风光储互补型微电网实验室设计与建设

胡 平，祁 鑫，梁 栋

（1.陕西工业职业技术学院电气工程学院，陕西咸阳712000；2.长安大学电子与控制工程学院，西安710061）

0 引 言

目前，能源与环境两大难题阻碍着社会的进步与发展，为突破瓶颈各国都开始竞相开展对能源的研究与探索。微电网因其自身的特点被视为开发可再生能源的有效形式［1］。本文在微电网结构及其运行特点的基础上，设计包含有多种运行方式和运行控制策略的微网系统，以多逆变器并联组网方式下微电网的并网/孤网/实验/生产状态能平滑切换运行为技术核心。以陕西工业职业技术学院为平台，搭建基于风光储互补型微电网实验室。

1 微电网系统总体结构

实验室目前配备有10套3 kW单相光伏系统、2套10 kW三相光伏系统、2套1 kW双轴跟踪光伏系统、2套2 kW室外水平轴风力系统、2套2 kW室外垂直风力系统、1套5 kW双馈异步风力发电仿真系统、1套5 kW永磁同步风力发电仿真系统、50 kW双向储能变流系统、储能电池组、模拟架空线路、监控及能量管理系统等［2］。系统可实现对分布式能源的发电、变电、输电、储电、检测、保护、监控等功能［3］。图1为智能微电网实验室的总体结构图。其中PCC点为并网点，系统中的蓄电池，光伏发电，风力发电，负荷连接在同一条交流母线上。在配电网线路设计方面充分考虑了工程实践与科研需求。一端与校园交流母线直接相连，在系统自身电能满足需求且储能达到上限的情况下向大电网输送电。另一端接实验室模拟的架空线路，方便学生完成相关实验。两者通过操作外部装置开关，进行连接。整个系统通过modbus进行通信连接。

图1 智能微电网系统总体结构

2 微电网子系统

2.1 光伏系统

光伏系统包括光伏电池组件、变流设备和并网发电系统柜等，具备发电、控制、监控、保护等功能。光伏板包括固定式光伏板如图2（a）所示和双轴跟踪式光伏板如图2（b）所示。光伏总功率52 kW。光伏阵列是将光伏板串联组成的，经光伏发出的电通过逆变器逆变后接入交流母线［4］。为方便对每套光伏板的控制，系统中的每套光伏组件都单独经逆变后并入到0.4 kV校园交流母线。其中10 kW光伏电池组件经三相逆变器逆变成交流电，3 kW光伏电池组件经单相逆变器逆变成交流电，用1 kW双轴跟踪光伏系统来进行电压不平衡的调整。在设计之初，为方便对每块光伏板的发电量进行控制及监测，系统对每个逆变器都可进行限制调节。

图2 光伏电池板

并网系统柜可实时监测系统功率、电压等信息，也可查询历史数据，实现对光伏阵列的输出变化记录。光伏并网系统柜在配有储能系统的情况下可实现并网、孤岛运行及并离网切换等工作模式。

此外，并网系统柜内均安装了完善的避雷器，可以预防雷电冲击波对线路和设备的损坏。

2.2 风力发电系统

为适应咸阳地区风速低、次数少的气候特点，实验室在设有常规的室外风发电单元外，还装配有室内的模拟风力发电机。风机总功率18 kW。

室外风力并网发电系统由室外风机（包括水平轴风机与垂直轴风机）和室内并网控制系统柜组成。并网柜可收集风机的电压、电流，逆变器输出电压和电流的实时数据等其他相关数据，使设备能够在安全的环境下运行。风力控制器采用ARM内核的32位STM32F103VET6芯片来完成数据的采集、存储与计算［5］。鉴于实验室所在地区的气候特点，室外风力发电系统在整个微网系统发电量中的占比很小。

模拟风力发电系统包括模拟风机（含5 kW模拟永磁风机与5 kW模拟双馈异步风机）如图3所示，以及模拟风力并网发电柜。系统采用远程控制变频器的方式来操控电机的转速，从而得到不同的风速。图4为变流器内部结构。变流器的网侧和机侧均为7单元IPM模块构建，直流环节的电容采用450 V的电解电容两串四并的方式可以大程度的提高系统的耐压和容量要求。机侧、网侧变流器内部IPM的温度采用温度传感器测量，方便实时监测变流器的温度变化。

图3 模拟风力发电机

图4 双向变流器内部结构

2.3 储能管理系统

储能管理系统包括储能双向变流器如图5（a）与蓄电池柜如图5（b）。储能双向变流器用于连接储能电池与市网，可以把储存的电能释放供系统负载使用，也可以吸收多余的电能用于存储，可以进行直流电能与交流电能的相互转换。蓄电池柜是由24组铅酸电池彼此串联构成。具有并网充放电、独立逆变的功能，每组电池的电压为12 V，容量为200 Ah［6］。

图5 储能管理系统

储能系统可以用于新能源发电的能量储存、负荷的削峰填谷、微电网的黑启动等作用。储能装置的存在很好的解决光伏发电与风力发电在很大程度上受外界条件影响的问题［7］。通过储能电池实现对微电网系统中输出能量的合理调控，维持分布式电源系统内部的功率平衡，达到能源的高效利用。

2.4 模拟线路

模拟线路包含有模拟10 kV输电线路和模拟系统故障柜。在模拟输电线路中，安装模拟输电线路2组，电抗器采用π单元接线，共组成一条模拟输电线路；每个π单元组模拟5 km线路参数：采用7股绞合铜线绕制成空心电抗器［8］。

模拟架空线路π型等值电路图如图6所示，以单位长度的架空线路作为等效值，则图中电阻R0＝1.68 Ω；电感L0＝9.11 mH；电容C0＝9 nF。

图6 π型等值电路图

变压器选用额定容量为50 kVA，变比为380 V/800 V，变压器运用的是三相三柱双绕组的形式，可承受10 s三相故障，并能承受多次的短路试验。

2.5 负荷

实验平台在负荷的组成方面设计有感性、阻性和容性3种类型模拟负荷以及非线性的外接负荷，外接负荷连接实验室所在大楼的照明用电。很好地满足了研究微电网系统的带载特性、电能质量、能量管理和继电保护功能等方面的需求。另外还预留有交流三相母线，满足其他实验需求。

3 微电网监控与能量管理系统

3.1 微电网的监控系统架构

微网监控系统需同本地保护和远程配电控制协调共同作用，主要作用：① 实时监控类。SCADA监控系统。②业务管理类。包括微电网电流（接触线电流，DG节点电流，负载电流等），DG发电预测，DG发电控制和功率平衡控制。③ 智能分析决策类。微电网能源优化调度等。

微电网监控系统收集DG电源点、线路、配电网和负载等实时信息，形成对整体微电网的实时监控。根据微网运作及能量平衡约束，实时维持系统的运转［9］。在微电网监测系统中，能量管理是集成DG、负载、能量存储设备和配电网接口之间的中心。图7所示为微电网监控系统软件的功能架构图。

图7 微电网监控系统软件功能架构图

3.2 微电网监控系统组成

3.2.1 光伏发电监控

全面监测光伏发电的实时运行信息和报警信息，分析统计光伏发电的各个方面，实现光伏发电的全面控制，主要作用：①实时显示PV当前发电量，日发电量以及累计总发电量，此外还有CO2减排总量。②检查每台光伏逆变器的运行参数，包含直流电压与电流，交流电压、电流以及频率，当前发电量，功率因数，日发电量，总发电量和累计二氧化碳减排量，变频器内部温度和功率输出等［10］。③ 监控逆变器的运行状态，使用声光报警模式指示设备故障，查看故障原因和故障时间。系统可检测的故障信息如图8所示。④预测光伏发电的短期和超短期发电，为微电网能量优化调度提供依据［11］。⑤ 调整光伏发电，控制光伏逆变器的启动和停止。

图8 系统故障信息

3.2.2 风力发电监控

监测风电机组的实时运行信息和报警信息，统计分析风力发电的各个方面，实现风力发电的整体操控［12］。

3.2.3 储能监控

全面监控储能电池和PCS的实时运行信息和报警信息，并对储能进行统计分析，实现对储能的全面控制，主要作用：① 实时显示当前放电容量，可充电量，最大放电功率，电流放电功率，可放电时间，总充电量和储存能量的总放电量。② 遥信：AC/DC变流器的运行状态，保护信息和报警信息。③ 遥测：AC/DC双向变流器的电池电压，电池充放电电流，交流电压，输入输出功率等［13］。④ 遥调：远程调节电池充放电时间，充放电电流和电池保护电压，实现远端AC/DC双向变流器相关参数的调整。⑤ 遥控：远程操控AC/DC双向变流器达到对电池的充放电［14］。

3.2.4 负荷监控

监控负载运行与报警情况，并在各个方面进行负载的统计与分析，实现对负载的实时监控，主要作用：①监测负荷电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率。②记录负荷最大功率及时间。

3.2.5 微电网综合监控

监控微电网系统运行的综合信息，包括微电网系统的频率，PCC点的电压和配电功率交换，以及微电网的实时总发电量［15］。剩余蓄电量，微电网总有功负荷，总无功负荷，敏感负载总有功，可控负载总有功，完全可移除负载总有功。并监控实时信息，如微电网中每个断路器的开关状态，每个支路的有功功率，无功功率，以及每个设备的报警信息。如图9所示为微电网综合监控主界面。

图9 微电网综合监控主界面

3.3 微电网能量管理

微网能量管理预测系统内的功率（包括发电和储能）和负载。根据分布式电源和负载特性，优化控制内部发电，储能装置和负载，确保整个系统安全稳定的运行［16］。提高微电网的能源利用效率。

孤岛运行时，离网能量平衡调节分布式发电输出，电池输出和负载功耗。实现离网后系统的稳定运行，充分利用分布式发电，确保重要负载的持续供电。同时，它提升了发电的有效利用和负载供电的安全性。微电网孤岛运行调度流程见图10。

图10 微电网孤岛运行调度流程

微电网并网运行时，根据负荷峰谷时段用电情况、光伏发电情况形成储能的预期充放电，进而调整微电网的峰谷，平滑电力负荷和分配电力的输出［17］。微电网并网调度流程见图11。

图11 微电网并网调度流程图

微电网的监控与能量管理采用中央管理机与PLC配合模式，各仪表与微机保护器均通过RS485独立连接中央管理机，各分布式能源点通过以太网连接中央管理机。如图12所示为微电网的通信原理框图。

图12 微电网的通信原理框图

4 科研应用

本实验平台通过不断地优化和调试，目前系统运行平稳，基本实现了原来的设计思路，不但可以为建筑物供电，而且可以满足学生的实验实训，同时满足教师的科研及验证性实验，还可以满足新能源技术及电气自动化技术专业的教学。

该平台的建设极大地促进了学校与学校，学校与企业间的合作，并成功获批教育部2015～2018高等职业发展行动计划项目；智能微电网系统工程示范建设与控制研究项目；西藏科技厅项目；中国职业教育2016～2017科研规划项目；国家新能源专业指导委员会项目；机械行指委新能源装备技术专指委项目等。获得实用新型专利7项，编写“智能微电网技术与实验系统”与“智能微电网应用技术”教材两本，发表论文10篇。

部分技术成果和专利通过企业推广应用后，产生了良好的经济效益，实现产值约5 000万元，效益约500余万元。从社会效益的角度分析，根据发电量，可折算出每年节能减排二氧化碳排放量近10 t。

5 结 语

本文提出一种基于风光储互补型微网实验平台的建设方案，并对实验系统做进一步优化，不仅在很大程度上对风力、光伏发电量的可推算性有所提高，而且对微电网的平稳性与可控可调性也有一定的改善。通过对系统设计参数的调整，对微电网系统采取有效的在线监控、状态估计、出力预测、短期调度等能量优化控制和管理，改善负荷的时间特性和负荷的频率/电压特性，有效地降低损耗，提高系统的运行效率和稳定性。目前实验室还期望在储能方面做进一步的研究改进，以达到更环保、更节能、更便捷的储能方式。