微電網(wǎng)開(kāi)放式科研開(kāi)發(fā)平臺(tái)

背景介紹
    隨著光伏、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，分布式發(fā)電日漸成為滿(mǎn)足負(fù)荷增長(zhǎng)需求、提高能源綜合利用效率、提高供電可靠性的一種有效途徑，并在配電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。但分布式發(fā)電的大規(guī)模滲透也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響，如單機(jī)接入成本較高、控制復(fù)雜、對(duì)大系統(tǒng)的電壓和頻率存在沖擊等，這限制了分布式發(fā)電的運(yùn)行方式，削弱了其優(yōu)勢(shì)和潛能。
    微網(wǎng)技術(shù)為分布式發(fā)電技術(shù)及可再生能源發(fā)電技術(shù)的整合和利用提供了靈活、高效的平臺(tái)。微電網(wǎng)系統(tǒng)被視為未來(lái)智能電網(wǎng)的最重要一環(huán)，可以有效地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)電力能量的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)能量的削峰填谷。微網(wǎng)系統(tǒng)具有電源類(lèi)型多樣、控制方式復(fù)雜、運(yùn)行模式多變的特點(diǎn)，所以集控中心很難對(duì)整個(gè)系統(tǒng)作出快速反應(yīng)并進(jìn)行相應(yīng)控制，如分布式電源輸出功率波動(dòng)、電壓跌落、故障和停電等。微網(wǎng)控制系統(tǒng)應(yīng)做到各分布式電源能夠基于本地信息對(duì)電網(wǎng)中的事件作出快速自主反應(yīng)，例如調(diào)節(jié)潮流和接口電壓、快速分擔(dān)負(fù)荷、并離網(wǎng)無(wú)縫切換、自動(dòng)頻率控制、自動(dòng)穩(wěn)定控制、黑啟動(dòng)等，以共同維持微網(wǎng)系統(tǒng)的基本運(yùn)行。

? 系統(tǒng)概述
   1) 典型拓?fù)?/span>
    交流子微網(wǎng)和直流子微網(wǎng)中存在光伏、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能等分布式發(fā)電單元，通過(guò)變流器接入交流母線(xiàn)和直流母線(xiàn)，可根據(jù)分布式發(fā)電單元自身的發(fā)電特性和電網(wǎng)的運(yùn)行需要，實(shí)現(xiàn)分布式電源的靈活發(fā)電。
    雙向AC/DC變換器或模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)作為兩子微電網(wǎng)間的傳輸媒介，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部負(fù)載和分布式電源的變化，實(shí)現(xiàn)混合微電網(wǎng)內(nèi)部能量的雙向流動(dòng)，保證系統(tǒng)內(nèi)部功率均衡，還能維持交直流母線(xiàn)電壓和頻率的穩(wěn)定，保障微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)典型拓?fù)?/span>

? 2) 系統(tǒng)控制模式
    系統(tǒng)支持主從控制模式和對(duì)等控制模式。
  （2.1）主從控制模式
    微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，其中一個(gè)分布式電源（DG-Distributed Generation）采取恒電壓和恒頻率控制（V/f控制)，用于向微網(wǎng)中的其它DG提供電壓和頻率參考，其它DG則可采用恒功率控制(PQ控制)。采用V/f控制的DG控制器稱(chēng)之為主控制器，而其它DG的控制器則稱(chēng)之為從控制器。
    （2.2）對(duì)等控制模式
    微網(wǎng)中所有DG在控制上都具有同等地位，控制器間不存在主從關(guān)系，每個(gè)DG都根據(jù)接入系統(tǒng)點(diǎn)電壓和頻率進(jìn)行控制。微網(wǎng)運(yùn)行在孤島模式時(shí)，微網(wǎng)中每個(gè)采用下垂控制策略（Droop）的 D G都參與微網(wǎng)電壓和頻率的調(diào)節(jié)，自動(dòng)依據(jù)下垂系數(shù)分擔(dān)負(fù)荷的變化量，亦即各DG通過(guò)調(diào)整各自輸出電壓的頻率和幅值，使微網(wǎng)達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn),最終實(shí)現(xiàn)輸出功率的合理分配。采用下垂控制可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率變化在DG間的自動(dòng)分配，但負(fù)載變化前后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓和頻率也會(huì)有所變化，對(duì)系統(tǒng)電壓和頻率指標(biāo)而言，該控制模式是一種有差控制。
    3) 分布式電源控制策略
    微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有賴(lài)于各分布式電源（DG），按并網(wǎng)方式DG可分為逆變型、同步機(jī)型和異步機(jī)型。微網(wǎng)中的分布式電源主要是基于電力電了的逆變型電源，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持 PQ控制、V/F控制和Droop控制等多種控制策略。

    4) 光伏發(fā)電模擬系統(tǒng)
    光伏陣列模擬是利用開(kāi)放式電能變換與控制技術(shù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)模擬光伏陣列的輸出特性，使實(shí)際電路的輸出I-V特性曲線(xiàn)與所模擬的光伏陣列一致。系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
（1）可模擬不同光照和溫度下的I-V特性曲線(xiàn)；
（2）通過(guò)填充因子（Fill Factor）可模擬多種太陽(yáng)能電池的輸出特性；
（3）可測(cè)試動(dòng)態(tài)和靜態(tài)下的MPPT；
（4）支持MATLAB自動(dòng)代碼生成和系統(tǒng)軟件代碼開(kāi)源。

5) 風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)

    風(fēng)機(jī)數(shù)學(xué)模型是搭建風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)，假定傳動(dòng)鏈為剛性，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率為

    其中，cp為風(fēng)輪功率系數(shù)，λ為葉尖速比，β為槳距角，ρ為空氣密度，A為風(fēng)輪面積，v為風(fēng)速。
    后臺(tái)軟件設(shè)定風(fēng)模型，變頻器根據(jù)設(shè)定的風(fēng)況控制異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模擬。風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)：
（1）功能豐富，可模擬不同的風(fēng)況和風(fēng)速曲線(xiàn)；
（2）內(nèi)置完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型，真實(shí)模擬機(jī)組的功率曲線(xiàn)；
（3）支持MATLAB自動(dòng)代碼生成和系統(tǒng)軟件代碼開(kāi)源。

6) 儲(chǔ)能模擬系統(tǒng)
    光伏和風(fēng)力屬于間歇性能源，不能提供持續(xù)穩(wěn)定的功率輸出。當(dāng)光伏和風(fēng)機(jī)發(fā)電能力不足，以及微網(wǎng)發(fā)生暫態(tài)擾動(dòng)時(shí)，為了維持微網(wǎng)暫態(tài)功率平衡，需配置蓄電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng),并通過(guò)雙向儲(chǔ)能變流器（PCS）并入交流母線(xiàn)。
    雙向儲(chǔ)能變流器由兩臺(tái)開(kāi)放式電能變換與控制技術(shù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)組成，具備提供無(wú)功和諧波補(bǔ)償?shù)哪芰?，支持多種工作模式，在并網(wǎng)、離網(wǎng)和并/離網(wǎng)切換等工況下均能提供良好質(zhì)量的電能。

7) 中央控制器
    中央控制器可對(duì)各分布式電源的控制參數(shù)或工作模式等進(jìn)行設(shè)置，在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)各分布式電源、負(fù)荷以及整個(gè)微電網(wǎng)的監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)控制、功率平衡分析、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析、集中保護(hù)等功能，使其安全、經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行。
    

    平臺(tái)特點(diǎn)

1) 軟硬件開(kāi)放

• 根據(jù)用戶(hù)需求，硬件、軟件均支持定制和開(kāi)源；

• 功能劃分明確：每面屏柜既是一套獨(dú)立的子系統(tǒng)，可進(jìn)行單獨(dú)實(shí)驗(yàn)，又是科研開(kāi)發(fā)平臺(tái)的一部分，進(jìn)行能量協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)；
• 模塊化設(shè)計(jì)：檢測(cè)電路、功率電路、控制電路、濾波電路及輔助電源均采用模塊化設(shè)計(jì)，既方便初學(xué)者對(duì)功能模塊和電子元器件的認(rèn)知，又便于更換與維修；

• 采用全隔離低電壓模式，確保實(shí)驗(yàn)人員安全；
• 產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，具有軟硬件過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、防反接與防直通保護(hù)、電機(jī)過(guò)速保護(hù)等功能；

    實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

• 光伏發(fā)電MPPT控制實(shí)驗(yàn)；
• 光伏并網(wǎng)控制實(shí)驗(yàn)；
• 風(fēng)電并網(wǎng)控制實(shí)驗(yàn)；
• 儲(chǔ)能充、放電控制實(shí)驗(yàn)；
• 微網(wǎng)孤島運(yùn)行控制實(shí)驗(yàn)；
• 微網(wǎng)黑啟動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)；
• 微網(wǎng)并離網(wǎng)切換控制實(shí)驗(yàn)；
• 微網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)；
• 虛擬同步發(fā)電機(jī)。

    典型案例
    微電網(wǎng)科研平臺(tái)由風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)、光伏發(fā)電模擬系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)及RLC負(fù)載構(gòu)成，可進(jìn)行交直流混合微電網(wǎng)相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)。

案例開(kāi)發(fā)平臺(tái)構(gòu)成

典型配置方案