智能小区微型电网模型的仿真与实现

摘要：介绍了利用仿真软件及简易物理模型搭建的小区供电模式，阐明了微型电网的构建，利用自动控制手段提高供电的可靠性，及其可观的发展前景。

关键词：微型电网；建模；自动控制

随着电力行业的飞速发展，当今的电网规模也不断扩大，但传统的电力行业由于存在能源利用率不够高、环境污染严重、运行繁琐、可靠性不足等弊端已经难以满足越来越多样化的供电需求。出于对供电的灵活性、可靠性以及环境保护等问题的考虑, 通过对分布式发电（Dtributed Generation，DG）系统和储能技术展开研究得到的系列成果，并结合电力系统用户对电能质量的要求和电力系统的发展趋势，逐步形成了特殊的电网形式--微型电网（microgrid) [1]。

本科创小组1针对我国大力推进建设节约型社会，推进DG建设，推进低碳生活，减少二氧化碳排放的总目标，应用微型电网结构分析研究、规划设计采用DG技术的绿色社区模式。通过对于微型电网技术、DG技术这两个关键因素的分析研究应用，理论实践与仿真相配合，搭建微型电网模型――分为“小区”和“小屋”两个模块来分析微型电网结构，为设计实现新型绿色社区提供参考，使之能够实现能源的有效利用，实现真正意义的低碳社区生活。

1 “小区”供电模型

“小区”主要针对整个微型电网的新能源合理分布、微型电网与主网的线路和控制配合，以模拟各种故障类型来展现不同情况下微型电网小区的供电方式及对重要负荷的保护。

在设计电路时，由于考虑到交流设备的昂贵性和交流试验模拟的不安全性，本项目组选择了用直流电路仿真实际的交流电路。以两个直流电源分别模拟主网和微型电网的电源，以LED灯模拟居民用户负荷和各类其他公共负荷。

整体小区模型的简化原理电路如图1，其中V1是主网电源，V2是微型电网电源：

当正常运行时，小区采取V1，V2联网运行方式，V2根据小区用户的日用电量高低峰时段，智能地进行削峰填谷，在用电低谷时段将电能储备到蓄电池中；在用电高峰时段，将储蓄的电能提供给用户。这样既可以节约电能，又可以缓解V1的供电压力。

当V1出现紧急故障而使小区处于孤岛运行时，将启动自动控制装置，根据实时的用户负荷量合理分配电能：若负荷量超出V2的供电承受范围，自动控制装置将只保留小区的重要负荷，而切除非重要负荷。

在V2小区实际模型中，除了体现的DG电源等这些主要因素之外，重点在于突出V2在V1无法供电时、仍能保证供电可靠性方面的优秀表现。也即，当V1停电或故障切除时，确保小区内的重要负荷不停电；在V2电能充裕的情况下考虑给其他一部分非重要负荷供电（在电量明显下降的时候会自动切除），最大限度地减小停电事故给居民生活造成的影响。这其中涉及到一个自动控制装置，下面着重阐述该装置的原理：

在模型中电能不足主要表现在负荷电流过大，采取由负荷电流的大小来决定是否要切除部分非重要负荷的方法，就需要一个过电流保护装置。该装置电路原理图[2]如图2，装置的延时显示如图3:

主电路由9V的直流电源，R10（重荷），R11（非重要负荷），开关J2 组成。过电流保护电路由电阻R3，R4，R5，R6，三极管Q1,Q2,反相器U3A,U1A,继电器K，二极管D1-D3 组成，开关J1组成

在负载工作电流正常时，K处于释放状态，LED1亮。当J2闭合时（大功率非重要负荷投入运行），R5上的电压降将增大，使Q1导通，U3A输出低电平，U1A输出高电平，Q2导通，K吸合，其常闭触头断开，将主电路切断，输出电压消失，同时LED1熄灭。大功率非重要负荷切除后，按下开关K1可实现复位，使主电路恢复正常工作。其中电阻R12，R13,三极管Q3 ,电容C1构成延时电路。调整电容和电阻的大小可以得到不同的延时时间。以此实现V2孤岛运行下的电能控制。

自动控制装置Multisim软件仿真波形及数据如图4、图5：

“小屋”供电模式

“小屋”模块既是小区一个单独的放大单元，同时也模拟了完全独立的微型电网结构。由DG单元、居民家庭负荷、双向电表（bidirectional electronic energy meter）[3]和电动汽车及其充电站构成。

作为独立的放大单元，小屋由小区统一供电和实现电能控制，更完善的体现了自动控制下的电能切换。而模拟孤岛运行时，小屋是一个仅包含DG单元、储能设备等的典型V2结构。此类模型的现实意义是，在无外加大电网供电但富含新能源的偏远地域的居民，可以利用新能源发电来实现自身电能的自给自足。多余的电能可通过蓄电池或其他以电动汽车为代表的“即插即用[4]”储能设备存储起来，当因天气等原因导致新能源发电供不应求时即可作为电源为自身供电使用，从而保证负荷的供电可靠性。

在设计小屋模型中，为了能更贴切于上海居民的实际生活情况，本项目组从学校南汇校区的太阳能小屋收集了太阳能电池板在一年中不同季节不同时间下的输出功率、效率、日发电量及散热片温度等数据。为了提高太阳能电池板的利用率，需要根据所在地的纬度来确定电池板的最佳倾角，上海纬度为31°，经计算

后确定了小屋的屋顶倾角为30°左右，以使太阳能电池板能最大程度利用，同时偏移屋脊使屋顶向阳面积最大化。

小屋模型的简化原理电路图如图6（仿真电路图由交流拟）：

小屋中的电动汽车在作为“即插即用”分布式移动电源，在用电低谷期间充电供白天居民使用，或仅将低谷时期的电能储存起来，在用电高峰时作为电源为小屋提供电能或直接向主网倒送电能，缓解用电紧张。在体现这种双向的功率流动方面，本项目组利用了双向电表。

双向电表具备双向计量的功能，支持分布式能源利用。除了可以记录进入居民使用的电量外，还可以记录居民向主网提供的电量。当DG系统所发电量有富余时，就可以将多余的电能卖给电网，在享受低碳生活的同时还能提升市民的经济效益，更有利于改进能源预测，加强网络管理。

3 小结

新型微型电网小区模型整体结构如图7，小区为主体结构，包括了作为个体独立的小屋、自动控制装置和DG构成的V2。小区的自动控制装置同时联系V1、V2以及小区内各重要和非重要负荷，在正常及各种故障状态下合理分配电能，实现优化控制。

4 结束语

通过对微型电网理念的学习和研究，结合实际居民小区情况，成功仿真、搭建出新型微型电网小区模型。以直流系统模拟交流系统的方式，利用电力电子技术，在小区和小屋中分别体现了微型电网中分布式发电、自动控制装置；储能技术、双向电表等各方面内容，为将来探索形成一个建立此类小区打下基础。

参考文献：

[1] 国海,苏建徽,张国荣.微型电网技术研究现状[J].四川电力技术,2009,32(4):1-6.

[2] 维库电自市场网.

作者简介：

刘紫婷（1989-），女，本科，浙江杭州人.省略

基金项目：

上海市大学生创新性活动计划项目（A84200）