智能微网培训系统初探

随着各国经济的发展，能源需求，特别是电能需求也随之迅速增长。电网的规模也愈来愈大，超大规模电力系统和超大规模网架带来的弊病也日益显现。往往为了保证用户提出的越来越高和越来越多样化的安全性和可靠性要求，运行成本和运行难度亦与日俱增。在此基础上，各国都已经在分布式发电的基础上，开展微电网的研究，各国都立足于本国电力系统的实际问题，提出了能够适应其自身的微电网概念和发展目标。自从中国开始注重新能源的发展，促进光伏、风能等新兴产业的政策不断出台，“光明计划”“金太阳计划”等各种计划陆续施行，为企业打入“兴奋剂”。无论是新农村建设，还是在城市供电网中，微网正扮演一个越来越重要的角色，并成为中国可持续发展中电网的发展方向。微网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，具有电源容量小、电压等级低、接近负荷中心、运行方式灵活、可联网也可孤岛运行的特点，可靠性高，停电几率小，还可以解决边远地区供电难问题，是最能体现节能、减排、安全、灵活等优点的能源发展方式。

2013年，内蒙古电力（集体）有限责任公司培训中心教学科研团队经过多地调研，准备筹建新能源仿真培训系统；该系统是包含风力发电、光伏发电、电力储能，并具有微网特性的实际运行系统示范工程，预计2014年5月通过整体验收。

系统设计构想

该系统主要由分布式电源发电、储能装置、交直流负荷、能量管理系统、测控保护装置和监控装置汇集而成的智能型的微电网系统。

该系统建成以后可实现：

（1）实现分布式电源、智能储能系统友好接入电网，实现与配电网并网协调运行。

（2）建成微网运行状态监控、分布式发电接入微网控制、功率分配调度与发电控制、电能平衡和负载控制的应用平台。

（3）实现微网双向潮流环境下控制保护协调工作的系统。

（4）完成分布式光伏电源、储能系统智能协调工作，成功实现孤岛转并网、并网转孤岛方式的自动切换。

系统设计方案

智能微网系统设计方案

微网系统建设按区域可划分为微网控制设备室、屋顶光伏系统、室外风力发电等三个区域。最终建成一个包含新能源发电（含使用光伏发电系统、风机发电系统）、储能装置（铅酸电池储能）、交直流负荷（含模拟负载、普通负荷）、测控保护装置、能量管理系统汇集而成的微网系统。

微网系统通过微网进线开关和主网连接，有并网运行和孤岛运行两种方式，并可实现功率平滑控制、需求侧响应、能效分析等高级功能。微网能量管理系统实现微网主要设备的信息采集、设备控制、状态监视等功能，可与配网SCADA系统进行有机连接。

该系统平台为进一步研究微网的稳态分析和数字仿真技术、微网能量管理技术、微网的并网应用和经济运行理论奠定了基础。

交互式培训系统设计方案

交互式培训系统采用交互式仿真软件支撑平台解决分布式仿真培训系统互操作性、分布性、异构性、时空一致性和开放性问题，具有良好的规模可伸缩性，能够满足展示和仿真互动培训的需要。

交互式可视化仿真支撑平台由可视化视频展示、组件化三维建模，数据库管理、人机交互界面等子系统以及模型库，为上层各应用提供公共的展示和培训基础服务。

同时软件系统还具有培训管理系统的功能。包括培训业务管理、培训过程管理、系统辅助管理。

系统组成部分

光伏并网发电系统

光伏并网发电系统，含5kW光伏电池和三相光伏并网逆变器。

风力发电系统

风力发电系统，含2kW的风力发电机组和三相变频器接入微网。

风机控制器系统

风机控制器系统，采用PWM方式控制风机对蓄电池进行限流限压充电，即在蓄电池电量较低时，采用限流充电。也就是当风机充电电流小于限流点时，风机的能量全部给蓄电池充电。当风机电流大于限流点时，以限流点的电流给蓄电池充电，多余的能量通过PWM方式卸载。在蓄电池电量较高时，采用限压充电。也就是当蓄电池电压低于限压点时，风机的能量全部给蓄电池充电。当蓄电池电压达到限压点时，风机会以限压点对蓄电池充电，多余的能量通过PWM方式卸载。该系统具有完善的保护功能，包括：蓄电池过充电、蓄电池防反接、防雷、风机限流、风机自动刹车和手动刹车。

并网逆变器系统

并网逆变器系统，采用美国TI公司专用DSP控制芯片，主电路采用国际知名的西门康IGBT功率模块组装，运用电流控制型PWM有源逆变技术和优质进口高效隔离变压器，可靠性高，保护功能齐全，且具有电网侧高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电等特点。

双向储能逆变器

双向储能逆变器，主要功能和作用是实现交流电网电能与储能电池电能之间的能量双向传递，也是一种双向变流器，可以适配多种直流储能单元，如超级电容器组、蓄电池组、飞轮电池等，其不仅可以快速有效地实现平抑分布式发电系统随机电能或潮流的波动，提高电网对大规模可再生能源发电（风能、光伏）的接纳能力，且可以接受调度指令，吸纳或补充电网的峰谷电能，及提供无功功率，以提高电网的供电质量和经济效益。在电网故障或停电时，其还具备独立组网供电功能，以提高负载的供电安全性。

蓄电池

蓄电池，为20块12V200AH的太阳能专用胶体电池（浮充次数不少于1500次）工作温度在-40℃～+55℃。具有防水措施，抗腐蚀性能及深循环性能好。

智能微网控制系统

智能微网控制系统，采用武汉日新公司产品，该公司研发的智能微网控制系统为新技术产品，本设备可实现在各种状态下智能、稳定切换，极大的提高了内部电网的系统安全性。太阳能电力、市电、储能单元互为备用，负载供电首选太阳能电力，有多余电量则并入电网；储能单元在电网故障时可满足负载供电要求；太阳能电力不足时，引入市电对负载进行供电。用电负载供电方式灵活按照电网状态选择切换，各供电方式切换平稳迅速，实现了系统安全性的提高和太阳能电力利用最大化。

智能微网控制系统集成监控系统功能，可实时监控光伏控制器、逆变器、光伏阵列等设备，对整个系统的运行情况通过友好的界面实时的显示出来。主要功能包括：设备自动检索：新设备一旦被接入系统，会被自动检索，并显示在设备列表中；远程查询：用户可以在任何一台能登陆网络的PC上实时监控点点的运行情况；系统详细运行参数：实时显示光伏控制器、离网逆变器、光伏阵列等的运行参数；故障记录及报警：通过声光等手段及时提醒故障，并作记录；历史数据记录：可查询设备指定时间范围内的运行参数信息。

RLC交流负载系统

RLC交流负载模拟器作为微网系统三相模拟负载，主要用于测试微网系统对感性、阻性、容性负载的带载能力以及微网控制策略对于负载变化的响应情况。其接线形式如下图所示。

能量管理平台面向各种控制和优化目标，通过对电源出力调节和自动网络重构实现电网的能量管理。可实现优化目标包括：

1）平抑波动控制

平抑波动控制主要是指按照一定的策略控制分布式电源系统的发电功率和接入状态，以保证在满足负荷需求的前提下尽量多地使用清洁能源，而且同时要保证分布式电源所发电能全部就地消耗，系统也不会向电网反送功率，避免出现逆功率保护动作造成停电。

为了达到这一控制目的，需要在对各分布式电源系统发电的实时功率、负荷消耗功率、光照强度等一系列参数进行实时采集、综合分析的基础之上，实时计算得出当前分布式电源发电功率的调节目标，并采用以下手段来实现调节：

遥调：通过远传通道下达调节命令，改变分布式电源的发电功率

遥控：控制开关分、合闸以切除或投入该路分布式电源

2）需求侧响应

在实时电价基础上进行需求侧响应的研究。通过峰谷电价调节，实现需求侧响应调节负荷和分布式电源达到削峰填谷的目的。分布式电源对于电网而言本身具有一定的正调峰特性。而对于微网中的储能系统而言，在参与削峰填谷时，通常根据负荷的高峰和低谷区域作为电池工作方式切换的边界点。

3）优化经济运行

根据电网分时电价与负荷状况，合理分配光伏系统和风机发电功率、储能系统充放电状态，使得整个微网系统实现经济运行，大大降低运行成本，实现经济效益最优化。

4）并网与孤岛运行模式切换

当市电网发生故障时，微网系统通过断开并网开关在10ms内将微网从市电解列，同时储能系统从P-Q模式切换到V-F模式，作为主电源支撑微网的频率和电压保持恒定，保证在并网/孤岛切换瞬间各级负荷供电不中断，发电机和光伏系统保持切换前的工作模式继续发电，并根据负荷需要调节发电功率和投切控制。当市电网恢复正常后，如果检测到并网开关电网侧电压正常并持续1s，储能系统、光伏系统和风机系统相继转为并网运行。

（作者供职于内蒙古电力（集团）有限责任公司培训中心）