微电网实验教学平台研制

张继红， 齐　晔， 杨培宏， 吴振奎， 梁　浩

(内蒙古科技大学 信息工程学院， 内蒙古 包头 014010)



微电网实验教学平台研制

张继红， 齐晔， 杨培宏， 吴振奎， 梁浩

(内蒙古科技大学 信息工程学院， 内蒙古 包头 014010)

摘要：本文提出了一种微电网实验教学平台建设方案，研究了典型微电源控制系统工作原理，提出了微电源控制策略，计算了容量配比并给出了系统硬件电路模型。基于该平台学生可自行设计验证性实验和综合性实验，同时可以对微电网的稳定运行控制策略进行在线模拟和仿真，达到了预期教学效果。

关键词：微电网；实验教学；硬件电路

0引言

微电网指的是由分布式电源、储能、变换器以及负荷构成的一个小型发配电系统，并能实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可并网运行,也可孤岛发电，供能方式包括冷、热、电三种[1-3]。相对于传统电网，微电网规模很小，对其研究不仅可借助等样缩比微电网实验系统进行在线测试之外，也可采用大型商业化软件PSCAD/EMTEC进行离线仿真模拟，研究的主要意义在于：

(1)通过实验与仿真对比，可以优化仿真模型与参数，为微电网的下一步研究提供理论依据。

(2)通过微电网实验可以尽早发现实际运行系统可能存在的问题，同时也为深入开展微电网理论研究提供实践指导。

1教学平台的构成

微电网实验平台设计方案如图1所示。10 kV大电网经由隔离变压器降为0.4 kV，再由静态开关连接于微电网。系统内部微电源包括风力发电机、光伏电池；而储能单元包括超级电容和锂电池；负荷分为敏感与非敏感两类，在大电网故障或有其它紧急情况时仍应保证敏感负荷的不间断供电。

实验平台设备及容量分析：风力发电机选用目前市场主流的变速恒频双馈型电机，功率PWT=20 kW；光伏系统采用单晶硅双轴跟踪太阳能电池组件，功率PPV=30 kW；超级电容选用DC-6K型设备，容量为10 kW*20 S；储能电池选用磷酸铁锂电池，容量为WBS=15 kWh；母线电压为380 V。 当大电网发生故障或有不正常运行情况出现时，则静态开关打开，微电网运行于孤岛状态，此时能够保证重要负荷供电的连续性；通常情况下，微电网运行于联网状态。

图1　 微电网实验平台

2实验内容设置

2.1验证性实验

1)光伏发电

单组件光伏电池输出电压和电流非常有限，因此需要将若干光伏电池进行串、并联构成光伏阵列，这样可以获得较大的功率和适于变换的电压。本实验可以让学生测试不同的光辐照度、环境温度对光伏阵列输出电压、电流及功率的影响关系。通过调整负载与双轴跟踪等方法验证最大功率跟踪情况，还可以验证光照强度与发电功率以及温度与发电功率的关系，计算光伏阵列发电效率。

2)风力发电

风力发电系统采用国际主流的双馈型机组。其特点是装机容量大、发电效率高。实验平台中采用该机组作为研究对象具有较强的现实意义。发电机定子绕组直接与电网相连，变流器接到发电机转子绕组与电网之间，其优点是变流器仅控制转差功率，容量较小，几乎不到发电机容量的1/3，有利于降低变流器研制成本。实验平台上可以开展测试风能利用效率、电压、频率恒定控制策略等相关实验。实验中风轮转速可采用变频器拖动异步电机进行模拟，通过改变给定频率，即可得到不同的发电机转速,从而得到不同风速对发电机输出功率的影响。也可设计一些过负荷、过转速、偏航、解缆、并网和解列等故障发生时的系统保护方法。

3)储能系统

两类储能设备兼顾了功率密度和能量密度对微电网供能的特殊需求。由于微电网内部分布式发电受环境影响较大，发电具有一定的间歇性和不可预测性，而储能设备的配置在很大程度上补偿了环境因素和模式多变对发电的影响。

2.2控制策略实验

目前，微电网系统内部多以逆变型电源为主，因此本实验平台还可研究微电源的控制策略，主要包括恒功率(PQ)控制、恒电压恒频率(V/f)与下垂(Droop)控制策略三类[1]。

(1) 恒功率控制—分布式电源接口逆变器采用恒定功率控制模式时，要求分布式电源输出的有功及无功功率等于其给定功率。但该方法不能单独使用，必须有维持电压和频率的其它分布式电源(或电网)作为支撑，常用于并网模式时对太阳能和风能的发电控制，本实验可以测试闭环控制系统的稳定性，给定功率与实际输出功率的对应关系。

(2) 恒压/恒频控制—恒压/恒频控制思想为分布式电源输出有功功率与无功功率可变，而电源端电压幅值与频率则保持不变。这类控制方法一般用于微电网主从控制策略中对主电源的控制。例如本实验平台中的储能设备，它既可用于并网模式又可用于孤岛模式。

(3)下垂控制—借助分布式电源输出有功功率与频率以及无功功率与电压两对参数呈线性关系而进行的控制方法。特点是无需分布式电源间通信就可实施控制，并具有功率、电压、频率同时调节功能，一般适用于即插即用的微电网逆变电源控制。

2.3仿真实验

仿真实验是微电网研究的重要手段。对于研究微电网运行机理、控制与保护等问题提供了必要的工具和强有力技术支撑。由于微电网内部电源输出特性差异较大，加上微电网的运行模式多样，因而整个微电网对外呈现出一个非常复杂的非线性系统。而仿真技术可以将各类设备的电磁暂态过程、机电暂态过程以及稳态运行等实时仿真，既节约了成本，又提高了效率，对于学生理解微电网的运行特征发挥了重要作用。

2.4自行设计组合实验

在各微电源输出功率允许的前提下，学生可以自行设计控制策略、改变微电源运行条件等进行组合实验，以此测试系统功率输出、电压及频率的波动影响，主要内容包括两类工作模式和四类运行条件，如图2所示。两类工作模式为：①联网工作模式：光伏、风机类电源可以采用PQ控制策略，目的为尽可能地发挥可再生能源发电效率，而储能设备可以采用V/f控制策略，大电网正常时，储能设备不参与功率调节，而当电压波动时， 则会发挥辅助调节作用；②孤岛工作模式：光伏、风机类电源可以采用下垂控制策略，而储能设备可以采用V/f控制策略，此时储能系统可以为网内公共点电压频率提供参考。测试系统有/无功功率、公共点电压及频率变化等。

3教学效果

分布式发电及微电网技术方面的研究工作在国内尚属起步阶段，为积极响应国家节能减排目标，我校开设了可再生能源发电课程及建立了实验教学平台。该实验教学平台投运两年来，我院电气专业本科生受益人数约100多人，本专业及相关专业研究生受益人数约20人。开出的验证性实验有5种、设计性实验3种以及综合性实验3种，总课时约20。为在校学生系统地掌握分布式发电机理与微电网的构成、综合控制策略奠定了实践基础。达到了预期教学效果。

图2　组合实验的分类

4结语

本文介绍的实验教学平台，其特色表现在平台上针对绿色可再生能源发电的新技术、新理论而设置了相关实验。目的是让学生在实验中巩固分布式发电原理及多电源间的协调控制策略，引导学生进一步了解微电网控制的最新知识，通过学生的实际动手测试，培养了学生对新型发电方式的认知和感受，拓宽他们的思维，也为国内大规模开发利用可再生能源培养了专业人才。

参考文献：

[1]王成山.微电网分析与仿真理论[M].北京:科学出版社3013

[2]李瑞生. 微电网关键技术实践及实验[J]. 许昌：电力系统保护与控制,2013, 41(2): 73-78

[3]N. Eghtedarpour, E. Farjah.Control strategy for distributed integration of photovoltaic and energy storage systems in DC micro-grids[J]Renewable Energy,2012,45(1):96-110

The Platform Development of Micro Grid Experiment Teaching

ZHANG Ji-hong, QI Ye, YANG Pei-hong, WU Zhen-kui, LIANG Hao

(InformationEngineeringSchool，USTInnerMongolia，Baotou014010China)

Abstract:This paper put forward a construction scheme of micro grid experimental teaching platform and studys the principle of the typical micro power control system and designes the micro power control strategy & the calculation of the capacity ratio in order to expand the knowledge of electrical specialty and strengthen the practice of renewable energy generation in colleges and universities. Based on the platform, the students can design verification experiments and comprehensive experiments, also can simulate and emulate the micro grid stable operation control strategy online. It achieved the expected teaching effect.

Keywords:micro grid; experimental teaching; hardware circuit

文献标识码：A

文章编号：1008-0686(2016)01-0129-03

中图分类号：G642

收稿日期:2015-04-14;修回日期:2015-08- 07基金项目：内蒙古教育厅科技计划项目(NJZY14170)，内蒙古自然科学基金项目(2014MS0527)

第一作者：张继红(1975-)，男，硕士，副教授，主要从事可再生能源发电的教学与研究工作，E-mail：zjh00318@163.com