CN102545261A - 一种微电网实验系统 - Google Patents

Abstract

一种微电网实验系统，包括、风力发电单元、光伏发电并网单元储能单元、三级负荷、负荷控制装置、模拟负载、PV模拟器、变频器、交流并网柜、微电网接入柜、中央控制器、联络开关、电缆和母线。通过各联络开关的状态，可以实现多微电网不同的运行模式和组态方式，包括单微网并网模式、多微网并网模式、单微网孤岛模式、多微网孤岛模式和暂态模式，本系统有效利用可再生能源，减少电力供应对环境的影响，采用胶体电池和超级电容作为储能元件，既经济，又降低对环境污染，使用寿命相对较长，充电速度较快；本系统可开展风、光、储等多种微源及其组合系统、多种微网运行方式、微网与配电网交互影响的研究，在硬件和软件上均具有良好的扩展性。

Description

一种微电网实验系统

技术领域

本发明涉及智能微电网技术领域，特别涉及一种利用可再生能源发电的微电网实验系统。

背景技术

分布式电源(DG)以其在供电可靠性、灵活性以及降低环境污染等方面的巨大优势,越来越受到人们的关注。常规电网中大量DG的并入，将会对电网的暂态稳定、电压稳定、频率控制等产生较大影响。为充分发挥DG的潜力，可将多个DG、储能装置和可控负荷按照一定的拓扑结构组成微网。微网研究的核心问题在于如何保证微网的稳态运行以及微网受到扰动后如何维持暂态稳定，即微网的控制策略问题。而微网的实验系统建设，作为微网控制策略的实现载体，可为微网控制策略研究提供验证系统。

目前已建成的微网实验系统都存在着运行模式和组态网方式不够灵活的缺陷，这样也就使其在运行稳定性和科学研究综合性方面呈现出明显的局限性。例如美国微网实验系统将微型燃气轮机和燃料电池作为主要的电源和储能装置连接在直流侧与分布式电源一起作为一个整体通过电力电子接口连接到微网，主要考虑其“即插即用”性，但不允许其向大电网送电；欧盟和日本在分布式电源的选择上较美国的实验系统多样，同时允许其向大电网送电，但其在运行模式和组网方式上呈现出共同的局限性，即多微网之间缺乏联系，导致其无法开展多微网相互影响的研究。另外，目前世界上大多数的微电网实验系统采用主从控制策略或者由其衍生的分层控制策略。如欧盟和日本的研究目标为多微网连接到大电网的分层控制策略，其控制策略的研究建立在通信网络的基础之上，对没有通信的多微网实验系统对等控制策略的研究缺乏支撑。对等控制的核心问题是，如何模拟传统发电机的控制系统。由于分布式电源采用逆变器接口和发电机直接接口有很大的不同，所以如何控制微网中多个逆变器接口的分布式电源，实现对等控制还是需要继续进一步深入研究的。美国CERTS微网示范工程其DG采用了3台规格、容量完全一致的60 kW微型燃气轮机，以实现对等控制，但其没有解决对等控制的核心问题即多个含逆变器接口的分布式电源对等控制策略问题。微网研究的核心问题在于如何保证微网的稳态运行以及微网受到扰动后如何维持暂态稳定，即微网的控制策略问题。微电网实验系统，作为微网控制策略的实现载体，可为微网控制策略研究提供验证系统。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种微电网实验系统。

本发明的技术方案：一种微电网实验系统，包括风力发电单元、光伏发电并网单元储能单元、三级负荷、负荷控制装置、模拟负载、PV模拟器、变频器、交流并网柜、微电网接入柜、中央控制器、联络开关、电缆和母线。

所述风力发电单元，包括风力发电机、风机并网控制器和风机并网逆变器，风力发电机接至风机并网控制器输入端，风机并网控制器输出端接至风机并网逆变器输入端，风机并网逆变器的输出端作为风力发电单元的输出端接至交流并网柜； 

所述光伏发电并网单元，包括电池组件、防雷汇流箱和光伏并网逆变器，光伏并网逆变器经防雷汇流箱连接电池组件，所述电池组件采用单晶硅光伏组件。

所述三级负荷经负荷控制装置，分别与联络开关相连。

所述储能单元，包括两套PCS装置柜、两套电池柜和两套超级电容，电池柜和超级电容分别接到PCS装置柜，储能单元中的两套设备，一套经联络开关连接到母线M1上，一套经联络开关接到母线M2上，实现电池与电网间的能量双向交换，可工作在蓄电池充电模式和蓄电池能量回馈模式。

所述模拟负载，采用调节负载RCL，满足微电网能量测试。

所述PV模拟器，采用风力光伏测试仪器，模拟光照曲线，完成系统功能测试。

所述变频器，模拟风速，完成系统功能测试。

所述交流并网柜装有交流电网电压表和输出电流表，直观显示电网侧电压及发电电流，另外还配有防雷器，交流并网柜负责控制联络开关F1-F4。

所述微电网接入柜，将分布式电源、负荷及电网连接起来，保证外部电网失电时，由分布式能源和储能系统对照明负荷的不间断供电，微电网接入柜负责控制联络开关F5和F11。

所述中央控制器，采用含嵌入式系统的计算机，通过通信线路与分布式电源和储能单元进行通信，设置光伏并网逆变器和风机并网逆变器的工作模式及孤岛运行时的电压和频率等稳态参数。

系统上位机中安装有成型的能量管理软件，具有监控光伏发电、风力发电、储能及微电网的功能。

所述风力发电单元经联络开关F1接到母线M1上，光伏发电并网单元经联络开关F2-F4接到母线M1上，储能单元中的一套设备经联络开关F5接到母线M1上，储能单元中的另一一套设备经联络开关F11接到母线M2上，模拟负载经联络开关F9接到母线M2上，变频器输出端连接PV模拟器输入端，PV模拟器输出端经联络开关F10接到母线M2上，母线M1及与其连接的各部件构成一个微电网，母线M2及与其连接的各部件构成另一个微电网，M1和M2之间通过电缆连接并设有联络开关K2，M1和M2分别与母线M3通过电缆相连，且两条电缆上分别设有联络开关K3和K4，母线M3经联络开关K1和变压器与外电网相连；各个联络开关之间设有通信网络，通过现场总线与中央控制器相连，以实现信息的采集与开关状态的控制。

通过各联络开关的状态，可以实现多微电网不同的运行模式和组态方式，可以不同的运行模式进行相关组网实验，多微电网的运行模式主要包括以下几种：单微网并网模式、多微网并网模式、单微网孤岛模式、多微网孤岛模式和暂态模式，其组网模式与联络开关的状态密切相关，具体如下： 

（1）单微网并网模式

当联络开关K1和K3闭合，K2和K4断开，系统处于单微网并网模式；

此时，存在以下几种情况：

仅当F1闭合时，由风力发电机带负荷；

仅当F2-F4闭合时，由光伏发电并网单元电池组件带负荷；

仅当F5闭合时，由储能单元带负荷；

（2）多微网并网模式

当联络开关K1-K4闭合，系统处于多微网并网模式；

（3）单微网孤岛模式

当联络开关K1-K4断开时，系统处于单微网孤岛模式；

此时，存在以下几种情况：

仅当F1闭合时，由风力发电机带负荷；

仅当F2-F4闭合时，由光伏发电单元电池组件带负荷；

仅当F5闭合时，由储能单元带负荷；

（4）多微网孤岛模式

当联络开关K2闭合、K1K3K4断开时，系统处于多微网孤岛模式；

（5）暂态模式

预先设置故障点，当在该处发生故障时，系统处于从并网到孤岛之间切换的过程，此时，处于暂态模式。

本实验系统按以上组网模式可以展开不同实验，进行各种风、光、储等多种微源及其组合系统、多种微电网运行方式、微电网与配电网交互影响方面研究。

本发明的有益效果： 

1.分布式电源和储能元件的多元性

有效利用可再生能源和确保分布式电源的多样性，减少电力供应对环境的影响，采用胶体电池和超级电容作为储能元件，既经济，又降低对环境污染，使用寿命相对较长，充电速度较快。

2.系统运行模式和组态方式的灵活性

本实验系统运行模式上分为并网和孤岛两种模式，两种运行模式下可实现多种组网方式和运行模式。包括：多微网并网模式、单微网并网模式、单微网孤岛模式；多微网孤岛模式；并网与孤岛之间切换的暂态模式。各种分布式电源、储能元件、模拟装置的运行模式等由其控制器F1-F12控制，通过控制F1-F12的开断状态，可以实现不同分布式电源运行模式的灵活切换。通过多路可控开关的设置，微电网结构可以根据运行和研究的需要，灵活调整，多种组态。有效的解决现有实验系统运行模式和组态方式不够灵活的问题，可以实现网络重组。

3.控制模式的多样性

本实验系统建设充分考虑到目前所有的控制策略，为主从控制、对等控制和分层控制策略的研究提供了良好的实验系统，主要包括：

（1）    以多种分布式电源为主控制器的主从控制策略研究；

（2）    以多种储能元件为主控制器的主从控制策略研究；

（3）    以分布式电源加储能元件为主控制器的主从控制策略研究；

（4）    含多个逆变器接口的分布式电源的多微网对等控制策略研究；

（5）    以中央控制器为主控制器的主从控制（分层控制）策略研究；

（6）    分布式电源控制策略研究（恒功率控制、下垂控制、恒压恒频控制）。

4.具有良好的可扩展性

本实验系统在硬件和软件上均具有良好的可扩展性：

（1）硬件方面

可以在母线M3上添加新的快速开关、分布式电源、储能元件和符合而构成新的微网，实现其并网运行；同时可在控制回路中添加新的控制装置，以实现控制策略的更新；

（2）软件方面

可以进行数据接口数据库添加，数据修改，二次开发系统能利用已有的和添加的设备及数据。

本实验系统可以开展各种风、光、储等多种微源及其组合系统、多种微电网运行方式、微电网与配电网交互影响等方面研究，包括：风电系统的研究、太阳能系统的研究，储能系统的研究、风光系统的研究、风光储系统的研究；主从微电网方式、对等微电网方式的研究；微电网短路对配电网的影响、配电网短路对微电网的影响等。

附图说明

图1本发明实施例微电网实验系统结构示意图；

图2本发明实施例风力发电单元结构示意图； 

图3本发明实施例光伏发电并网单元结构示意图；

图4本发明实施例储能单元结构示意图；

图5本发明实施例控制单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的微电网实验系统为三相，电压380V，频率50Hz，包括风力发电单元、光伏发电并网单元储能单元、三级负荷、负荷控制装置、模拟负载、PV模拟器、变频器、交流并网柜、微电网接入柜、中央控制器、联络开关、电缆和母线，结构如图1所示。

所述风力发电单元，结构如图2所示，包括风力发电机、HY-5KW型风机并网控制器和WG-5K型风机并网逆变器，风力发电机接至风机并网控制器输入端，风机并网控制器输出端接至风机并网逆变器输入端，风机并网逆变器的输出端作为风力发电单元的输出端接至交流并网柜。风能通过风力发电机转换为幅值和频率变化的交流电，通过风机并网控制器整流为直流电，再经风机并网逆变器将直流转化为与电网同频率、同相位的正弦波交流电，馈送入电网。该单元选用3台5000W的HF 6.0- 5000W型风力发电机。风机并网控制器主要是将风机输出的单相交流电整流为直流供后级逆变器输入。风机并网逆变器主要是把通过风机控制器整流的直流电通过单相全桥电路进行逆变，将输入的直流电压变换为高频的斩波电压，并通过滤波器滤波变成正弦波电压。

所述光伏发电并网单元，结构如图3所示，利用楼顶建设发电峰值容量为20kWp的型号为XJPV800-185（35）单晶硅平板光伏系统，主要参数为：输出峰值功率185Wp、峰值电压36.42V、峰值电流5.08A、开路电压45.05V、短路电流5.41A。根据光伏组件的参数及逆变器的参数，选用185Wp的多晶硅电池组件108块，总设计容量为19980Wp。光伏发电并网单元分成9个部分，每部分采用12块电池组件，6串2并的接线方式），分成9路2.5kW并网系统，包括电池组件（单晶硅光伏组件）、防雷汇流箱（完成汇流、防雷、保护及测量通迅功能）和PVI-2.5KW型光伏并网逆变器（采用最大功率跟踪技术，最大限度地把太阳能电池板转换的电能送入电网），光伏并网逆变器经防雷汇流箱连接电池组件。 

所述三级负荷经负荷控制装置，分别与联络开关相连。三级负荷包括：1级10kw固定负荷、2级10kw固定负荷和3级10kw固定负荷，负荷控制装置选用SMG-801系列设备。

所述储能单元，结构如图4所示，包括两套的PCS装置柜、两套电池柜和两套超级电容，电池柜和超级电容分别接到PCS装置柜，PCS装置柜选用一面50kwPCS装置柜（含1台隔离变压器、PCS功率回路、1个控制模块和1个监控模块）和一面30kwPCS装置柜（含1台隔离变压器、PCS功率回路、1个控制模块和1个监控模块），2套电池柜选用25kwh胶体电池（6-CN(J)-50电池36只，总容量为43200Wh；分成2部分接入系统，采用18串1并接线），2套超级电容采用50.4V/166F（V_R=50.4V ESR_DC≤6.5mΩ）超级电容标准模组为基本储能单元进行集成设计，选用1套50kw、10s超级电容和1套30kw、10s超级电容，储能单元中的两套设备，一套经联络开关K2连接到母线M1上，一套经联络开关F11接到母线M2上，实现电池与电网间的能量双向交换，可工作在蓄电池充电模式和蓄电池能量回馈模式。

PCS功率回路由两套AC/DC模块组成，AC/DC模块采用三相高频SPWM整流（逆变）电路，主功率回路由三相逆变桥、驱动电路、直流电容、电抗器、控制电路等组成。通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。PCS通过CAN接口与电池管理系统通讯，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。PCS也可采集电网信息，参与电网的电压/无功控制，实现防孤岛保护，或作为应急电源使用等功能。

所述模拟负载，采用20kw调节负载RCL，满足微电网能量测试。20kw模拟负载经F9接到母线M2上。

所述PV模拟器，采用20kw风力光伏测试仪器，型号为PVS-1000系列，模拟光照曲线，完成系统功能测试。

所述变频器，选用SAMCO-vm06，模拟风速，完成系统功能测试。

所述交流并网柜选用SMG-801系列设备，实现微电网系统中各微电源的汇集，为微电网接入柜提供单一输入，方便微电网与大电网并网操作。选用现有技术中的常规设备，将分布式电源、负荷及电网连接起来，保证外部电网失电时，由分布式能源和储能系统对照明负荷的不间断供电。装有交流电网电压表和输出电流表，直观显示电网侧电压及发电电流，另外还配有防雷器，交流并网柜负责控制联络开关F1-F4。

所述微电网接入柜SMG-801系列设备，实现微电网系统并、离网功能。将交流并网柜汇集的微电源通过本设备，实现微电网系统并、离网的状态转换。选用现有技术中的常规设备，微电网接入柜负责控制联络开关F5和F11。

所述负荷控制柜选用型号SMG-803的设备，是实现微电网系统能量平衡的重要手段，当微电网系统中能量不能平衡且调整微电源出力无效时，由核心控制系统按控制策略通过负荷控制柜切除一定数量的负荷，达到微电网系统内能量平衡的目的。负荷控制柜由控制系统和可控的开关设备组成，按调整精度和负荷重要程度分成多级结构。

所述中央控制器选用型号为SMG-802，主要包括微电网测控屏（XMG-CN/380）和微电网主控屏(LMG-TD800)，采用含嵌入式系统的计算机，通过通信线路与分布式电源和储能单元进行通信，设置光伏并网逆变器和风机并网逆变器的工作模式及孤岛运行时的电压和频率等稳态参数。

上位机中安装有成型的能量管理软件，具有监控光伏发电、风力发电、储能及微电网的功能。

风力发电单元经联络开关F1接到母线M1上，光伏发电并网单元经联F2-F4络开关接到母线M1上，储能单元的两套设备分别经联络开关F5和F11接到母线M1和M2上，模拟负载经联络开关F9接到母线M2上，变频器输出端连接PV模拟器输入端，PV模拟器输出端经联络开关F10接到母线M2上，母线M1和M2各自构成微电网，M1和M2之间通过电缆L2连接并设有联络开关K2，M1和M2分别通过电缆L1和L3与母线M3相连，并且L1和L3上分别设有联络开关K3和K4，母线M3经联络开关K1和变压器与外电网相连。各个联络开关之间设有通信网络，通过现场总线与中央控制器相连，以实现信息的采集与开关状态的控制。

通过各联络开关的状态，可以实现多微电网不同的运行模式和组态方式，可以不同的运行模式进行相关组网实验，多微电网的运行模式主要包括以下几种：单微网并网模式、多微网并网模式、单微网孤岛模式、多微网孤岛模式和暂态模式，其组网模式与联络开关的状态密切相关，具体如下：

（1）单微网并网模式

当联络开关K1和K3闭合，K2和K4断开，系统处于单微网并网模式；

此时，存在以下几种情况：

仅当F1闭合时，由风力发电机带负荷；可以开展风机接口逆变器控制方式研究；

仅当F2-F4闭合时，由光伏发电并网单元电池组件带负荷；可以开展光伏接口逆变器控制方式研究；

仅当F5闭合时，由储能单元带负荷；可以开展其他控制方式研究；

可以开展多种储能协调运行控制研究，采用多种控制方式的不同种分布式电源协调运行研究和与外电网交换功率研究；

（2）多微网并网模式

当联络开关K1-K4闭合，系统处于多微网并网模式；

此种组网模式下，除上述研究方向外，还可以开展多微网协调运行控制研究；

（3）单微网孤岛模式

当联络开关K1-K4断开时，系统处于单微网孤岛模式；

此时，存在以下几种情况：

仅当F1闭合时，由风力发电机带负荷；可以开展风机直接带负荷的特性研究；

仅当F2-F4闭合时，由光伏发电单元电池组件带负荷；可以开展光伏电源直接接负荷的特性研究；

仅当F5闭合时，由储能单元带负荷；可以开展储能元件直接接负荷的特性研究；

（4）多微网孤岛模式

当联络开关K2闭合、K1K3K4断开时，系统处于多微网孤岛模式；

此种组网模式下，除上述研究方向外，还可以开展多微网功率交换研究；

（5）暂态模式

预先设置如图1中所示故障点，当在该处发生故障时，系统处于从并网到孤岛之间切换的过程，此时，处于暂态模式。可以开展并网与孤岛直接切换的暂态模式的研究，包括：

以风机为主控制器的主从控制策略研究；

以光伏电源为主控制器的主从控制策略研究；

以多种储能元件为主控制器的主从控制策略研究；

以分布式电源加储能元件为主控制器的主从控制策略研究；

含多个逆变器接口的分布式电源的多微网对等控制策略研究；

以中央控制器为主控制器的主从控制（分层控制）策略研究；

分布式电源控制策略研究（恒功率控制、下垂控制、恒压恒频控制研究）。

本发明提供的实验系统，具有高度的开放性，可以提供仿真实验平台：

（1）利用现有实际设备数据，通过网关接口，在研究模式下灵活组网，进行实时仿真研究，验证当前控制策略是否适合该运行模式和网络组态；

（2）建立分布式电源模型，模拟设备数据，在当前运行模式、网络组态和控制策略下进行仿真研究，验证该模型的合理性。

本实验系统的建立可以为分布式电源模型的建立和控制策略的研究提供良好的实验平台，并为大规模复杂微网的建设提供有力的数据支撑，具有良好的经济性和实用性。

Claims (2)

1.一种微电网实验系统，其特征在于：包括风力发电单元、光伏发电并网单元、储能单元、三级负荷、负荷控制装置、模拟负载、PV模拟器、变频器、交流并网柜、微电网接入柜、中央控制器、联络开关、电缆和母线；

所述风力发电单元，包括风力发电机、风机并网控制器和风机并网逆变器，风力发电机接至风机并网控制器输入端，风机并网控制器输出端接至风机并网逆变器输入端，风机并网逆变器的输出端作为风力发电单元的输出端接至交流并网柜； 

所述光伏发电并网单元，包括电池组件、防雷汇流箱和光伏并网逆变器，光伏并网逆变器经防雷汇流箱连接电池组件；

所述三级负荷经负荷控制装置分别与联络开关相连；

所述储能单元，包括两套PCS装置柜、两套电池柜和两套超级电容，电池柜和超级电容分别接到PCS装置柜，储能单元中的两套设备，一套经联络开关连接到母线M1上，另一套经联络开关接到母线M2上；

所述交流并网柜装有交流电网电压表和输出电流表，另外还配有防雷器；

所述微电网接入柜，将分布式电源、负荷及电网连接起来； 

所述风力发电单元经联络开关F1接到母线M1上，光伏发电并网单元经联络开关F2-F4接到母线M1上，储能单元中的一套设备经联络开关F5接到母线M1上，储能单元中的另一一套设备经联络开关F11接到母线M2上，模拟负载经联络开关F9接到母线M2上，变频器输出端连接PV模拟器输入端，PV模拟器输出端经联络开关F10接到母线M2上，母线M1及与其连接的各部件构成一个微电网，母线M2及与其连接的各部件构成另一个微电网，M1和M2之间通过电缆连接并设有联络开关K2，M1和M2分别与母线M3通过电缆相连，且两条电缆上分别设有联络开关K3和K4，母线M3经联络开关K1和变压器与外电网相连；各个联络开关之间设有通信网络，通过现场总线与中央控制器相连。

2.根据权利要求1所述的微电网实验系统，其特征在于：所述的微电网实验系统可以下述运行模式进行相关组网实验：

（1）单微网并网模式

当联络开关K1和K3闭合，K2和K4断开，系统处于单微网并网模式；

此时，存在以下几种情况：

仅当F1闭合时，由风力发电机带负荷；

仅当F2-F4闭合时，由光伏发电并网单元电池组件带负荷；

仅当F5闭合时，由储能单元带负荷；

（2）多微网并网模式

当联络开关K1-K4闭合，系统处于多微网并网模式；

（3）单微网孤岛模式

当联络开关K1-K4断开时，系统处于单微网孤岛模式；

此时，存在以下几种情况：

仅当F1闭合时，由风力发电机带负荷；

仅当F2-F4闭合时，由光伏发电单元电池组件带负荷；

仅当F5闭合时，由储能单元带负荷；

（4）多微网孤岛模式

当联络开关K2闭合、K1K3K4断开时，系统处于多微网孤岛模式；

（5）暂态模式

预先设置故障点，当在该处发生故障时，系统处于从并网到孤岛之间切换的过程，此时，处于暂态模式。

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