特色; 新能源; 智能微網(wǎng); 教學(xué)改革; 實驗平臺

0 引 言

為讓電氣類人才培養(yǎng)適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展需求，以“新能源發(fā)電和智能電網(wǎng)”為特色發(fā)展方向，開展了我校電氣工程及其自動化專業(yè)的浙江省“十二五”高校新興特色專業(yè)建設(shè)工作[1]。提出了包含風能發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、電力系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)、智能電網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)、計算機電氣仿真系統(tǒng)和電動汽車等負荷設(shè)備的新能源智能微網(wǎng)實驗平臺構(gòu)建方案。

基于新能源智能微網(wǎng)實驗平臺，提出了電力系統(tǒng)自動化、繼電保護、供配電技術(shù)、電力系統(tǒng)分析等多門課程的開放探索型實驗教學(xué)改革方法。設(shè)立了一系列開放探索實驗項目，利用多樣化和現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)，并建立了基于校園網(wǎng)絡(luò)的課程輔助教學(xué)系統(tǒng)，優(yōu)化了教學(xué)模式和教學(xué)手段[2-4]。探討了該實驗平臺為我校教師在新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)和智能微網(wǎng)等研究、應(yīng)用。為科研和教學(xué)工作提供了有力的實驗支撐，促成了多項國家級和省部級成果。

1 實驗平臺構(gòu)建方案

實驗平臺的構(gòu)建思路是系統(tǒng)化的設(shè)計整體方案，然后優(yōu)化和整合了現(xiàn)有的實驗設(shè)備基礎(chǔ)上，再擴建新內(nèi)容新裝置，最后構(gòu)建成綜合性強、功能全面、軟硬結(jié)合的新能源智能微網(wǎng)實驗平臺，實驗平臺結(jié)構(gòu)總圖如圖1所示。該構(gòu)建方案充分利用了電氣專業(yè)實驗室的各種裝置，以重中之重學(xué)科為依托，圍繞新興特色專業(yè)建設(shè)，擴建了新能源發(fā)電系統(tǒng)、計算機仿真系統(tǒng)、電網(wǎng)智能化裝置、電動汽車和諧波分析儀等各種實驗設(shè)備。該方案優(yōu)化了實驗資源，降低了建設(shè)成本， 為開放探索型教學(xué)改革的實施創(chuàng)造了良好條件，為教師創(chuàng)新團隊科研工作提供了強力支撐。

圖1 新能源智能微網(wǎng)實驗平臺結(jié)構(gòu)總圖

實驗平臺結(jié)構(gòu)總圖1中，微電網(wǎng)采用單母線主接線形式，電壓等級400 V。1個進線回路通過PCC快速開關(guān)將微電網(wǎng)與市電相連，8個出線回路連接各大系統(tǒng)和各類負荷設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)由通信結(jié)構(gòu)與各設(shè)備連接，用Modbus連接線簡略標注在總圖上。

構(gòu)建成的新能源智能微網(wǎng)實驗平臺主要包含以下七大部分：

(1) 光伏發(fā)電系統(tǒng)。由64塊195Wp(Wpeak)單晶A級板光伏組件、1臺18 kW光伏并網(wǎng)逆變器、支架和線纜等附件組成，總?cè)萘繛?2.4 kWp。光伏組件分四路接入光伏逆變器直流側(cè)，經(jīng)過逆變成交流電，連接到微電網(wǎng)母線。

(2) 風能發(fā)電系統(tǒng)。包含3臺600 W水平軸風力發(fā)電機和3臺600 W垂直軸風力發(fā)電機。風力發(fā)電機陣列交替均勻布置，通過6只風機控制器將風機發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，連接到直流母線上，直流母線輸入到免維護膠體蓄電池組，蓄電池組再經(jīng)1臺4 kW的風機逆變器連接到微電網(wǎng)母線。

(3) 儲能系統(tǒng)。配置了膠體電池儲能76.8 kWh，由192只單體200 Ah的管式膠體電池連接而成，電池串額定電壓384 V，經(jīng)過雙向交直流整流逆變器(簡稱穩(wěn)定控制器)連接到400 V微電網(wǎng)母線。穩(wěn)定控制器允許直流電壓DC300～800 V，所有電池單體安裝在專設(shè)電池支架上，該電池儲能系統(tǒng)還配置了電池巡檢儀、監(jiān)控模塊、直流電流及溫度變送器等，監(jiān)控模塊具有RS485通信端口和液晶顯示屏，能對儲能系統(tǒng)主要參數(shù)進行現(xiàn)場或遠端監(jiān)控和管理。

(4) 智能電網(wǎng)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)。各類智能裝置通過RS485接口或以太網(wǎng)連接到通訊管理機，由通信管理機轉(zhuǎn)換Modbus協(xié)議后接入到后臺服務(wù)器，實現(xiàn)通信、監(jiān)控和調(diào)度。微電網(wǎng)計算機監(jiān)控系統(tǒng)安裝有PSCADA監(jiān)控軟件，對各電氣回路、逆變器、保護裝置和電力儀表等采集數(shù)據(jù)。采集信息存入實時數(shù)據(jù)庫，所有數(shù)據(jù)量能夠通過工作站上的人機界面，以圖形、曲線、報警信息等方式直觀顯示，并具備在人機界面上進行遙控操作的功能。

(5) 電力系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)。包含7臺WDT-IIIC型綜合自動化試驗臺、8臺DJZ-IIIC型電氣控制及繼電保護試驗臺和1臺PS-7G型微機監(jiān)控試驗系統(tǒng)。包含異步電動機、同步發(fā)電機、微機保護裝置、勵磁調(diào)節(jié)裝置、準同期裝置、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS、繼電保護裝置、自動重合閘裝置、電力聯(lián)網(wǎng)組件和智能檢測儀表。該系統(tǒng)綜合性強，安全保護措施全面，能實現(xiàn)豐富多變的線路模型與并網(wǎng)功能。

(6) 計算機電氣仿真系統(tǒng)。包含33臺計算機微機系統(tǒng)和仿真軟件。仿真軟件有PSASP電力系統(tǒng)仿真軟件，EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件、HDDZMS-II微機監(jiān)控管理系統(tǒng)、MATLAB/SIMULINK電力系統(tǒng)建模與仿真、MCGS組態(tài)軟件等，能進行各種電氣仿真和調(diào)試。

(7) 各類負荷設(shè)備。有可變動態(tài)RLC負載2臺，包含可調(diào)節(jié)的電阻、電容、電感、電動機等各類負載，可模擬自定義特性的綜合負荷。還有電動汽車、電動自行車、大功率空調(diào)、手機充電樁、TK諧波分析儀、電子式互感器、調(diào)相機、變壓器和無功補償器等豐富多樣的用電設(shè)備和實驗裝置。

該新能源智能微網(wǎng)實驗平臺綜合了光伏發(fā)電、風力發(fā)電、儲能設(shè)施、同步發(fā)電機發(fā)電等多種分布式能源，選用優(yōu)質(zhì)的軍工級元器件，配備了完善的保護功能，能離網(wǎng)(孤島)運行或并網(wǎng)運行。通過微電網(wǎng)智能化，實現(xiàn)對多種分布式可再生電源的利用和調(diào)控，以及微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間進行配合。構(gòu)建的實驗平臺與國家電網(wǎng)智能化發(fā)展定位相匹配，具有信息化、自動化、智能化等特征，且具有可靠、穩(wěn)定、自愈、靈活、經(jīng)濟、兼容、高效等優(yōu)點。每年可再生能源平均發(fā)電量超過50 000 kWh，不只是節(jié)省了學(xué)校電費，且為低碳經(jīng)濟模式起到示范性作用。

2 教學(xué)改革

基于新能源智能微網(wǎng)實驗平臺，針對電力系統(tǒng)自動化、繼電保護、供配電技術(shù)、電力系統(tǒng)分析等多門電氣專業(yè)課程，開發(fā)設(shè)計了一系列的實驗教學(xué)項目。列舉其中一些開放探索性實驗如表1所示。

表1 開放探索性實驗項目表

改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，讓處于被動狀態(tài)的學(xué)生能量釋放出來，自主探索，勇于創(chuàng)新。開放探索實驗充分發(fā)揮了學(xué)生的主動性，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[5-7]。開放探索性實驗的設(shè)計方法是將教學(xué)內(nèi)容融入到實驗項目中，設(shè)計出多種開放探索實驗。這些開放實驗的學(xué)習(xí)目的明確，但限制條件較少，以項目形式交予學(xué)生小組來完成，教師提供必要的指導(dǎo)和安全防護[8-9]。學(xué)生團隊合作或分工協(xié)同，查閱文獻，制定計劃，自主完成開放實驗。在實驗過程中，運用和掌握“電力系統(tǒng)自動化”課程專業(yè)知識、分析并解決實驗中碰到的問題，既能鍛煉實踐能力，又能培養(yǎng)創(chuàng)新思維[10-12]。

新能源智能微網(wǎng)實驗平臺既能進行入門實驗，也可以進行各類高級的電力系統(tǒng)大型設(shè)計教學(xué)實驗，還可提供開放探索性實驗項目和各類軟件仿真實驗平臺，供學(xué)生進行自主設(shè)計、調(diào)試仿真和創(chuàng)新實驗。從裝置級到系統(tǒng)級為學(xué)生創(chuàng)新實踐提供了全方位的軟件、硬件條件，達到理論和實踐緊密結(jié)合的目的，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實踐創(chuàng)新能力。還利用多樣化和現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)，建立了基于校園網(wǎng)絡(luò)的課程輔助教學(xué)系統(tǒng)，優(yōu)化了教學(xué)模式和教學(xué)手段[13-15]。

實踐表明，基于新能源智能微網(wǎng)實驗平臺的多門課程的開放探索型教學(xué)改革，使得理論和實踐緊密結(jié)合，加強了科學(xué)前沿教育，取得了良好的教學(xué)效果。學(xué)生的主動性和實踐創(chuàng)新能力得到了提高，培養(yǎng)出了一批優(yōu)秀的創(chuàng)新人才。我校已有不少學(xué)生經(jīng)過教師指導(dǎo)，在該實驗平臺基礎(chǔ)上，取得了許多創(chuàng)新成果，如國家大學(xué)生科技創(chuàng)新項目“基于雙PWM 變流控制的風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)研究”、浙江省新苗計劃項目“微網(wǎng)電能質(zhì)量綜合評估及智能診斷方法的研究”、浙江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化項目“市電補償式光伏發(fā)電系統(tǒng)”等許多優(yōu)秀成果。

實驗平臺還為教學(xué)改革或?qū)I(yè)建設(shè)項目提供了重要支撐，也提高了創(chuàng)新團隊教師的教學(xué)水平。如浙江省新興特色專業(yè)建設(shè)項目、浙江省國際化專業(yè)建設(shè)項目、浙江省財政廳專項電氣專業(yè)能力實踐基地建設(shè)項目和多項浙江工業(yè)大學(xué)教改專項項目等項目，和全國高校青年教師教學(xué)競賽工科組二等獎、浙江省高校青年教師教學(xué)技能競賽省級優(yōu)秀獎等。

3 科研應(yīng)用

“智能微網(wǎng)”創(chuàng)新團隊所在信息學(xué)院屬于浙江省“重中之重”立項學(xué)科，智能電網(wǎng)和新能源發(fā)電是其非常重要的一個研究方向。新能源智能微網(wǎng)實驗平臺，為教師創(chuàng)新團隊順利開展科研工作提供了重要保證。

創(chuàng)新團隊在新能源智能微網(wǎng)實驗平臺進行了大量實驗測試，加上各教師在電氣領(lǐng)域積累的深厚基礎(chǔ)，促成了眾多國家級或省部級科研成果。創(chuàng)新團隊主要成員先后主持了“適于分布式發(fā)電協(xié)調(diào)控制的WPM配電網(wǎng)通信技術(shù)”、“獨立型微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化配置研究”、“面向智能配電網(wǎng)的電能質(zhì)量擾動源自動定位關(guān)鍵技術(shù)研究”等 6項國家自然科學(xué)基金項目，和“分布式在線電能質(zhì)量監(jiān)測儀的研制”、“含電動汽車并網(wǎng)的智能微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究” 、“模塊化光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究”等11項省級科研項目。創(chuàng)新團隊主要成員申請了“一種配電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動源自動定位方法”、“適用于30 kVar三相共補無功補償?shù)闹悄芸刂仆肚醒b置”、“參與調(diào)頻服務(wù)的電動汽車充電時序確定與服務(wù)車輛選擇方法”等發(fā)明專利12項，在國內(nèi)外重要期刊和國際會議上發(fā)表了與該實驗平臺相關(guān)的學(xué)術(shù)論文40多篇，研究工作得到了同行的認可。

新能源智能微網(wǎng)實驗平臺的構(gòu)建，促進校企合作，協(xié)同創(chuàng)新。創(chuàng)新團隊與浙江省電力試驗研究院、溫州電力設(shè)計有限公司等單位在“智能微網(wǎng)技術(shù)”研究上有良好的合作關(guān)系，可在其海島微網(wǎng)示范基地進行相關(guān)實驗測試，與本實驗平臺進行“對比”研究。還定期聘請多名國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜摇W(xué)者前來講學(xué)交流，開展關(guān)于“新能源發(fā)電”和“智能微網(wǎng)”的學(xué)術(shù)報告。

4 結(jié) 語

新能源發(fā)電和智能電網(wǎng)是我校電氣專業(yè)的特色發(fā)展方向。本文提出了包含風光發(fā)電、儲能系統(tǒng)、監(jiān)控與調(diào)度、綜合自動化、計算機仿真和電動汽車等設(shè)備的新能源智能微網(wǎng)實驗平臺構(gòu)建方案。提出了電力系統(tǒng)自動化、繼電保護等多門專業(yè)課程的開放探索型教改方法，通過設(shè)立開放探索實驗項目，利用現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)，優(yōu)化了教學(xué)模式。探討了該實驗平臺為教師在科研上的應(yīng)用，開展了許多關(guān)于智能電網(wǎng)、新能源發(fā)電、微電網(wǎng)技術(shù)和電動汽車的科學(xué)研究。

實踐表明，該實驗平臺為科研和教學(xué)改革提供了良好的支撐條件，促成了十多項國家級或省部級科研成果，培育了一批優(yōu)秀的創(chuàng)新人才，并提高了師資隊伍的學(xué)術(shù)水平。所提設(shè)計方案和應(yīng)用實踐具有較強的推廣性和示范性，對相關(guān)專業(yè)進行實驗平臺建設(shè)具有借鑒意義。

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Construction and Application of Experimental Platform of New Energy and Smart Micro Grid

HUANGFei-teng，WENGGuo-qing

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

This paper proposes and implements a experimental platform of construction scheme of new energy and smart micro grid, it includes wind and solar power systems, energy storage system, monitoring and dispatching systems, automation system, computer simulation system, electric vehicles, and other equipment. It discusses the scientific research and open exploratory teaching reform by using the experimental platform. Practice shows that this experiment platform provides supports for scientific research and teaching reform, contributes much to a number of national, provincial and ministerial projects. The proposed design scheme and application practice have strong popularization and demonstration.

emerging features; new energy; smart micro grid; teaching reform; experimental platform

2014-07-12

國家自然科學(xué)基金項目(51207139);浙江省教育廳科研項目(Y201431752);浙江工業(yè)大學(xué)2013年校級重點建設(shè)專業(yè)項目;浙江省新興特色專業(yè)建設(shè)項目(080601);浙江工業(yè)大學(xué)教學(xué)方法改革專項項目(JGZ13O3)

黃飛騰 (1984-)，男，浙江溫州人，碩士，實驗師，主要研究方向：電力自動化、智能微網(wǎng)。

Tel.：13957167336； E-mail：hfate@zjut.edu.cn

TM 727

A

1006-7167(2015)03-0108-03