沉浸式硬件在环的微电网虚拟现实仿真实验平台

王宝华, 程 路

(南京理工大学 自动化学院, 江苏 南京 210014)

近年来,以光伏与风力发电为代表的可再生能源得到迅猛发展,为了更加全面合理地利用及管理分布式电源,微电网的概念就被提了出来[1-4]。概括起来,微电网由负荷和微源构成,通过电力电子接口实现灵活的供电。随着可再生能源发电的发展,微电网的研究、发展将成为必然,因此电气工程专业的实验教学也必须与之相适应。微电网采用就地发电就地使用的形式,包含了分布式电源(主要是光伏与风电)[5]、储能、本地负荷、以及与大电网接口的电力电子变压器[6]。其中分布式发电、储能、电力电子变压器均需要电力电子变换器作为接口完成电能交互。因此,微电网运行与控制是与“电力系统分析”“电力电子技术”“新能源发电”“电力系统继电保护”“电力系统自动化”等课程紧密结合的。

在微电网的各个环节中,电能变换、储能、直流输电、配电[7],都是以电力电子技术为基础,而随着电力电子技术与电力系统结合的愈发紧密,对于微电网的学习需要设置大量的实践锻炼以获得良好的教学效果。此外,通过加强理论与实践的结合,有助于培养学生的学习兴趣,提高其动手实践能力,提升学生的综合素质。

如果直接建设实物微电网系统进行实验教学,会有建设周期长、占地面积大、投入成本高等缺点,更为重要的是,电力系统电压等级高,将对人身安全产生严重威胁,因此实物建设不适用于教学。另外一个途径是采用纯软件仿真进行系统模拟,然而软件模拟也存在观察不直观、实践效果差等缺点。综合考虑以上因素,采用半实物虚拟现实的仿真方法[8-9],一方面通过沉浸式3D人机交互的形式,提供直观而真实的场景感受,并可以通过操作实现不同功能的模拟,比如孤岛供电[10]、新能源发电、功率控制等；另一方面,提供半实物测试平台,通过测试仪器可以测量各连接点处的电压、电流、功率、频率等信号,便于加深理解,并可以锻炼动手能力和增强科研创新能力。

1 实验平台的构建

1.1 微电网实验平台的构建

微电网实验平台[11-12]以当前可再生能源并网发电为出发点,结合混合储能、无功补偿、电力电子变压器、电压跌落补偿等技术,构成交直流混合微电网系统。如图1所示,微电网通过电力电子变压器(solid state transformer, SST)与10kV配电网相连,SST另一端通过固态开关接入微电网380V非敏感交流母线,此母线用于连接对电压质量要求不高的设备,如照明及家电等设备。此外,光伏组1通过Boost与DC/AC变换器接入非敏感母线,并为光伏组1配套蓄电池与超级电容混合储能,其通过各自的双向Buck/Boost与DC/AC变换器接入交流母线。其中,SVG模块用于补充系统无功功率,以提高并网功率因数。该系统几乎囊括了微电网的所有关键设备,即光伏发电[13]、风力发电[14]、储能、电能质量、统一电能质量调节器(unified power quality conditioner,UPQC)、以及固态开关。

图1 交直流混合微电网图

为了实现对微电网的整体有序控制,实验平台采用分层控制方式,如图2所示。上层为微网调度与控制系统,通过对微网内部各设备状态以及节点功率的监测,产生调度与控制指令并下发给各组设备,调整其工作状态以实现对微网运行的优化调节。该系统既可以灵活修改微电网的系统拓扑,也可以对不同的控制目标与要求改变控制系统的控制算法,并通过系统运行验证算法的有效性,因而具备极大的灵活性。

1.2 微电网子系统实验平台的构建

微电网主要由风力与光伏发电、电力电子变压器、UPQC等部分组成,本实验平台软件主要部分搭建如下：

(1) 风力与光伏发电系统。实验采用直驱型风力发电,包括风力机模型、机侧变流器与网侧变流器,光伏发电采用常用的两级式拓扑,即前级Boost变换器进行最大功率跟踪,后级DC/AC并网逆变。

(2) 电力电子变压器。电力电子变压器的突出特点在于将潮流控制、无功补偿、故障电流限制和交直流混合输出等多种功能于一体,通过引入电力电子换流器对一次侧和二次侧的电压幅值和相位的实时控制,实现变压器一次侧、二次侧电压、电流和功率的灵活调节。

(3) UPQC。UPQC包括并联补偿与串联补偿两部分,可以实现对电流与电压质量的统一调节。并联补偿用于对电网谐波与无功电流的补偿,并为串联提供稳定的直流电压,串联补偿经过LC滤波器控制输出补偿电压,并通过耦合变压器注入电网,从而补偿负荷端的电压质量。

(4) 储能充放电系统。实验采用混合储能充放电系统,其中蓄电池构成能量型储能,而超级电容构成功率型储能,并且两者直流侧均通过多组并联实现大容量储能。

图2 微电网运行与控制图

1.3 虚拟现实技术在微电网实验平台的应用

本实验平台采用沉浸式硬件在环的微电网虚拟仿真操作,如图3所示。通过上位机3D人机交互界面进行场景模拟,以实现不同微电网应用场景的模拟,比如海岛、工业园区等,从而提供身临其境的环境与感受。通过3D人机界面,可以调节微电网的内部设备的运行状态,比如天气、电池容量、负荷大小等参数。

此外,还可以修改微电网的调度与控制系统,以实现不同的控制目标。上位机将设置好的微电网参数,下发给半实物虚拟仿真器,虚拟仿真器接收控制信号,实施仿真出电路的响应并输出给控制机箱构成仿真系统的闭环,通过3D人机交互界面可以直观的观察电网的运行状态,同时可以实现对实际系统的控制。

图3 沉浸式硬件在环的微电网虚拟现实仿真系统图

1.4 实验平台构建

归纳起来,本实验平台原理如图4所示,首先是微电网拓扑的确定,包括拓扑结构以及调度控制策略两部分,其中拓扑结构为含风光储的交直流混合微电网,并含有电能质量调节与质量装置,而调度控制策略为分层控制,并可以根据需求与控制目标更改。其次是半实物虚拟仿真的实现,包括场景模拟与输出结果反馈,其中场景模拟用于模拟不同的应用,而输出结果反馈可以通过3D人机交互界面,也可以提供信号测试供示波器输入。最后是远程虚拟仿真教学与实验,利用网络远程控制实时仿真设备完成相关实验。

图4 实验平台构建原理图

2 实验平台操作

2.1 电力电子变压器实验

微电网实验平台既可以进行部分功能实验,也可以进行整体的控制实验。比如电力电子变压器在微电网中广泛使用,并且具有故障隔离功能,即当电网输入端发生故障时,电力电子变压器的输出仍保持稳定状态,可在平台对其隔离功能进行实验。当变压器输入侧电网发生跌落故障时,输入电流跟随增大,但输出电压保持恒定。假设电网电压跌落到60%,可通过该实验观察输出电压,验证其是否保持稳定。电网电压在跌落的同时伴随频率变化,要求电力电子变压器的输出仍然能保持指令电压输出,假设电网电压跌落到50%,同时伴随着电网频率从50 Hz减小到40 Hz,可观察变压器输出变化。

2.2 统一电能质量调节器实验

当微电网敏感母线端由于发生短路故障、单相不平衡负载比例较大等原因而产生电压跌落时,UPQC串联侧变流器将通过耦合变压器注入补偿电压,维持负载侧电压稳定,为敏感负荷提供高质量供电。实验平台可以模拟电网电压跌落,包括单相跌落、两相跌落、三相跌落,并设置不同的跌落深度,观察网侧电压、UPQC补偿电压、负载电压的关系,考查电压补偿速度与精度。如实验设置a相电压跌落50%时,可观察负载侧电压是否保持稳定。

2.3 储能充放电实验

微电网一般工作在并网模式下,但是当大电网出现故障的情况下,微电网运行于孤岛模式,此时系统失去了大电网电压支撑能力,微电网内部的储能设备必须提供不间断供电功能,即取代大电网为系统提供电压支撑。当微网由并网模式转换为孤岛模式的瞬间,由储能代替大电网发挥电压支撑作用,在切换瞬间,功率缺额由储能提供,通过并网前对作为主电源的混合储能进行预同步控制,将微电网的电压和相角调整到与大电网基本一致,从而有效减少由孤岛向并网运行切换时的冲击和振荡。

上述微电网实验是通过软件进行相关算法的编程,利用该系统验证算法的有效性,并利用示波器采集算法结果。然后利用半实物虚拟仿真来提高实验场景的真实性,包括场景模拟与输出结果反馈,其中场景模拟用于模拟不同的应用,而输出结果反馈可以通过3D人机交互界面,也可以提供信号测试供示波器输入。最后是远程虚拟仿真教学与实验,利用网络远程控制实时仿真设备完成相关实验。

2.4 实验结果

(1) 电力电子变压器实验。设置电网电压跌落到60%时,三相电流电压如图5所示；设置电网电压跌落50%、频率为40 Hz时,三相电流电压如图6所示。

图5 电网电压跌落到60%时，三相电流电压图

图6 电网电压跌落50%、频率为40 Hz时，三相电流电压图

相应的实验结论为：无论是电网电压的波动及跌落,还是频率的大幅度变化,电力电子变压器输出端电压都能保持稳定,验证了其具有良好的故障隔离功能。

(2) 统一电能质量调节器实验。设置a相电压跌落50%,UPQC补偿效果如图7所示。

图7 电压跌落补偿效果图

相应的实验结论为：电压跌落补偿响应时间约5 ms,能够实现对单相电压跌落、两相电压跌落以及三相平衡与不平衡跌落的同时补偿,并可以补偿不同的电压跌落深度,补偿后负载电压精度98%以上,响应时间小于10 ms,验证了UPQC能够快速而精确地补偿负载电压。

(3) 储能充放电实验。当微网由并网模式转换为孤岛模式,其切换过程的电网电压变化如图8所示。

图8 并离网模式切换时，电网电压图

相应的实验结论为：在模式切换瞬间,电网电压存在大约3～5个周波的振荡,这主要是在切换瞬间,储能有P/Q控制转换为V/f控制,功率缺额的调整将存在调节时间,在此期间微网电压存在振荡与冲击。当微网进行并离网切换的过程中,通过储能装置填补PCC点的有功与无功缺额,并且发挥电压支撑功能,过渡时间大约为3～5个电网周波,此后微电网进入稳态。

上述实验验证了本平台可以进行各种微电网实验,不仅能准确地显示实验结果,又能提供真实的直观感受,学生在锻炼动手能力的同时加深了对微电网相关知识的理解。

3 科研平台

由于微电网实验平台结合了诸如UPQC与SST等前沿技术,因此该实验平台可以为电气工程与智能电网专业的科研任务提供平台基础。

在实验平台经过大量实验测试的基础上,该平台推进了一批科研项目的顺利进行。在微电网实验平台开展了有国家自然科学基金项目多端口模块化直流固态变压器集成优化及功率协调控制研究,也有江苏省自然科学基金光伏并网逆变器的寿命监测及延长关键技术研究省部级项目。同时,该实验平台在校企合作方面也发挥了重要作用,诸如太阳能光伏并网发电系统与技术、Boost-Full Bridge单相光伏并网逆变器研究等横向项目利用微电网实验平台进行了科学验证。该实验平台依托江苏省重点建设品牌专业—电气工程,为越来越多的科研项目提供科研支持。

4 结语

微电网结合了配电、储能、电力电子等技术,综合了电气领域的几项主要技术。因此,采用虚拟现实技术建设的微电网实验平台可以融合电力系统和电力电子等多门课程,不仅有助于学生对课程的学习理解,也能够培养学生的动手实践能力。除此之外,微电网实验平台还可以对科学研究提供帮助。因此,本实验平台适应了微电网发展的要求,满足了实验教学与信息技术深度融合的需求,可以提高实验教学效果,对电气工程及自动化、智能电网等专业科研训练的建设发挥了重要作用。