風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)型微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與建設(shè)

胡 平，祁 鑫，梁 棟

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712000；2.長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，西安710061）

0 引 言

目前，能源與環(huán)境兩大難題阻礙著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，為突破瓶頸各國(guó)都開始競(jìng)相開展對(duì)能源的研究與探索。微電網(wǎng)因其自身的特點(diǎn)被視為開發(fā)可再生能源的有效形式［1］。本文在微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)包含有多種運(yùn)行方式和運(yùn)行控制策略的微網(wǎng)系統(tǒng)，以多逆變器并聯(lián)組網(wǎng)方式下微電網(wǎng)的并網(wǎng)/孤網(wǎng)/實(shí)驗(yàn)/生產(chǎn)狀態(tài)能平滑切換運(yùn)行為技術(shù)核心。以陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院為平臺(tái)，搭建基于風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)型微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室目前配備有10套3 kW單相光伏系統(tǒng)、2套10 kW三相光伏系統(tǒng)、2套1 kW雙軸跟蹤光伏系統(tǒng)、2套2 kW室外水平軸風(fēng)力系統(tǒng)、2套2 kW室外垂直風(fēng)力系統(tǒng)、1套5 kW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)、1套5 kW永磁同步風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)、50 kW雙向儲(chǔ)能變流系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池組、模擬架空線路、監(jiān)控及能量管理系統(tǒng)等［2］。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式能源的發(fā)電、變電、輸電、儲(chǔ)電、檢測(cè)、保護(hù)、監(jiān)控等功能［3］。圖1為智能微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的總體結(jié)構(gòu)圖。其中PCC點(diǎn)為并網(wǎng)點(diǎn)，系統(tǒng)中的蓄電池，光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，負(fù)荷連接在同一條交流母線上。在配電網(wǎng)線路設(shè)計(jì)方面充分考慮了工程實(shí)踐與科研需求。一端與校園交流母線直接相連，在系統(tǒng)自身電能滿足需求且儲(chǔ)能達(dá)到上限的情況下向大電網(wǎng)輸送電。另一端接實(shí)驗(yàn)室模擬的架空線路，方便學(xué)生完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。兩者通過操作外部裝置開關(guān)，進(jìn)行連接。整個(gè)系統(tǒng)通過modbus進(jìn)行通信連接。

圖1 智能微電網(wǎng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 微電網(wǎng)子系統(tǒng)

2.1 光伏系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)包括光伏電池組件、變流設(shè)備和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)柜等，具備發(fā)電、控制、監(jiān)控、保護(hù)等功能。光伏板包括固定式光伏板如圖2（a）所示和雙軸跟蹤式光伏板如圖2（b）所示。光伏總功率52 kW。光伏陣列是將光伏板串聯(lián)組成的，經(jīng)光伏發(fā)出的電通過逆變器逆變后接入交流母線［4］。為方便對(duì)每套光伏板的控制，系統(tǒng)中的每套光伏組件都單獨(dú)經(jīng)逆變后并入到0.4 kV校園交流母線。其中10 kW光伏電池組件經(jīng)三相逆變器逆變成交流電，3 kW光伏電池組件經(jīng)單相逆變器逆變成交流電，用1 kW雙軸跟蹤光伏系統(tǒng)來進(jìn)行電壓不平衡的調(diào)整。在設(shè)計(jì)之初，為方便對(duì)每塊光伏板的發(fā)電量進(jìn)行控制及監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)對(duì)每個(gè)逆變器都可進(jìn)行限制調(diào)節(jié)。

圖2 光伏電池板

并網(wǎng)系統(tǒng)柜可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功率、電壓等信息，也可查詢歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列的輸出變化記錄。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)柜在配有儲(chǔ)能系統(tǒng)的情況下可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)、孤島運(yùn)行及并離網(wǎng)切換等工作模式。

此外，并網(wǎng)系統(tǒng)柜內(nèi)均安裝了完善的避雷器，可以預(yù)防雷電沖擊波對(duì)線路和設(shè)備的損壞。

2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

為適應(yīng)咸陽(yáng)地區(qū)風(fēng)速低、次數(shù)少的氣候特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室在設(shè)有常規(guī)的室外風(fēng)發(fā)電單元外，還裝配有室內(nèi)的模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)機(jī)總功率18 kW。

室外風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由室外風(fēng)機(jī)（包括水平軸風(fēng)機(jī)與垂直軸風(fēng)機(jī)）和室內(nèi)并網(wǎng)控制系統(tǒng)柜組成。并網(wǎng)柜可收集風(fēng)機(jī)的電壓、電流，逆變器輸出電壓和電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等其他相關(guān)數(shù)據(jù)，使設(shè)備能夠在安全的環(huán)境下運(yùn)行。風(fēng)力控制器采用ARM內(nèi)核的32位STM32F103VET6芯片來完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與計(jì)算［5］。鑒于實(shí)驗(yàn)室所在地區(qū)的氣候特點(diǎn)，室外風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電量中的占比很小。

模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括模擬風(fēng)機(jī)（含5 kW模擬永磁風(fēng)機(jī)與5 kW模擬雙饋異步風(fēng)機(jī)）如圖3所示，以及模擬風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電柜。系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程控制變頻器的方式來操控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而得到不同的風(fēng)速。圖4為變流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。變流器的網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)均為7單元IPM模塊構(gòu)建，直流環(huán)節(jié)的電容采用450 V的電解電容兩串四并的方式可以大程度的提高系統(tǒng)的耐壓和容量要求。機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器內(nèi)部IPM的溫度采用溫度傳感器測(cè)量，方便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變流器的溫度變化。

圖3 模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)

圖4 雙向變流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3 儲(chǔ)能管理系統(tǒng)

儲(chǔ)能管理系統(tǒng)包括儲(chǔ)能雙向變流器如圖5（a）與蓄電池柜如圖5（b）。儲(chǔ)能雙向變流器用于連接儲(chǔ)能電池與市網(wǎng)，可以把儲(chǔ)存的電能釋放供系統(tǒng)負(fù)載使用，也可以吸收多余的電能用于存儲(chǔ)，可以進(jìn)行直流電能與交流電能的相互轉(zhuǎn)換。蓄電池柜是由24組鉛酸電池彼此串聯(lián)構(gòu)成。具有并網(wǎng)充放電、獨(dú)立逆變的功能，每組電池的電壓為12 V，容量為200 Ah［6］。

圖5 儲(chǔ)能管理系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)可以用于新能源發(fā)電的能量?jī)?chǔ)存、負(fù)荷的削峰填谷、微電網(wǎng)的黑啟動(dòng)等作用。儲(chǔ)能裝置的存在很好的解決光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電在很大程度上受外界條件影響的問題［7］。通過儲(chǔ)能電池實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)中輸出能量的合理調(diào)控，維持分布式電源系統(tǒng)內(nèi)部的功率平衡，達(dá)到能源的高效利用。

2.4 模擬線路

模擬線路包含有模擬10 kV輸電線路和模擬系統(tǒng)故障柜。在模擬輸電線路中，安裝模擬輸電線路2組，電抗器采用π單元接線，共組成一條模擬輸電線路；每個(gè)π單元組模擬5 km線路參數(shù)：采用7股絞合銅線繞制成空心電抗器［8］。

模擬架空線路π型等值電路圖如圖6所示，以單位長(zhǎng)度的架空線路作為等效值，則圖中電阻R0＝1.68 Ω；電感L0＝9.11 mH；電容C0＝9 nF。

圖6 π型等值電路圖

變壓器選用額定容量為50 kVA，變比為380 V/800 V，變壓器運(yùn)用的是三相三柱雙繞組的形式，可承受10 s三相故障，并能承受多次的短路試驗(yàn)。

2.5 負(fù)荷

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在負(fù)荷的組成方面設(shè)計(jì)有感性、阻性和容性3種類型模擬負(fù)荷以及非線性的外接負(fù)荷，外接負(fù)荷連接實(shí)驗(yàn)室所在大樓的照明用電。很好地滿足了研究微電網(wǎng)系統(tǒng)的帶載特性、電能質(zhì)量、能量管理和繼電保護(hù)功能等方面的需求。另外還預(yù)留有交流三相母線，滿足其他實(shí)驗(yàn)需求。

3 微電網(wǎng)監(jiān)控與能量管理系統(tǒng)

3.1 微電網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

微網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)需同本地保護(hù)和遠(yuǎn)程配電控制協(xié)調(diào)共同作用，主要作用：① 實(shí)時(shí)監(jiān)控類。SCADA監(jiān)控系統(tǒng)。②業(yè)務(wù)管理類。包括微電網(wǎng)電流（接觸線電流，DG節(jié)點(diǎn)電流，負(fù)載電流等），DG發(fā)電預(yù)測(cè)，DG發(fā)電控制和功率平衡控制。③ 智能分析決策類。微電網(wǎng)能源優(yōu)化調(diào)度等。

微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)收集DG電源點(diǎn)、線路、配電網(wǎng)和負(fù)載等實(shí)時(shí)信息，形成對(duì)整體微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)微網(wǎng)運(yùn)作及能量平衡約束，實(shí)時(shí)維持系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)［9］。在微電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，能量管理是集成DG、負(fù)載、能量存儲(chǔ)設(shè)備和配電網(wǎng)接口之間的中心。圖7所示為微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的功能架構(gòu)圖。

圖7 微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)圖

3.2 微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)組成

3.2.1 光伏發(fā)電監(jiān)控

全面監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息和報(bào)警信息，分析統(tǒng)計(jì)光伏發(fā)電的各個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的全面控制，主要作用：①實(shí)時(shí)顯示PV當(dāng)前發(fā)電量，日發(fā)電量以及累計(jì)總發(fā)電量，此外還有CO2減排總量。②檢查每臺(tái)光伏逆變器的運(yùn)行參數(shù)，包含直流電壓與電流，交流電壓、電流以及頻率，當(dāng)前發(fā)電量，功率因數(shù)，日發(fā)電量，總發(fā)電量和累計(jì)二氧化碳減排量，變頻器內(nèi)部溫度和功率輸出等［10］。③ 監(jiān)控逆變器的運(yùn)行狀態(tài)，使用聲光報(bào)警模式指示設(shè)備故障，查看故障原因和故障時(shí)間。系統(tǒng)可檢測(cè)的故障信息如圖8所示。④預(yù)測(cè)光伏發(fā)電的短期和超短期發(fā)電，為微電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化調(diào)度提供依據(jù)［11］。⑤ 調(diào)整光伏發(fā)電，控制光伏逆變器的啟動(dòng)和停止。

圖8 系統(tǒng)故障信息

3.2.2 風(fēng)力發(fā)電監(jiān)控

監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息和報(bào)警信息，統(tǒng)計(jì)分析風(fēng)力發(fā)電的各個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的整體操控［12］。

3.2.3 儲(chǔ)能監(jiān)控

全面監(jiān)控儲(chǔ)能電池和PCS的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息和報(bào)警信息，并對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能的全面控制，主要作用：① 實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前放電容量，可充電量，最大放電功率，電流放電功率，可放電時(shí)間，總充電量和儲(chǔ)存能量的總放電量。② 遙信：AC/DC變流器的運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)信息和報(bào)警信息。③ 遙測(cè)：AC/DC雙向變流器的電池電壓，電池充放電電流，交流電壓，輸入輸出功率等［13］。④ 遙調(diào)：遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)電池充放電時(shí)間，充放電電流和電池保護(hù)電壓，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端AC/DC雙向變流器相關(guān)參數(shù)的調(diào)整。⑤ 遙控：遠(yuǎn)程操控AC/DC雙向變流器達(dá)到對(duì)電池的充放電［14］。

3.2.4 負(fù)荷監(jiān)控

監(jiān)控負(fù)載運(yùn)行與報(bào)警情況，并在各個(gè)方面進(jìn)行負(fù)載的統(tǒng)計(jì)與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要作用：①監(jiān)測(cè)負(fù)荷電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率。②記錄負(fù)荷最大功率及時(shí)間。

3.2.5 微電網(wǎng)綜合監(jiān)控

監(jiān)控微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的綜合信息，包括微電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率，PCC點(diǎn)的電壓和配電功率交換，以及微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)總發(fā)電量［15］。剩余蓄電量，微電網(wǎng)總有功負(fù)荷，總無功負(fù)荷，敏感負(fù)載總有功，可控負(fù)載總有功，完全可移除負(fù)載總有功。并監(jiān)控實(shí)時(shí)信息，如微電網(wǎng)中每個(gè)斷路器的開關(guān)狀態(tài)，每個(gè)支路的有功功率，無功功率，以及每個(gè)設(shè)備的報(bào)警信息。如圖9所示為微電網(wǎng)綜合監(jiān)控主界面。

圖9 微電網(wǎng)綜合監(jiān)控主界面

3.3 微電網(wǎng)能量管理

微網(wǎng)能量管理預(yù)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的功率（包括發(fā)電和儲(chǔ)能）和負(fù)載。根據(jù)分布式電源和負(fù)載特性，優(yōu)化控制內(nèi)部發(fā)電，儲(chǔ)能裝置和負(fù)載，確保整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行［16］。提高微電網(wǎng)的能源利用效率。

孤島運(yùn)行時(shí)，離網(wǎng)能量平衡調(diào)節(jié)分布式發(fā)電輸出，電池輸出和負(fù)載功耗。實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)后系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，充分利用分布式發(fā)電，確保重要負(fù)載的持續(xù)供電。同時(shí)，它提升了發(fā)電的有效利用和負(fù)載供電的安全性。微電網(wǎng)孤島運(yùn)行調(diào)度流程見圖10。

圖10 微電網(wǎng)孤島運(yùn)行調(diào)度流程

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)負(fù)荷峰谷時(shí)段用電情況、光伏發(fā)電情況形成儲(chǔ)能的預(yù)期充放電，進(jìn)而調(diào)整微電網(wǎng)的峰谷，平滑電力負(fù)荷和分配電力的輸出［17］。微電網(wǎng)并網(wǎng)調(diào)度流程見圖11。

圖11 微電網(wǎng)并網(wǎng)調(diào)度流程圖

微電網(wǎng)的監(jiān)控與能量管理采用中央管理機(jī)與PLC配合模式，各儀表與微機(jī)保護(hù)器均通過RS485獨(dú)立連接中央管理機(jī)，各分布式能源點(diǎn)通過以太網(wǎng)連接中央管理機(jī)。如圖12所示為微電網(wǎng)的通信原理框圖。

圖12 微電網(wǎng)的通信原理框圖

4 科研應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過不斷地優(yōu)化和調(diào)試，目前系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，基本實(shí)現(xiàn)了原來的設(shè)計(jì)思路，不但可以為建筑物供電，而且可以滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，同時(shí)滿足教師的科研及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，還可以滿足新能源技術(shù)及電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)的教學(xué)。

該平臺(tái)的建設(shè)極大地促進(jìn)了學(xué)校與學(xué)校，學(xué)校與企業(yè)間的合作，并成功獲批教育部2015～2018高等職業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目；智能微電網(wǎng)系統(tǒng)工程示范建設(shè)與控制研究項(xiàng)目；西藏科技廳項(xiàng)目；中國(guó)職業(yè)教育2016～2017科研規(guī)劃項(xiàng)目；國(guó)家新能源專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)項(xiàng)目；機(jī)械行指委新能源裝備技術(shù)專指委項(xiàng)目等。獲得實(shí)用新型專利7項(xiàng)，編寫“智能微電網(wǎng)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”與“智能微電網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)”教材兩本，發(fā)表論文10篇。

部分技術(shù)成果和專利通過企業(yè)推廣應(yīng)用后，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值約5 000萬元，效益約500余萬元。從社會(huì)效益的角度分析，根據(jù)發(fā)電量，可折算出每年節(jié)能減排二氧化碳排放量近10 t。

5 結(jié) 語

本文提出一種基于風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)型微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)方案，并對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)做進(jìn)一步優(yōu)化，不僅在很大程度上對(duì)風(fēng)力、光伏發(fā)電量的可推算性有所提高，而且對(duì)微電網(wǎng)的平穩(wěn)性與可控可調(diào)性也有一定的改善。通過對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整，對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)采取有效的在線監(jiān)控、狀態(tài)估計(jì)、出力預(yù)測(cè)、短期調(diào)度等能量?jī)?yōu)化控制和管理，改善負(fù)荷的時(shí)間特性和負(fù)荷的頻率/電壓特性，有效地降低損耗，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。目前實(shí)驗(yàn)室還期望在儲(chǔ)能方面做進(jìn)一步的研究改進(jìn)，以達(dá)到更環(huán)保、更節(jié)能、更便捷的儲(chǔ)能方式。