新能源微電網綜合實驗平臺及教學研究

宋關羽， 王智穎， 李 鵬， 于 浩

(1. 智能電網教育部重點實驗室(天津大學)，天津 300072；2. 電氣與自動化國家級虛擬仿真實驗教學中心(天津大學)，天津 300072)

0 引言

微電網是指由分布式發電裝置、儲能裝置、能量轉換裝置、負載以及監控保護裝置組成的小型發配電系統，既可以孤島運行，又能在并網時作為配電網中的電源和負荷，在一定區域內實現自我控制、保護和管理等功能[1]。近年來，微電網以其靈活性和經濟性方面的優勢，在電力系統領域得到了廣泛關注和研究。

借鑒國內外微電網實驗平臺和示范工程的先進建設理念及經驗，建成了一套集成多種分布式發電設備的微電網綜合實驗平臺，結構靈活、運行方式多樣[2]。平臺配置有綜合監控系統、能量管理系統、保護控制系統等，具有裝備完備、通用性與擴展性強等特點。

新能源微電網綜合實驗平臺可用于開展研究生與本科生的分布式電源、微電網相關課程教學實踐。學生通過開展各類分布式電源、微電網技術實驗，了解相關技術及其發展方向，掌握分布式電源的基本運行原理、微電網系統組成結構及運行控制等。借助該實驗平臺，開展多種形式的分布式電源運行特性、并離網切換、控制器設計、能量管理策略驗證等專業實驗，綜合運用所學知識，全面提升學生動手實操能力，做到課程理論與專業實踐有機結合，從而全面提高學生的綜合素質與能力。

1 實驗平臺設計

1.1 系統架構與硬件組成

新能源微電網綜合實驗平臺是一個低壓400V交流微電網實驗平臺，其結構如圖1所示。該系統內包括六條交流母線和六條模擬線路，用以連接多類型分布式電源和儲能設備，組成微電網主要拓撲結構。

圖1 微電網綜合實驗平臺結構圖

該實驗平臺中包含了多種分布式電源，如光伏(單晶硅、多晶硅、薄膜、太陽能跟蹤式光伏)、風機(雙饋、永磁直驅)、燃料電池(質子交換膜)、微型燃氣輪機等。實驗平臺中接有多種功率型和能量型儲能設備，前者如飛輪儲能和超級電容，后者有鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、壓縮空氣儲能等。實驗平臺中還有三組干式負荷，均可作為阻性、感性或容性負荷使用。具體分布式電源及儲能設備分類及參數如表1所示。

表1 微電網設備和參數

1.2 集中式管理系統設計

綜合實驗平臺采用遠程操作的、可視化的集中式管理系統CMS(centralized management system)進行模塊化管理，主要功能可分為四部分：①SCADA；②保護與控制；③模式控制；④能量管理。

測控單元實現與底層分布式電源及儲能系統接口、網絡通信，配合具有高速采樣頻率的故障錄波分析裝置，分別用于采集、儲存分布式設備、微電網匯流母線、聯絡線的慢動態、快動態運行數據。GPS模塊與時間同步裝置相連，通過前置機對數據整合并，統一數據采集時標。

微電網保護與控制系統針對微電網綜合實驗平臺內分布式電源和儲能系統具有接入種類豐富、拓撲結構靈活多變、運行方式多樣化的特點，采用基于多種保護原理的綜合配置方案，利用對各種保護定值和延時的不同設置，實現各原理間及保護裝置之間的相互配合，有效保障微電網工作于不同運行方式下，正確切除各種故障。

模式控制器主要用于微電網模式切換，在微電網孤島、并網運行模式切換時，該設備采用主動控制分布式電源變流器，調整微電網與配電網兩端的電壓差、頻率差和相角差，實現微電網自同期并網控制，可自動或手動閉合并網點開關，實現微電網運行模式切換。

用戶工作站具備面向對象的、開放型、分布式大容量數據庫平臺，具有可視化的操作界面，主要功能包括：實時監控、數據查詢服務、歷史儲存與查詢、運行模式選擇等。系統支持在線修改，可為中央控制器的能量管理功能提供可靠的實時通信服務。

中央控制器通過以太網通訊方式與用戶工作站進行交互，實現全網運行實時監測。內置的能量管理系統根據光伏發電預測、分時電價信息、上網功率閾值、負荷優先級、儲能系統SOC等狀態，優化調度指令，對分布式設備運行進行優化控制，集中式管理系統如圖2所示。

圖2 集中式管理系統結構圖

集中式管理系統內各功能模塊具備獨立運行能力，結構復雜、功能完善，滿足微電網物理模擬仿真實驗平臺內運行狀態實時監控、故障事故記錄等功能的要求，確保微電網實驗平臺安全、可靠、高效運行，為理論教學和實驗研究提供基礎支撐性作用。

2 實驗平臺運行模式

微電網實驗平臺具有拓撲易重構的特征，通過改變匯流母線和聯絡線路組合方式，能夠構成多達43種拓撲結構。列舉部分拓撲如表2所示。

表2 微網拓撲結構

分布式電源和儲能系統也可以在某一拓撲結構下靈活接入，從而形成不同的微電網結構，滿足探索性理論研究與教學實踐需求。根據不同的研究需求，針對不同的運行場景，改變分布式電源和儲能的接入種類和規模，可形成不同的運行方式。按規模可將運行方式分為三類：單元級(單臺分布式電源或儲能設備)、單母線級(多臺分布式電源或儲能接在同一母線下)和多母線級(多臺分布式電源或儲能接在不同母線下)。

2.1 單元級結構

單元級結構如圖3所示，其中只含有一臺分布式電源或儲能設備。該拓撲可用于對分布式發電設備進行物理仿真，模擬不同工況(如并離網、輕重載、正常運行故障)并進行各參數測量，進而分析不同種類的分布式電源及儲能的工作原理、控制方式及運行特性(如U-I輸出外特性、暫態過程響應速度、能效等)。

圖3 單元級結構

2.2 單母線級結構

單母線級結構拓撲如圖4所示，多種分布式發電/儲能裝置以及負荷被連接至同一母線上。由于分布式發電與儲能裝置的動態特性通常各不相同，各裝置間的相互作用會對微電網的穩定運行產生較大影響[3]。因此這種拓撲可用于分析、調節微電網在并網運行和孤島運行條件下的協同控制方式與能量管理策略，在確保微電網運行可靠性基礎上對其進行優化。

圖4 多源單母線級結構

2.3 多母線級結構

多母線級結構如圖5所示，該系統拓撲結構由六段線路和六條母線組成。該系統運行方式為一套多微電網系統。其中有多臺設備作為主電源運行，將配電網側開關打開后，整個微電網可孤島運行，此時多臺主電源通過主從或對等的方式協調運行。微電網還能夠進一步解列成三個孤島運行的微網。在該運行方式下，可進行多個微電網并網、孤島切換，解列、并列運行實驗。

圖5 多源多母線級結構

3 教學實驗設計

3.1 分布式電源運行特性驗證實驗

分布式電源種類繁多，運行特性也不盡相同，接入微電網后，必然對整個微電網系統的運行控制帶來影響[4]。分布式電源按照并網方式可以分為逆變型電源、同步機型電源和異步機型電源，其中大部分為基于電力電子技術的逆變型電源。對分布式電源運行特性進行分析、驗證是研究微電網運行特征的基礎與前提[5]。

分布式電源運行特性分析與驗證實驗可以在微電網的單元級拓撲上進行。本實驗平臺可開展光伏(單晶硅、多晶硅、薄膜、太陽能跟蹤式光伏)、風機(雙饋、永磁直驅)、燃料電池(質子交換膜)、微型燃氣輪機等分布式電源運行特性驗證實驗。通過實驗平臺對分布式發電設備進行物理仿真，模擬不同工況(如并離網、輕重載、正常運行故障)并進行各參數測量，進而分析不同種類分布式電源的工作原理、控制方式及運行特性(如U-I輸出外特性、暫態過程響應速度、能效等)。通過對分布式電源運行特性的分析和驗證，有助于學生直觀掌握其工作特性及原理，為后續實驗開展奠定基礎。

3.2 并網逆變器控制策略設計實驗

不同類型的分布式電源在微電網中所起的作用往往不同，其并網逆變器的控制策略也不盡相同。常見的并網逆變器控制策略主要有：恒功率控制(PQ控制)、恒壓/恒頻控制(V/f控制)和Droop控制。

掌握3種控制模式的基本原理，分別測定3種控制模式下分布式電源輸出功率曲線。通過修改控制器策略與參數，驗證不同的控制效果，從而增強對分布式電源并網特性的理解與認識。

3.3 并離網狀態切換實驗

微電網一般應具備兩種常態運行模式，即獨立運行模式和聯網運行模式，微電網應能夠在這兩種常態運行模式下進行可靠的轉換。當微電網處于并網運行模式時，由外部電網為系統內分布式電源提供電壓和頻率參考，所有并網逆變器都可采用恒功率控制模式；當轉入獨立運行模式時，則需有一個主電源采用恒壓/恒頻控制模式，主電源控制器應能夠在兩種控制模式間快速切換。

在充分掌握恒功率控制與恒壓/恒頻控制模式的基礎上，制定微電網模式切換策略并編寫相關程序，并在離線仿真軟件上進行測試，以降低兩種模式間切換時帶來的暫態電流或電壓沖擊。經離線軟件測試后，結合實驗室實際物理設備，進行微電網運行狀態模式切換實驗。觀察聯絡線電壓、電流變化情況，一方面與仿真結果進行比較，另一方面優化切換策略，實現平滑切換。通過并離網運行狀態切換實驗，理解微電網并離網切換過程，進一步掌握微電網運行控制策略。

3.4 運行優化策略驗證實驗

微電網運行優化策略由能量管理系統在已知各種運行信息的基礎上制定完成。目的是根據分布式電源出力預測、微電網內能源需求、市場信息等數據，按照不同的優化運行目標和約束條件做出決策，實時制定微電網運行調度策略，通過對分布式電源、儲能設備和負荷的靈活調度來實現系統的優化運行。優化運行目標包括可再生能源利用率最高、CO2排放量最少、系統可靠性最高等；約束條件通常考慮能量平衡約束和功率平衡約束。

學生通過學習并掌握微電網運行優化模型與求解算法，編制能量管理程序，得到微電網運行優化策略。借助微電網能量管理系統，將所得到的優化策略進行下發實現，測試優化策略的有效性。該實驗將有助于學生理解微電網運行優化模型與方法，從而實現微電網能量優化，提高運行控制效率。

4 教學特色與成果

4.1 教學特色

新能源微電網綜合實驗平臺具有開放性、靈活性、綜合性等特征，采取研究生科研實驗與本科生教學實驗并行的模式，將實驗平臺作為多門智能電網、智能配電網、微電網理論課程的實驗基地。及時將最先進的科研成果向教學轉化，使學生能夠始終了解行業、領域的前沿技術，同時注重課程理論與實踐相結合，充分發揮實驗平臺功能，全面提升學生的動手能力與實踐能力。

4.2 教學成果

新能源微電網綜合實驗平臺自投入運行以來，共計為上百位本科生與研究生提供平臺開展分布式電源、微電網相關實驗，先進完備的實驗設備、良好整潔的實驗環境受到師生廣泛好評。同時，依托物理實驗平臺的相關教學成果，建設微電網虛擬仿真實驗教學資源，借助3D技術與手段，刻畫微電網實際工程，虛實結合，使學生能夠更全面的掌握微電網技術。

5 結語

本文介紹了新能源微電網綜合實驗平臺架構、硬件設備構成及集中式管理系統，并結合3類典型結構說明了平臺運行方式，通過開設分布式電源運行特性驗證、并網逆變器控制策略設計、并離網狀態切換、運行優化策略驗證4個實驗，有助于學生全面了解并掌握分布式電源、微電網的組成及運行控制特性。借助該實驗平臺開展一系列教學實踐課程，將顯著增強電氣工程專業學生動手實踐能力，切實做到理論與實際相結合，有助于培養電氣工程領域的高水平人才。