CN104698859A - 分布式能源发电实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式能源发电实验系统。该分布式能源发电实验系统包括：线路阻抗模拟装置，用于模拟不同距离运行的分布式电源；分布式电源，与线路阻抗模拟装置相连接，用于通过线路阻抗模拟装置接入电网，用于模拟不同的线路参数运行；系统负荷模拟装置，用于模拟系统在不同负荷条件下运行；数字实时仿真装置，用于建立多种数字仿真模型进行仿真运行。通过本发明，解决了相关技术中分布式电源运行模式的切换不够灵活的问题。

Description

分布式能源发电实验系统

技术领域

本发明涉及发电领域，具体而言，涉及一种分布式能源发电实验系统。

背景技术

间歇式可再生能源发电会对电网的安全稳定带来一系列的影响，电网友好型分布式新能源发电技术利用混合储能系统可有效抑制电源功率波动，通过对后端DC/AC换流器的灵活控制，还可实现对电网电压和频率进行支撑调节。搭建开放式的实验平台是开展分布式新能源和微电网相关技术研究的有效手段，目前，相关技术中搭建的关于分布式电源和微电网的相关实验平台主要分为以下几类：

（1）实验平台全部以纯物理机组搭建实现。目前，国多内外搭建了诸多分布式电源和微电网的实验平台，在该类平台一次设备主要包括风力发电单元、光伏发电单元、蓄电池储能单元、传统的旋转发电单元等分布式电源，通过监控平台完成分布式电源的监控与能量管理，最终实现系统的稳定运行。在该类分布式电源和微电网实验平台中，所有环节都通过实际的物理模型实现，并且所有的控制策略已封装固化到设备内部，该实验平台的开放程度远远无法满足相关实验研究的需要。

（2）实验平台以纯数字的仿真程序实现。目前，国内外有很多关于分布式电源或微电网相关仿真平台，该平台的通过一些综合分析程序，在计算机上实现的是一种纯数字的分析计算，分析对象全部通过数字模型实现。在该类实验平台中，缺乏对分布式电源和微电网一些电磁暂态的实证性分析研究。

（3）实验平台以实时仿真器实现分布式电源主控系统。目前，国内外有些分布式电源的半实物仿真平台，该平台中的分布式电源一次主电路由实际的物理器件搭建，分布式电源的主控制器由实时仿真器实现，通过在实时仿真器中搭建控制模型，实现分布式电源的半实物仿真。在该类实验平台中，分布式电源的所有控制策略全部放入仿真器中，未采用分层控制设计技术，导致分布式电源失去了就地自控能力，不利于分布式电源运行模式的灵活切换。

针对相关技术中分布式电源运行模式的切换不够灵活的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种分布式能源发电实验系统，以解决相关技术中分布式电源运行模式的切换不够灵活的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种分布式能源发电实验系统。该分布式能源发电实验系统包括：线路阻抗模拟装置，用于模拟不同距离运行的分布式电源；分布式电源，与线路阻抗模拟装置相连接，用于通过线路阻抗模拟装置接入电网，用于模拟不同的线路参数运行；系统负荷模拟装置，用于模拟系统在不同负荷条件下运行；数字实时仿真装置，用于建立多种数字仿真模型进行仿真运行。

进一步地，分布式能源发电实验系统还包括：可再生能源发电模块；锂电池储能模块；超级电容储能模块；DC/AC变换器；底层控制器。

进一步地，分布式能源发电实验系统还包括：DC/AC换流器；直流母线；交流系统。

进一步地，可再生能源发电模块、锂电池储能模块和超级电容储能模块分别通过DC/AC变换器与直流母线并联构成功率可控的直流供电系统，直流供电系统通过DC/AC换流器与交流系统相连。

进一步地，分布式电源的运行模式为并网模式，在并网模式下，分布式电源按照上级的P、Q调度指令并网运行。

进一步地，分布式电源按照以下方式运行并网模式：通过数字实时仿真装置选择并网模式，获取设置的调度指令；选择调度指令模式运行；控制逆变电压；数字实时仿真装置下达切换指令；换流器按照调度指令并网运行。

进一步地，分布式电源的运行模式为自同步模式，在自同步模式下，分布式电源按照接入电网的信号，通过自适应控制实现电压源模式与电网的并联运行。

进一步地，分布式电源按照以下方式运行自同步模式：通过数字实时仿真装置选择自同步模式；换流器控制逆变电压；闭合并网开关K；数字实时仿真装置下达通道切换指令；换流器按照调度指令并网运行。

进一步地，分布式电源的运行模式为独立模式，在独立模式下，分布式电源按照上级的V、F调度指令独立运行。

进一步地，数字实时仿真装置为用于在纯数字仿真过程中对电源的控制策略进行修改的纯数字实时仿真装置，数字实时仿真装置还用于将纯数字仿真模型中控制系统的输入信号切换到纯数字实时仿真装置实际的输入信号进行数字/物理混合仿真。

通过本发明，解决了相关技术中分布式电源运行模式的切换不够灵活的问题，进而达到了使得分布式电源运行模式能够灵活切换的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的电网友好型分布式新能源发电实验平台；

图2为本发明提供的DC/AC换流器归一化控制模型；

图3为本发明提供的电网友好型电源的多运行模式控制框图；

图4为本发明提供的DC/AC换流器运行于并网模式的主控流程图；

图5为本发明提供的DC/AC换流器运行于孤岛模式的主控流程图；

图6为本发明提供的DC/AC换流器运行于自同步模式的主控流程图；以及

图7为本发明提供的电网友好型分布式新能源发电数字/模拟混合仿真原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例提供了一种分布式能源发电实验系统，该分布式能源发电实验系统为电网友好型分布式新能源发电实验平台（系统）。本发明中的电网友好型分布式电源由间歇性可再生能源发电（如风电、光伏等）系统和混合储能系统—能量型储能锂电池系统和功率型储能超级电容系统组成。该实验平台由两台电网友好型分布式电源、线路阻抗模拟装置、系统负荷模拟装置、纯数字实时仿真装置组成。依托该发明，可以完成电网友好型分布式新能源发电的拓扑结构研究与控制方法验证，多台电网友好型分布式电源并联协调运行控制技术，系统线路阻抗对电源出力的影响，以及分布式新能源发电数字/物理混合仿真技术，通过纯数字实时仿真装置的建模仿真，实现电网友好型分布式电源纯数字实时仿真，通过仿真装置与物理平台的接口对接，实现电网友好型分布式电源数字/物理混合仿真。

该电网友好型分布式新能源发电实验平台，包括分布式电源、线路阻抗模拟装置、系统负荷模拟装置、纯数字实时仿真装置和电网；所述分布式电源通过线路阻抗模拟装置接入电网；通过对线路阻抗模拟装置的在线设置，模拟不同距离运行的分布式电源；模拟不同的线路参数运行的分布式电源；通过对系统负荷模拟装置的在线设置，模拟系统在不同负荷条件下运行；通过纯数字实时仿真装置，建立各种纯数字的仿真模型并通过仿真装置与电源的接口进行实验平台的数字/物理混合仿真运行。

优选地，所述电网友好型分布式电源包括可再生能源发电模块、锂电池储能模块、超级电容储能模块、DC/AC变换器和底层控制器。

所述可再生能源发电模块、锂电池储能模块和超级电容储能模块分别通过DC/DC变换器与直流母线并联，构成功率可控的直流供电系统，该直流供电系统通过DC/AC换流器与交流系统相连，对交直流混合供电系统内部的协调控制，构成电网友好型分布式电源。

在分布式能源发电实验系统中，所述电网友好型分布式电源包括多运行模式：

①并网模式

电网友好型分布式电源按照上级的P、Q调度指令可并网运行；

②独立模式

电网友好型分布式电源按照上级的V、F调度指令可独立运行；

③自同步模式

电网友好型分布式电源根据接入电网的信号，通过自适应控制实现以电压源模式与电网并联运行。

所述并网模式包括：

（5.1）纯数字实时仿真装置选择并网模式，设置P_oQ_o；

（5.2）S1选择V-F模式；

（5.3）按照PLL信号控制逆变电压；

（5.4）闭合并网开关K；

（5.5）S1切换到P-Q模式；

（5.6）换流器按照P_oQ_o并网运行；

（5.7）纯数字实时仿真装置下达S2切换指令；

（5.8）换流器按照P、Q并网运行。

所述独立模式包括

（6.1）纯数字实时仿真装置选择孤网模式；

（6.2）换流器闭合开关K；

（6.3）换流器按照初始定V_oF_o独立逆变；

（6.4）纯数字实时仿真装置下达通道切换指令S3；

（6.5）换流器按照V、F独立逆变。

所述自同步模式包括：

（7.1）纯数字实时仿真装置选择自同步模式；

（7.2）换流器按照PLL信号控制逆变电压；

（7.3）闭合并网开关K；

（7.4）纯数字实时仿真装置下达通道切换指令S3；

（7.5）换流器按照V、F并网运行。

所述实验平台的数字/物理混合仿真运行方法包括：搭建电网友好型分布式电源仿真模型，通过纯数字仿真装置在纯数字仿真过程中对电源的控制策略进行修改的纯数字实时仿真；将纯数字仿真模型中控制系统的输入信号切换到纯数字仿真装置实际的输入信号，将纯数字仿真模型中的DC/AC换流器部分替换成实际的物理平台，进行的数字/物理混合仿真。

本发明可应用于电网友好型分布式电源建模仿真技术，依托该开放式的实验平台，可开展分布式新能源发电纯数字实时仿真，同时也可开展分布式新能源发电数字/物理混合仿真，上述仿真技术，在有效验证各种控制策略有效性的同时大大提高研究效率。

本发明可应用于分布式电源并网的运行与控制技术，降低间歇式可再生能源发电并网对电网的影响，使分布式电源根据上级调度指令以调度功率运行，并且能够自动参与电网的频率、电压调节，提高电网对分布式可再生能源发电的接纳能力，实现了节能环保效益。

本发明可应用于规模化离网型微电网中分布式电源的运行与控制技术，使分布式电源可以作为微电网的组网单元，和传统发电机、其他逆变器型分布式电源共同均分系统的负荷功率，维持电网中的频率和电压的稳定。

本发明可应用于混合储能系统的运行控制技术，可以优化管理蓄电池和超级电容的充放电过程，改善蓄电池的工作过程，减少其充放电循环次数和最大放电深度，延长储能系统的使用寿命。

本发明DC/AC换流器采用了底层控制系统，实现了基本运行模式的本地控制，通过定义的开放、标准接口，与纯数字实时仿真装置中的纯数字模型实现了无缝对接。

本发明专利易于实现，突出数字物理混合仿真接口交互的物理过程，是处理分布式新能源发电实验系统控制的实用方法。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

（一）如图1所示，本发明一种电网友好型分布式新能源发电实验平台包括两台电网友好型电源、线路阻抗模拟装置、系统负荷模拟装置、纯数字实时仿真装置和电网等几部分组成。电网友好型分布式电源之间通过线路阻抗模拟装置连接，通过对线路阻抗模拟装置的在线设置，既可以模拟两分布式电源以不同距离运行，由可以模拟两分布式电源以不同的线路参数运行。通过对系统负荷模拟装置的在线设置，可以模拟系统在不同负荷条件下运行，通过纯数字实时仿真装置，可以建立各种纯数字的仿真模型，并通过仿真装置与电源的合理接口设计，可实现实验平台的数字/物理混合仿真运行。其中：

（1）电网友好型分布式电源：

主要通过直流供电系统中可再生能源发电系统、锂电池系统、超级电容系统之间的协调控制以及交流侧DC/AC换流器的电网自适应控制实现。直流供电系统的控制目标为稳定直流母线电压，最大化的利用可再生能源发电及合理高效利用各种类型的储能设备；交流侧换流器的控制目标为实现分布式电源的电网友好特性。

（2）线路阻抗模拟装置：

每个分布式电源通过一个线路阻抗模拟装置接入电网，通过该模拟装置，一方面可以分别模拟380V、10kV、35kV输电线路的X/R参数特性，另一方面可以通过设置，改变线路的等效程度，进而模拟分布式电源以不同电压等级和不同距离接入电网的发电运行情况。

（3）系统负荷模拟装置：

系统中安装了一套系统负荷模拟装置，通过对该装置的参数设置，可以灵活改变系统的等效电阻、电感和电容负荷，进而实现对系统负荷的在线模拟功能。

（4）纯数字实时仿真装置：

在纯数字实时仿真装置中搭建仿真模型，实现仿真模型的实时仿真，并且该仿真装置通过标准的对外接口，可实现与DC/AC换流器输出信号的无缝连接，进而实现实时仿真模型与DC/AC物理模型运行信号的实时交互。

（5）电网：

该实验平台通过一个开关与电网相连，通过对该开关的控制，可模拟实现系统并网运行模式和孤岛运行模式的稳态运行，同时也可以模拟实验平台的并网/孤岛运行模式切换的暂态运行。

（二）本发明一种电网友好型分布式新能源发电实验平台包括多种运行模式：并网运行模式、孤岛运行模式和自同步运行模式，每种运行模式说明如下：

（1）并网运行模式

纯数字实时仿真装置对DC/AC换流器下达指令，选择并网运行模式，DC/AC换流器根据实时的交直流信号，通过底层控制器就地控制DC/AC换流器，实现DC/AC换流器的启动、同期、并网等过程。DC/AC换流器并网开关K闭合后，其P、Q指令由纯数字实时仿真装置的P₀、Q₀指令设定值确定。

当DC/AC换流器完成并网过程，并且DC/AC换流器输出P、Q达到设定值后，通过纯数字实时仿真装置下达的指令通道切换信号，DC/AC换流器的P、Q指令值将通过两路AD采样通道，从纯数字实时仿真装置的DA通道采集获取。

DC/AC换流器并网开关K闭合后，其运行模式将从V-F模式切换到P-Q模式，即通道切换S1由底层控制器就地自动控制，与纯数字实时仿真装置无关；DC/AC换流器在P-Q模式运行下，其P、Q指令从初始设定值切换到纯数字实时仿真装置给定值，即通道切换S2由纯数字实时仿真装置控制；

（2）孤岛运行模式

纯数字实时仿真装置对DC/AC换流器下达指令，选择孤岛运行模式，DC/AC换流器将根据实时的交直流实时信号，通过底层控制器就地控制DC/AC换流器，实现DC/AC换流器的V-F黑启动过程。在DC/AC换流器进行黑启动时，其V、F指令由纯数字实时仿真装置的V₀、F₀指令设定值确定。

当DC/AC换流器完成黑启动过程，并且DC/AC换流器输出V、F达到设定值后，通过纯数字实时仿真装置下达的指令通道切换信号，DC/AC换流器的V、F指令值将通过两路AD采样通道，从纯数字实时仿真装置的DA通道采集获取。在此过程中，V，F指令从初始设定值V₀、F₀切换到纯数字实时仿真装置给定值，即通道切换由纯数字实时仿真装置控制。

（3）自同步运行模式

纯数字实时仿真装置对DC/AC换流器下达指令，选择孤岛运行模式，DC/AC换流器将根据实时的交直流实时信号，通过底层控制器就地控制DC/AC换流器，实现DC/AC换流器的V-F黑启动、同期、并网过程。当DC/AC换流器并网开关K闭合后，其V-F指令将由电网侧信号通过PLL确定。

当DC/AC换流器完成并网后，DC/AC换流器的V、F给定值将通过两路AD采样通道，分别采集由纯数字实时仿真装置DA通道输出的V、F指令参考模拟信号。

（三）本发明一种电网友好型分布式新能源发电实验平台的数字/物理混合仿真方法包括：

（1）纯数字实时仿真：

指在纯数字实时仿真装置里面搭建完电网友好型分布式电源仿真模型，利用仿真装置实现纯数字的实时仿真，在纯数字实时仿真过程中可对电源的控制策略进行不断完善。

（2）数字/物理混合仿真：

指将修改完善后的纯数字仿真模型中控制系统的输入信号切换到仿真装置实际的输入信号，将控制系统的输出信号通过仿真装置控制实际的物理平台，即将纯数字仿真模型中的DC/AC换流器部分替换成实际的物理平台，进行数字/物理混合仿真。同时将数模混合仿真的运行结果与之前的纯数字实时仿真结果进行对比、校验，不断对电网友好型分布式电源仿真模型进行完善。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式能源发电实验系统，其特征在于，包括：

线路阻抗模拟装置，用于模拟不同距离运行的分布式电源；

分布式电源，与所述线路阻抗模拟装置相连接，用于通过所述线路阻抗模拟装置接入电网，用于模拟不同的线路参数运行；

系统负荷模拟装置，用于模拟系统在不同负荷条件下运行；以及

数字实时仿真装置，用于建立多种数字仿真模型进行仿真运行。

2.根据权利要求1所述的分布式能源发电实验系统，其特征在于，还包括：

可再生能源发电模块；

锂电池储能模块；

超级电容储能模块；

DC/AC变换器；以及

底层控制器。

3.根据权利要求2所述的分布式能源发电实验系统，其特征在于，还包括：

DC/AC换流器；

直流母线；以及

交流系统。

4.根据权利要求3所述的分布式能源发电实验系统，其特征在于，所述可再生能源发电模块、所述锂电池储能模块和所述超级电容储能模块分别通过所述DC/AC变换器与所述直流母线并联构成功率可控的直流供电系统，所述直流供电系统通过所述DC/AC换流器与所述交流系统相连。

5.根据权利要求1所述的分布式能源发电实验系统，其特征在于，所述分布式电源的运行模式为并网模式，在所述并网模式下，所述分布式电源按照上级的P、Q调度指令并网运行。

6.根据权利要求5所述的分布式能源发电实验系统，其特征在于，所述分布式电源按照以下方式运行所述并网模式：

通过所述数字实时仿真装置选择并网模式，获取设置的调度指令；

选择调度指令模式运行；

控制逆变电压；

所述数字实时仿真装置下达切换指令；以及

换流器按照所述调度指令并网运行。

7.根据权利要求1所述的分布式能源发电实验系统，其特征在于，所述分布式电源的运行模式为自同步模式，在所述自同步模式下，所述分布式电源按照接入电网的信号，通过自适应控制实现电压源模式与电网的并联运行。

8.根据权利要求7所述的分布式能源发电实验系统，其特征在于，所述分布式电源按照以下方式运行所述自同步模式：

通过所述数字实时仿真装置选择所述自同步模式；

换流器控制逆变电压；

闭合并网开关K；

所述数字实时仿真装置下达通道切换指令；

所述换流器按照所述调度指令并网运行。

9.根据权利要求1所述的分布式能源发电实验系统，其特征在于，所述分布式电源的运行模式为独立模式，在所述独立模式下，所述分布式电源按照上级的V、F调度指令独立运行。

10.根据权利要求1所述的分布式能源发电实验系统，其特征在于，所述数字实时仿真装置为用于在纯数字仿真过程中对电源的控制策略进行修改的纯数字实时仿真装置，所述数字实时仿真装置还用于将纯数字仿真模型中控制系统的输入信号切换到所述纯数字实时仿真装置实际的输入信号进行数字/物理混合仿真。