新能源智能微网实验平台构建与应用

黄飞腾， 翁国庆

(浙江工业大学 信息工程学院， 浙江 杭州 310023)



新能源智能微网实验平台构建与应用

黄飞腾， 翁国庆

(浙江工业大学 信息工程学院， 浙江 杭州 310023)

提出并实现了软硬结合的新能源智能微网实验平台构建方案，包含风光发电系统、储能系统、监控与调度系统、综合自动化系统、计算机仿真系统和电动汽车等设备。探讨了基于该实验平台的科研应用功能和开放探索型教学改革方法。实践表明，该实验平台为科研和教学改革提供了较好的支撑条件，促成了多项国家级和省部级成果。所提设计方案和应用实践具有较强的推广性和示范性。

新兴特色; 新能源; 智能微网; 教学改革; 实验平台

0 引 言

为让电气类人才培养适应社会经济发展需求，以“新能源发电和智能电网”为特色发展方向，开展了我校电气工程及其自动化专业的浙江省“十二五”高校新兴特色专业建设工作[1]。提出了包含风能发电系统、光伏发电系统、储能系统、电力系统综合自动化系统、智能电网监控与调度系统、计算机电气仿真系统和电动汽车等负荷设备的新能源智能微网实验平台构建方案。

基于新能源智能微网实验平台，提出了电力系统自动化、继电保护、供配电技术、电力系统分析等多门课程的开放探索型实验教学改革方法。设立了一系列开放探索实验项目，利用多样化和现代化教学技术，并建立了基于校园网络的课程辅助教学系统，优化了教学模式和教学手段[2-4]。探讨了该实验平台为我校教师在新能源发电、智能电网和智能微网等研究、应用。为科研和教学工作提供了有力的实验支撑，促成了多项国家级和省部级成果。

1 实验平台构建方案

实验平台的构建思路是系统化的设计整体方案，然后优化和整合了现有的实验设备基础上，再扩建新内容新装置，最后构建成综合性强、功能全面、软硬结合的新能源智能微网实验平台，实验平台结构总图如图1所示。该构建方案充分利用了电气专业实验室的各种装置，以重中之重学科为依托，围绕新兴特色专业建设，扩建了新能源发电系统、计算机仿真系统、电网智能化装置、电动汽车和谐波分析仪等各种实验设备。该方案优化了实验资源，降低了建设成本， 为开放探索型教学改革的实施创造了良好条件，为教师创新团队科研工作提供了强力支撑。

图1 新能源智能微网实验平台结构总图

实验平台结构总图1中，微电网采用单母线主接线形式，电压等级400 V。1个进线回路通过PCC快速开关将微电网与市电相连，8个出线回路连接各大系统和各类负荷设备。监控系统由通信结构与各设备连接，用Modbus连接线简略标注在总图上。

构建成的新能源智能微网实验平台主要包含以下七大部分：

(1) 光伏发电系统。由64块195Wp(Wpeak)单晶A级板光伏组件、1台18 kW光伏并网逆变器、支架和线缆等附件组成，总容量为12.4 kWp。光伏组件分四路接入光伏逆变器直流侧，经过逆变成交流电，连接到微电网母线。

(2) 风能发电系统。包含3台600 W水平轴风力发电机和3台600 W垂直轴风力发电机。风力发电机阵列交替均匀布置，通过6只风机控制器将风机发出的交流电转换成直流电，连接到直流母线上，直流母线输入到免维护胶体蓄电池组，蓄电池组再经1台4 kW的风机逆变器连接到微电网母线。

(3) 储能系统。配置了胶体电池储能76.8 kWh，由192只单体200 Ah的管式胶体电池连接而成，电池串额定电压384 V，经过双向交直流整流逆变器(简称稳定控制器)连接到400 V微电网母线。稳定控制器允许直流电压DC300～800 V，所有电池单体安装在专设电池支架上，该电池储能系统还配置了电池巡检仪、监控模块、直流电流及温度变送器等，监控模块具有RS485通信端口和液晶显示屏，能对储能系统主要参数进行现场或远端监控和管理。

(4) 智能电网监控与调度系统。各类智能装置通过RS485接口或以太网连接到通讯管理机，由通信管理机转换Modbus协议后接入到后台服务器，实现通信、监控和调度。微电网计算机监控系统安装有PSCADA监控软件，对各电气回路、逆变器、保护装置和电力仪表等采集数据。采集信息存入实时数据库，所有数据量能够通过工作站上的人机界面，以图形、曲线、报警信息等方式直观显示，并具备在人机界面上进行遥控操作的功能。

(5) 电力系统综合自动化系统。包含7台WDT-IIIC型综合自动化试验台、8台DJZ-IIIC型电气控制及继电保护试验台和1台PS-7G型微机监控试验系统。包含异步电动机、同步发电机、微机保护装置、励磁调节装置、准同期装置、转速调节装置、电力系统稳定器PSS、继电保护装置、自动重合闸装置、电力联网组件和智能检测仪表。该系统综合性强，安全保护措施全面，能实现丰富多变的线路模型与并网功能。

(6) 计算机电气仿真系统。包含33台计算机微机系统和仿真软件。仿真软件有PSASP电力系统仿真软件，EMTP电磁暂态仿真软件、HDDZMS-II微机监控管理系统、MATLAB/SIMULINK电力系统建模与仿真、MCGS组态软件等，能进行各种电气仿真和调试。

(7) 各类负荷设备。有可变动态RLC负载2台，包含可调节的电阻、电容、电感、电动机等各类负载，可模拟自定义特性的综合负荷。还有电动汽车、电动自行车、大功率空调、手机充电桩、TK谐波分析仪、电子式互感器、调相机、变压器和无功补偿器等丰富多样的用电设备和实验装置。

该新能源智能微网实验平台综合了光伏发电、风力发电、储能设施、同步发电机发电等多种分布式能源，选用优质的军工级元器件，配备了完善的保护功能，能离网(孤岛)运行或并网运行。通过微电网智能化，实现对多种分布式可再生电源的利用和调控，以及微电网与配电网之间进行配合。构建的实验平台与国家电网智能化发展定位相匹配，具有信息化、自动化、智能化等特征，且具有可靠、稳定、自愈、灵活、经济、兼容、高效等优点。每年可再生能源平均发电量超过50 000 kWh，不只是节省了学校电费，且为低碳经济模式起到示范性作用。

2 教学改革

基于新能源智能微网实验平台，针对电力系统自动化、继电保护、供配电技术、电力系统分析等多门电气专业课程，开发设计了一系列的实验教学项目。列举其中一些开放探索性实验如表1所示。

表1 开放探索性实验项目表

改变传统教学模式，让处于被动状态的学生能量释放出来，自主探索，勇于创新。开放探索实验充分发挥了学生的主动性，有利于学生创新能力的培养[5-7]。开放探索性实验的设计方法是将教学内容融入到实验项目中，设计出多种开放探索实验。这些开放实验的学习目的明确，但限制条件较少，以项目形式交予学生小组来完成，教师提供必要的指导和安全防护[8-9]。学生团队合作或分工协同，查阅文献，制定计划，自主完成开放实验。在实验过程中，运用和掌握“电力系统自动化”课程专业知识、分析并解决实验中碰到的问题，既能锻炼实践能力，又能培养创新思维[10-12]。

新能源智能微网实验平台既能进行入门实验，也可以进行各类高级的电力系统大型设计教学实验，还可提供开放探索性实验项目和各类软件仿真实验平台，供学生进行自主设计、调试仿真和创新实验。从装置级到系统级为学生创新实践提供了全方位的软件、硬件条件，达到理论和实践紧密结合的目的，提高了学生的学习积极性和实践创新能力。还利用多样化和现代化教学技术，建立了基于校园网络的课程辅助教学系统，优化了教学模式和教学手段[13-15]。

实践表明，基于新能源智能微网实验平台的多门课程的开放探索型教学改革，使得理论和实践紧密结合，加强了科学前沿教育，取得了良好的教学效果。学生的主动性和实践创新能力得到了提高，培养出了一批优秀的创新人才。我校已有不少学生经过教师指导，在该实验平台基础上，取得了许多创新成果，如国家大学生科技创新项目“基于双PWM 变流控制的风力发电并网系统研究”、浙江省新苗计划项目“微网电能质量综合评估及智能诊断方法的研究”、浙江省大学生创新创业孵化项目“市电补偿式光伏发电系统”等许多优秀成果。

实验平台还为教学改革或专业建设项目提供了重要支撑，也提高了创新团队教师的教学水平。如浙江省新兴特色专业建设项目、浙江省国际化专业建设项目、浙江省财政厅专项电气专业能力实践基地建设项目和多项浙江工业大学教改专项项目等项目，和全国高校青年教师教学竞赛工科组二等奖、浙江省高校青年教师教学技能竞赛省级优秀奖等。

3 科研应用

“智能微网”创新团队所在信息学院属于浙江省“重中之重”立项学科，智能电网和新能源发电是其非常重要的一个研究方向。新能源智能微网实验平台，为教师创新团队顺利开展科研工作提供了重要保证。

创新团队在新能源智能微网实验平台进行了大量实验测试，加上各教师在电气领域积累的深厚基础，促成了众多国家级或省部级科研成果。创新团队主要成员先后主持了“适于分布式发电协调控制的WPM配电网通信技术”、“独立型微网系统优化配置研究”、“面向智能配电网的电能质量扰动源自动定位关键技术研究”等 6项国家自然科学基金项目，和“分布式在线电能质量监测仪的研制”、“含电动汽车并网的智能微电网关键技术研究” 、“模块化光伏并网发电系统关键技术的研究”等11项省级科研项目。创新团队主要成员申请了“一种配电网电能质量扰动源自动定位方法”、“适用于30 kVar三相共补无功补偿的智能控制投切装置”、“参与调频服务的电动汽车充电时序确定与服务车辆选择方法”等发明专利12项，在国内外重要期刊和国际会议上发表了与该实验平台相关的学术论文40多篇，研究工作得到了同行的认可。

新能源智能微网实验平台的构建，促进校企合作，协同创新。创新团队与浙江省电力试验研究院、温州电力设计有限公司等单位在“智能微网技术”研究上有良好的合作关系，可在其海岛微网示范基地进行相关实验测试，与本实验平台进行“对比”研究。还定期聘请多名国内外相关领域专家、学者前来讲学交流，开展关于“新能源发电”和“智能微网”的学术报告。

4 结 语

新能源发电和智能电网是我校电气专业的特色发展方向。本文提出了包含风光发电、储能系统、监控与调度、综合自动化、计算机仿真和电动汽车等设备的新能源智能微网实验平台构建方案。提出了电力系统自动化、继电保护等多门专业课程的开放探索型教改方法，通过设立开放探索实验项目，利用现代化教学技术，优化了教学模式。探讨了该实验平台为教师在科研上的应用，开展了许多关于智能电网、新能源发电、微电网技术和电动汽车的科学研究。

实践表明，该实验平台为科研和教学改革提供了良好的支撑条件，促成了十多项国家级或省部级科研成果，培育了一批优秀的创新人才，并提高了师资队伍的学术水平。所提设计方案和应用实践具有较强的推广性和示范性，对相关专业进行实验平台建设具有借鉴意义。

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Construction and Application of Experimental Platform of New Energy and Smart Micro Grid

HUANGFei-teng，WENGGuo-qing

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

This paper proposes and implements a experimental platform of construction scheme of new energy and smart micro grid, it includes wind and solar power systems, energy storage system, monitoring and dispatching systems, automation system, computer simulation system, electric vehicles, and other equipment. It discusses the scientific research and open exploratory teaching reform by using the experimental platform. Practice shows that this experiment platform provides supports for scientific research and teaching reform, contributes much to a number of national, provincial and ministerial projects. The proposed design scheme and application practice have strong popularization and demonstration.

emerging features; new energy; smart micro grid; teaching reform; experimental platform

2014-07-12

国家自然科学基金项目(51207139);浙江省教育厅科研项目(Y201431752);浙江工业大学2013年校级重点建设专业项目;浙江省新兴特色专业建设项目(080601);浙江工业大学教学方法改革专项项目(JGZ13O3)

黄飞腾 (1984-)，男，浙江温州人，硕士，实验师，主要研究方向：电力自动化、智能微网。

Tel.：13957167336； E-mail：hfate@zjut.edu.cn

TM 727

A

1006-7167(2015)03-0108-03