小型风/光/储微电网实验平台

宋关羽，袁 浩，王智颖，李 鹏，许兆峰，李 辉

（1.智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津 300072；2.清华大学 动力工程及工程热物理国家级实验教学示范中心，北京 100084）

微电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，既可以与外部电网并网运行，也可以孤岛运行[1-3]。作为实现分布式电源接入与管理的最有效平台，微电网在提高配电层面可再生能源消纳能力，提升配电系统运行可靠性、安全性、经济性等方面均发挥着重要作用，具有巨大的社会与经济意义，近年来在国内外相关领域掀起了研究和建设热潮[4-7]。

在微电网领域，多所高校均开设了相关课程，如新能源与智能电网、分布式发电与微电网等。风/光/储微电网实验平台的建设将对相关课程形成良好支撑，有助于学生接触前沿技术，了解国内外先进技术发展方向，初步掌握微电网系统设计方法、组成结构及运行方式，从而加深对课堂所学知识的理解与认知[8-10]。同时，在微电网平台设计与实现过程中，学生将综合运用本科阶段所学知识，全面提升实践操作能力，从而进一步提高综合素质[11-13]。

1 实验平台设计

1.1 模拟风力发电系统设计

本实验平台采用永磁同步电动机模拟原动机带动发电机运行，如图1 所示。通过调节变频器的设置频率改变转矩，使同步电动机可以运行在不同的转速下。当风机的运行频率与电网的频率相近时，可以调节发电机的励磁，使其发出的电压与电网电压幅值相近，之后若相序正确，则可以利用同期表手动并网，使风机发出的电供给电网侧。调节电动机的频率来改变转矩，可以调节输入电网的有功功率；改变发电机的励磁，可以调节输入电网的无功功率。

图1 模拟风力发电系统结构图

本实验平台采用FR-E700 系列通用变频器，选取先进磁通矢量控制方法和外部运行模式控制交流电动机，实现电压补偿，使电机电流与负载转矩相匹配，从而提高低速转矩；同时实现频率补偿，使电机实际转速与速度指令值接近，维持交流电动机在负载变动较为剧烈的情况下稳定运行。变频器的控制指令由可编程控制器（programmable logic controller，PLC）给出，通过连续调节频率，模拟不同风速条件下风机的运行状态。

1.2 光储系统设计

本实验平台采用的光储系统由光伏电池板、光伏控制器和蓄电池构成。实际太阳光由LED 灯光进行模拟，光源可在导轨上移动。光源和光伏电池板分别由一个伺服电机拖动，改变各自的位置。

本实验平台的伺服电机是MELSERVO-J3 系列电机（以下简称MR-J3）。MR-J3 支持位置控制、速度控制、转矩控制、位置/速度切换控制、位置/转矩切换控制等多种控制模式。借助USB 和RS-422 串行接口，可实现计算机对伺服放大器参数的设定、试运行、状态监控和增益调整等。MR-J3 系列伺服电机采用了分辨率为262 144 脉冲/转的绝对位置编码器，可进行高精度控制。本系统采用MR-J3 速度控制，通过外部模拟速度指令或参数设置的内部速度指令，可以对伺服电机的速度和方向进行高精度平稳控制。

光源和光伏电池板的定位采用三菱 PLC 中的QD75 定位模块，具体接线如图2 所示。QD75 可以支持任何定位系统所需的各种定位控制，如定义任意位置、固定位置控制等。

图2 光伏跟踪系统接线图

光源选择QD75 专用指令完成原点回归，依据所设置的控制参数和定位数据，输出指定频率脉冲至伺服控制装置。光源移动按照运动控制CPU 指令进行；光伏电池板依据光照传感器信号进行光照跟踪转动，以获得最佳的照射角度，从而提高光伏出力。光伏电池板的随动过程同样采用QD75 型定位模块，并借助A/D 转换模块，对光照信号采集和处理转换，通过一系列运算形成输出脉冲，给入伺服放大器。光源的移动必然会使得光照传感器在一段较短时间接收到的信号出现差别，系统对信号差值进行放大，以脉冲输出的形式给入伺服放大器，从而驱动光伏电池板实现光源跟踪。

1.3 数据采集系统设计

本实验平台数据借助EMM800B 型数字式功率表采集联络线、模拟风力发电系统、光储系统的电气信息，包括有功/无功功率、相/线电压、相/线电流、功率因数、谐波分量等，并借助QJ71C24N 模块与人机界面通信，该模块通过RS485 总线将所需数据读取至PLC 中，同时在人机界面中实时显示。

1.4 平台架构设计

本实验平台的运行过程主要分为外界指令输入、光伏跟踪、模拟风机并网、实时状态显示四个部分，平台结构示意图如图3 所示。系统与外部的交互通过人机界面与PLC 之间的通信进行。在人机界面中设计登录过程，通过设置管理员、操作员权限对人机界面的不同功能进行加密，方便管理人员、操作人员使用和技术人员维护[14-16]。

图3 微电网平台结构示意图

微电网平台所选取的设备型号及容量参数如表1所示，实物见图4。

表1 系统设备参数

图4 微电网系统实物图

针对风力发电系统，设置变频器频率输入、正反转以及急停按钮，实现操作人员对于交流电动机的启停及转速控制。操作人员还可以使用多功能功率表对风机运行状态进行实时检测。在人机界面手动输入不同频率值，可完成对模拟风机的不同转速控制。

针对光伏跟踪系统，利用对应开关量触发连接机器PLC 中的电机起动和停止信号，设置电机起动和停止按钮。同时可通过触摸屏控制光源的不同运行速度，使得操作人员可以通过人机界面完成对电机基本参数的设置。

此外，在触摸屏上设置运行状态界面，完成对系统PLC 的控制状态、电机转动参数、系统运行参数的同步监视。当系统运行达到预计天数时，人机界面会显示报警，方便操作人员进行检修。利用光照传感器测量光照信号，再通过A/D 转换模块和CPU 处理采集回来的信号，实现对于光源位置及运动信息的测量。

2 实验设计

2.1 模拟风力发电系统并网实验

本实验平台采用准确同步法实现模拟风力发电系统并网。准确同步法是将发电机调整到完全符合并网条件后进行合闸并网操作，并采用同期表来判断条件的满足情况，具体步骤如下：

（1）将要投入并联运行的发电机拖动到接近同步转速，利用相序表测量相序，并作出相应调整，保证二者相序一致；

（2）投入励磁并调节至机端电压与电网电压相等，投入同期表，观测S 指针顺时针旋转；

（3）当指针指向12 点方向时，迅速按下并网开关，交流接触器主触点吸合，完成并网操作。

并网时，为了避免发生电磁冲击和机械冲击，要求发电机侧各相电压的瞬时值与电网侧对应相电压的瞬时值完全一致，包括波形、频率、幅值、相位和相序等。若波形不同，例如一个是正弦波，另一个是非正弦波，则并联后会产生一系列高次谐波环流，从而增加损耗和温升，降低效率；若频率不等，则会产生差频电流，在发电机内部引起功率振荡；若幅值或相位不等，则会在电机与电网间产生环流，特别是若在极性相反时合闸，会产生巨大冲击电流，从而产生巨大电磁力，损坏定子绕组端部，甚至损坏转轴；若相序不同，合闸也是绝对不允许的，例如只A 相符合，则B、C 两相之间的巨大电位差会产生巨大环流和机械冲击，严重危害电机安全。波形和相序分别由电机的设计制造和安装接线予以保证，因此并网时保证频率、幅值、相位满足条件即可。

2.2 光伏跟踪系统实验

光伏跟踪系统实验主要是为考查学生对光照信号的处理以及光伏跟踪控制方式的掌握情况而设计的。采集的光照模拟信号在传输以及A/D 转换的过程中，会受到外部环境的干扰，从而产生高频噪声、漂移等信号失真问题，采用软件数字滤波可以有效地提高采样信号的信噪比，从而提高采样信号的可靠性和实时仿真的准确性，同时还具有速度快、精度高、成本低等优点。本实验平台采用有限冲激响应数字滤波法，同时也支持学生开展多种滤波算法的测试与实践。光伏跟踪控制主要依据光源位置和光照强度变化共同判断，学生可根据实验情况灵活设计判别逻辑，实现光伏系统跟踪。

3 教学特色与成果

3.1 教学特色

风/光/储微电网实验平台主要用于高年级本科生了解微电网结构及组成，掌握微电网并网运行方式，增强对微电网系统的直观认知。实验内容依托“分布式能源与微电网”创新课，仪器设备常年开放，可供本科生灵活选择时间进入实验室开展相关实验。同时依托智能电网教育部重点实验室，可使学生进一步了解真实光伏、风电系统的运行状况，从而提高实践能力。

3.2 教学成果

实验平台已用于多门本科生课程的认识、实践环节，并为部分研究生提供科研服务，提高了不同层次学生的动手能力和实验开发水平，其真实、具体、形象的特点得到师生欢迎。

4 结语

风/光/储微电网实验平台集成了风、光等分布式电源及储能系统，设计并实现了模拟风力发电并网实验和光伏跟踪实验，综合考虑了分布式发电、微电网方向多门核心课程的实验内容，充分发掘了现有实验资源，增强了学生的动手实践能力，提升了学生对设计、实施实验的兴趣。实验平台与理论教学相辅相成，有利于建设综合性、研究型、开放式的专业教学体系，切实增强学生的实践能力和综合素质，为培养综合型的“卓越电气工程师”打下良好的基础。