智能微网并网仿真实验系统的构建方法

黄飞腾, 翁国庆, 谢路耀

(浙江工业大学 信息工程学院, 浙江 杭州　310023)



智能微网并网仿真实验系统的构建方法

黄飞腾, 翁国庆, 谢路耀

(浙江工业大学 信息工程学院, 浙江 杭州310023)

提出并实现了一种新能源智能微网并入配电网的仿真实验系统构建方法。该仿真实验系统能与智能微网实验室、电气自动化实验室的实际设备相互配合,解决了无法对实际电网进行危险性实验的难题。探讨了该仿真实验系统在科研中的应用及其对探索型实验教学改革的助益。通过实验教学实践表明,该仿真实验系统为新兴特色专业的建设提供了较好的支撑,促成了多项国家级和省部级成果,所提出的构建方法具有较好的推广性。

仿真实验系统； 智能微网； 特色专业建设； 新能源发电

为响应国家“十三五”规划和新能源战略,引导电气类人才培养适应新时期发展需求[1-2],关于智能微网和新能源发电技术的研究已成为浙江工业大学电气专业建设的重要内容。分布式电源和智能微网并入电网已成为当前国内外的研究热点[3-4]。然而,为保证实际电网的可靠运行,任何可能对电网产生危害的实验均不得直接在实际电网上操作[5-6]。

我校已建设了两个重要的电气实验室——智能微网实验室和电力系统自动化实验室,且两者已实现互联和并入实际电网。但是,它们的并网实验仅限于测量稳态电力数据和进行一些安全的电力常规操作实验,无权进行严重的短路故障、冲击负荷投切等危险性实验,而后者恰恰是科研创新和电气专业高等教育的迫切需要和实验支撑[7-8]。

笔者提出了一种智能微网并网仿真实验系统的构建方法。该仿真实验系统基于Matlab仿真软件,包含了智能微网与电力系统的各重要组成部分。其稳态运行状态模拟了我校实际的智能微网和PS-5G小型电力系统的互联和并网情况,并且能进行危险性实验,可进行故障保护、自愈恢复、智能诊断、新能源技术等电气暂态实验。

1　仿真实验系统构建方案

仿真实验系统的构建思路是:围绕特色专业建设,以智能微网实验室和电力系统自动化实验室为基础,以各种电网智能化装置、电动汽车和谐波分析仪等先进实验设备为基础,构建系统化的整体设计方案。仿真实验系统的功能设计目标是:不仅能模拟智能微网并网稳态运行状态,而且能仿真多种具有冲击性和危险性的电气测试暂态实验。

智能微网并网仿真实验系统的设计分为两大部分:(1)分布式电源(DG)并入电网的外部拓扑结构设计；(2)分布式电源内部智能微网的设计。主要设计内容包括:电网模型、智能监测装置模型、风力发电模型、光伏发电模型、储能系统模型、内部动态负荷模型。

1.1外部拓扑结构

电网的外部拓扑结构主要由电网模型、智能监测装置模型两部分组成,如图1所示。

电网模型包含了公共网并网节点(PCC)、通用母线(BUS)、输电线路(Line)、断路器(QF)、发电机(G)、节点负荷(SL)、动态负荷(SD)等电气设备。智能监测装置模型(PQM)包含了电气工频信号的智能监测、波形测量和数据共享通信等一系列监测功能。此外,还有DG外部模型的并网。

图1　分布式新能源并入电网的外部拓扑结构图

上述组成模型或器件,少有现成的完备模块,需要利用Matlab的基本元件搭建、模块化制作而成,构建方法如下。

PCC和通用母线需要通过分别短接三相电阻的ABC三相,从短接线上拉出若干连接点,模块化制作为电气母线(Bus)。

供电线路(Line)由2个三相线路模块(Branch)串接制作而成,再从串接线上引出连接点,作为故障、干扰源(fault)等的连接通道,通过修改Branch的阻抗参数,实现调节故障等接入点的位置。

电源(G)被设计成简单和复杂两种模型。简单模型由三相电源与变压器组合而成,可设置其容量、频率、内阻抗等参数,用于入门级教学场景；而涉及到发电机动态性能实验时,需要用复杂模型[9],先按照发电机动态过程的数学模型,包括电压方程和运动方程建模,再用Matlab语言编程,最后转换成基本运算模块组合成复杂电机模型。

智能监测装置(PQM)也称电能质量监测设备，其模型是由电压电流测量模块、功率测量模块和示波器模块连接组成,能完成三相电压、电流和功率等数据及波形的实时监测。

节点负荷由三相RLC负载模块制作,而动态负荷在PLC可调负载的基础上,并接了旋转电动机模块。

分布式电源(DG)是封装了风力发电、光伏发电和储能系统等丰富内容的智能微网外部模型。

主要模块的接线以及结构如图2所示:

图3是用PQM监测到“电压暂降事件”实验中的电压、电流、有功功率和无功功率波形。

图2　主要模块的外部接线以及内部结构

图3　危险性实验时监测到的仿真波形

1.2智能微网的内部结构

智能微网的内部结构包括风力发电、光伏发电、储能系统和内部负荷等部分。

风力发电系统由6个风机模块(wind generation)与风机控制器组成，模拟3台600 W水平轴风力发电机和3台600 W垂直轴风力发电机。通过6只风机控制器将风机模型发出的交流电转换成直流电并连接到直流母线上,直流母线输入到蓄电池组,蓄电池组再经一台4 kW的风机逆变器连接到微电网母线。

光伏发电系统由64个光伏电池组件和光伏逆变器组成,总容量为12.4 kWp。光伏组件分4路接入光伏逆变器直流侧,经过逆变成为交流电,再连接到微电网母线。光伏电池组件是由Matlab中的基本元件按照单个光伏电池的物理特性,搭建成类似于小型光控电流源的光伏电池板[10-11],模拟195 Wp单晶A级板光伏组件。它不但能分析光伏电池随着光照强度和温度不同而变化的I-U和P-U非线性特性,并可仿真光伏电池工作在最大功率点以及稳定工作区域时的线性关系。

储能系统由大容量电池和双向整流逆变器组成。总容量76.8 kW·h,由192只单体200 A·h的电池模块连接而成,电池串额定电压384 V,经过双向整流逆变器连接到400 V微电网母线。

风机控制器、光伏逆变器、双向整流逆变器等模型是由Matlab元件库中的晶闸管等电力电子器件搭建而成的,用于“交直流转换”的整流、逆变控制回路[12-13]。

监控系统由智能微网内部多处设置的PQM完成电能质量的监测,由断路器完成回路的通断。内部负荷包括电动汽车、手机充电桩、空调、照明、可调RLC、动态阻抗等各类负荷设备的等效模型。

智能微网的内部拓扑结构示意图如图4所示。采用单母线主接线形式,电压等级400 V。一个进线回路通过PCC快速开关将微电网与外部电网相连,8个出线回路连接各大系统和各类负载设备。

图4　智能微网的内部拓扑结构示意图

图4中各组成部分的Matlab模型按照拓扑结构组成智能微网。各组成部分的内部构造方法类似于图2中各种仿真模型。其中,风机模块如图5(a)所示,教学楼顶上的风机(见图5(b))与光伏组件不仅用于科研和教学,还成为了浙江工业大学的一道风景线。

图5　风力发电机模型与实际设备

所构建的仿真实验系统,不仅可用于各种传统电网的稳态仿真,还可用于智能微网、新能源发电技术等热点技术的研究。特别是可用于研究新能源DG并入传统电网对其带来的各种影响,以及短路、冲击、事故等电气危险性实验的仿真。该仿真实验系统为科研创新和电气人才培养提供了良好的实验条件。

2　科研应用

“智能微网”创新团队所在的浙江工业大学信息工程学院有浙江省“重中之重”立项学科,智能电网和新能源发电是其非常重要的研究方向。智能微网并网仿真实验系统与实际电气实验室建设相辅相成,为创新团队顺利开展科研工作提供了重要实验条件保证。

创新团队利用智能微网并网仿真实验系统进行了大量仿真实验,促成了众多国家级和省部级科研成果。创新团队主要成员先后主持了7项国家自然科学基金项目，例如:

(1) 面向智能配电网的电能质量扰动源自动定位关键技术研究；

(2) 独立型微网系统优化配置研究；

(3) 集成非均衡直流源的多电平变流器及其关键控制问题研究；

(4) 适于分布式发电协调控制的WPM配电网通信技术；

(5) 复杂电能质量扰动识别的关键技术研究。

创新团队主持了12项省级科研项目，例如:

(1) 复杂阴影条件下光伏阵列高效运行关键技术的研究；

(2) 分布式在线电能质量监测仪的研制；

(3) 含电动汽车并网的智能微电网关键技术研究；

(4) 模块化光伏并网发电系统关键技术的研究。

创新团队主要成员申请发明专利14项,例如:

(1) 计及监测可信度的电能质量扰动源定位方法；

(2) 一种分布式发电系统和微电网的电能按质定价方法；

(3) 公交电动汽车及其梯次利用电池集群的V2G可用容量评估方法；

(4) 电动汽车动力电池集群可用容量的预测方法；

(5) 基于双CPU的分布式电能质量在线监测仪。

创新团队在国内外重要期刊和国际会议上发表了相关的学术论文46篇,例如:

(1) Novel Location Algorithm for Power Quality Disturbance Source Using Chain Table and Matrix Operation(SCI检索)；

(2) Wide-area time-delay robust damping control for power system (SCI检索)；

(3) 带分布式电源的配电网电能质量扰动源定位(EI检索)；

(4) 光伏阵列多峰最大功率点分布特点研究(EI检索)。

创新团队的研究工作得到了同领域研究者的认可。

此外,仿真系统与智能微网的构建工作,还促进了校企合作与协同创新。创新团队与浙江省电力试验研究院、温州电力设计有限公司等单位在“智能微网技术”研究上有着良好的合作关系,可在其海岛微网示范基地进行相关研究实验。创新团队还聘请多名国内外相关领域的专家、学者前来讲学和交流,举办关于新能源发电和智能微网的学术报告。

3　探索型实验

基于智能微网并网仿真实验系统的开放探索型实验,改变了传统的实验教学模式,优化了教学手段,让学生能自主探索、勇于创新。探索型实验有助于创新人才的培养,而且基于仿真实验系统的电气实验排除了传统强电实验中存在的设备损坏和危害人身安全等隐患。

在智能微网并网仿真实验系统的基础上,针对电力系统自动化、继电保护、供配电技术、电力系统分析等多门电气专业课程,开发了20项探索型实验教学项目,其中综合设计实验8项,探索研究实验12项。表1列举了其中具有代表性的部分实验。

表1　主要探索型仿真实验项目

这一系列的实验项目,既有简单的电气入门实验,也有逐渐深入的过渡性实验,还有各类高级的大型设计实验,能适用于各层次和水平的本科生和研究生学习和研究。实践表明,智能微网并网仿真实验系统使理论和实践紧密结合,加强了科学前沿教育,取得了良好的效果。学生的实践创新能力得到了提高,学校培养出了一批优秀的创新型人才。

我校已有不少电气类专业的学生在教师指导和实验系统的辅助下,取得了创新成果，例如国家大学生科技创新项目“基于双PWM变流控制的风力发电并网系统研究”、浙江省新苗计划项目“微网电能质量综合评估及智能诊断方法的研究”、浙江省大学生创新创业孵化项目“市电补偿式光伏发电系统”。创新型人才已多次获得电子设计竞赛全国一等奖、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛全国一等奖、大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛全国一等奖等竞赛荣誉。

智能微网并网仿真实验系统还为特色专业建设和教师队伍发展提供了重要支撑,例如浙江省新兴特色专业建设项目、浙江省国际化专业建设项目、浙江省财政厅专项电气专业能力实践基地建设项目和浙江工业大学实验教改项目等。一些高水平教师获得了多项荣誉,例如全国高校青年教师教学竞赛工科组二等奖、浙江省高校青年教师教学技能竞赛省级优秀奖等。

4　结语

新能源发电技术和智能微网已成为浙江工业大学电气专业的重要发展方向。新能源智能微网并入配电网的仿真实验系统与智能微网实验室、电气自动化实验室的各种实际设备相互配合,解决了对电网进行危险性实验的难题。实践表明,该仿真实验系统为科研和教学改革提供了良好的支撑。

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Construction method of experimental simulation system for grid-connected smart micro-grid

Huang Feiteng, Weng Guoqing, Xie Luyao

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

A construction method of experimental simulation system for grid-connected smart micro-grid is proposed and realized. The experimental simulation system can cooperate with the actual equipment in the laboratory of smart micro-grid and the laboratory of electrical automation, to solve the problems which there is no right to carry out perilous experiments on the actual power grid. Then, the application of the experimental simulation system in scientific research and the experimental teaching reform is discussed. Practice shows that the experimental simulation system can provide a good support for Characteristic Specialized Construction of Zhejiang province. It has promoted a number of national and provincial achievements. The proposed method has good generalization.

experimental simulation system; smart micro-grid; characteristic specialized construction; new energy power generation

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.034

2015- 09- 29

国家自然科学基金项目(51207139)；浙江省新兴特色专业建设项目(080601)；浙江省教育厅科研项目(Y201431752)；浙江工业大学2015年校级实验室工作研究与改革项目“电力系统保护与新能源新实验项目开发”；浙江工业大学校级优秀课程建设项目(YX1403)

黄飞腾(1984—),男,浙江温州,博士研究生,实验师,主要研究方向为电力自动化、智能微网.

E-mail：hfate@zjut.edu.cn

TM727

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1002-4956(2016)4- 0123- 05