微電網(wǎng)實驗平臺的設(shè)計

1、第33卷第1期合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)（自然科學(xué)版）Vol . 33 No . 1報2010 年 1 月J OU RNAL O F II EFEI UN IV ERSIT Y O F TEC IINOLO GYJ an. 2010微電網(wǎng)實驗平臺的設(shè)計楊為，丁 明，畢銳，高研，丁 銀(合肥工業(yè)大學(xué)光伏系統(tǒng)教育部工程研究中心，安徽合肥 230009)、摘 要：為了適應(yīng)現(xiàn)狀，彌補(bǔ)大規(guī)模集中發(fā)電輸電的不足，近年來興起的分布式能源發(fā)電系統(tǒng)及微電網(wǎng)越來 越受到各國學(xué)者及工程界的重視。文章在深入研究微電網(wǎng)概念及國外現(xiàn)已出現(xiàn)的基本框架的基礎(chǔ)上，結(jié)合我 國電力系統(tǒng)實際情況與國家的可持續(xù)發(fā)展能源目標(biāo)，率先搭建了國內(nèi)微電網(wǎng)系

2、統(tǒng)實驗平臺，為微電網(wǎng)相關(guān)理 論的研究和微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化打下了堅實的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；分布式能源發(fā)電；基本框架；實驗平臺中圖分類號 :TM61 ; TM727 ; TM732文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AExperiment platform design of a microgridYAN G Wei , DIN G Ming , B I Rui , GAO Yan , D IN G Yin(Photovoltaic System Research Center of t he Minist ry of Education , Hefei Universit y of Technology , Hefei 2

3、30009 , China)t ralized generatio n and t ransmissio n , t he rise of dist ributed energy generatio n systems and microgridshas gained more and more at tentio n f ro m scholar s and engineering circles all over t he world in recentAbstractemerging abroad heoreticsystemsMicrogirdsustainable Experimen

4、tup microgridsetmingsbasedlargerameworks sKey words :micro gird ; dist ributed energy generatio n ; basic f ramework ; experiment platform負(fù)荷持續(xù)增長，能源需求不斷增加，同時電力 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷老化、環(huán)保問題、能源利用效率瓶 頸以及用戶對電能質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求，已成為世 界各國電力工業(yè)所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。所以，開發(fā) 利用可再生能源、構(gòu)建可持續(xù)能源系統(tǒng)成為各國 的共識與必然的發(fā)展趨勢。20世紀(jì)90年代末期 出現(xiàn)的分布式發(fā)電以其污染小、可靠性高、能量利 用效率高以及

5、安裝地點靈活等多方面優(yōu)點，越來 越受到重視，尤其是光伏和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)近年來 得到了快速的發(fā)展 1 - 3 。但由于分布式電源的不 可控制及隨機(jī)波動性:隨著滲透率的提高增加了 統(tǒng)發(fā)生故障時，分布式電源必須馬上退出運行 4 。 這使得分布式電源的效益沒能得到充分發(fā)揮?；诖朔N情況，近年來有學(xué)者提出了一種新 的分布式能源組織方式和結(jié)構(gòu)一一grid)。它是一種新型能源網(wǎng)絡(luò)化供應(yīng)與管理技 術(shù)，能夠便利可再生能源系統(tǒng)的接入、實現(xiàn)需求側(cè) 管理以及現(xiàn)有能源的最大化利用。國際上對微網(wǎng) 的定義不盡相同，但各種方案均認(rèn)為：微網(wǎng)是由各 種分布式電源、儲能單元、負(fù)荷以及控制保護(hù)系統(tǒng) 組成的集合，通過相關(guān)控制裝置間的協(xié)調(diào)

6、配合，可 以同時向用戶提供電能和熱能；具有靈活的運行對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的負(fù)面影響。故而正方式和可調(diào)度性能，即能在并網(wǎng)運行和孤島自主 P1547對分布式電源的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)電力系 運行2種模式間實現(xiàn)無縫切換；根據(jù)實際情況，系基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究專項經(jīng)費資助項目(2009CB219700);國家863高技術(shù)資助項10032506020124)0012國3家自然科學(xué)基金 資助項目(50837001)作者簡介：楊 為(1985 -)，男，江蘇南京人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；丁 明(1956 -)，男，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師統(tǒng)容量一般為數(shù)千瓦至數(shù)兆瓦；通常接在中壓或 低壓配電網(wǎng)絡(luò)中。

7、本文所設(shè)計的微電網(wǎng)系統(tǒng)實驗平臺，主要包 括：太陽能發(fā)電系統(tǒng) 風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng) 燃料電池發(fā) 電系統(tǒng)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)輕型直流輸電系 統(tǒng)和儲能系統(tǒng)等各子系統(tǒng)及整流器逆變器和硬 件通訊網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)設(shè)備。對于微電網(wǎng)的控制與運 行也提出了相應(yīng)的架構(gòu)，為微電網(wǎng)相關(guān)理論的研 究和微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化打下了堅實的基礎(chǔ)。1微電網(wǎng)的基本概念和框架概念微電網(wǎng)有 microgrid、minigrid 和 smart grid 等多種稱法，它是近年來出現(xiàn)的一種新型能源網(wǎng) 絡(luò)化供應(yīng)與管理技術(shù)，能夠便利可再生能源系統(tǒng) 和清潔能源系統(tǒng)的接入實現(xiàn)需求側(cè)管理以及現(xiàn) 、有能源的最大化利用。微電網(wǎng)將發(fā)電子系統(tǒng)、儲 能系統(tǒng)及負(fù)荷相結(jié)合，通過相關(guān)控

8、制裝置間的配 合，可以同時向用戶提供電能和熱能，并能夠適時 有效地支撐大電網(wǎng)，起到消峰填谷的作用。所以微電網(wǎng)概念一經(jīng)提出，就引起世界能源 專家和電力工業(yè)界的廣泛重視，世界很多國家都 加強(qiáng)了相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)研究的力度，對微電網(wǎng)的認(rèn) 識隨著研究的進(jìn)行在不斷地具體化深入化和系 、統(tǒng)化。而微電網(wǎng)對于解決我國現(xiàn)有大電網(wǎng)運行中 凸顯的問題，以及能源危機(jī)等相關(guān)問題，無疑是提 供了一個好的解決途徑?；究蚣苣壳?，一些發(fā)達(dá)國家立足于本國電力系統(tǒng)的 實際問題與國家的可持續(xù)發(fā)展能源目標(biāo)，提出了 各自的微電網(wǎng)概念和發(fā)展目標(biāo)。美國。美國CER TS最早提出了微電網(wǎng) 的概念，主要由基于電力電子技術(shù)且容量小于等 于500 kW

9、的小型微電源與負(fù)荷構(gòu)成，并引入了 基于電力電子技術(shù)的控制方法，基于此形成了“即 插即用pug and play)和“對等”peer to peer) 的控制思想和設(shè)計理念。提高重要負(fù)荷的供電可 靠性、滿足用戶定制的多種電能質(zhì)量需求降低成 本、實現(xiàn)智能化將是發(fā)展重點。文獻(xiàn)5 中指出 Navigant Co nsulting在為美國能源署提交的微 電網(wǎng)研究評估報告中，根據(jù)應(yīng)用場合的不同提出 了微電網(wǎng)的4種體系結(jié)構(gòu)： 單個設(shè)施級微電 網(wǎng)，是指所帶負(fù)荷量小于2 M W，應(yīng)用于小型工業(yè) 或商業(yè)建筑大的居民樓以及醫(yī)院等單幢建筑物、處的網(wǎng)絡(luò)。多個設(shè)施級微電網(wǎng)，是指所帶負(fù)荷 量在25 M W之間，應(yīng)用于包含多

10、種建筑物多 樣負(fù)荷類型處的網(wǎng)絡(luò)。如應(yīng)用于包含醫(yī)學(xué)、文、 市政等不同學(xué)科的校園中軍事基地、工業(yè)和商業(yè) 綜合區(qū)以及居民區(qū)等地方/場合。饋線級。饋 線級微電網(wǎng)，容量在510 M W之內(nèi)，它管理一 條配電網(wǎng)母線內(nèi)所有發(fā)電和/或負(fù)荷單元的運行 情況。這種類型的微電網(wǎng)可能由多個包含單一或 多樣化設(shè)備單元的較小型的微電網(wǎng)組合而成。此 類型的微電網(wǎng)將適用于公共設(shè)施政府機(jī)構(gòu)及監(jiān) 獄等場合。變電站級。變電站級微電網(wǎng)，容量 可能在510 M W ,管理連接到配電網(wǎng)變電站的 所有發(fā)電和/或負(fù)荷單元的運行情況。這種類型 的微電網(wǎng)可能包括一些變電站內(nèi)的發(fā)電單元，以 及一些饋線級和設(shè)備級的分布式發(fā)電和微電網(wǎng)。歐盟。從電力市

11、場需求電能安全供給 以及環(huán)保等角度出發(fā)，歐盟于2005年提出“smart grid，計劃，并在2006年出臺了該計劃的技術(shù) 實現(xiàn)方略；。微電網(wǎng)以其智能性能量利用多元 化等特點將成為歐洲未來電網(wǎng)的重要組成部分。日本。日本立足于國內(nèi)能源日益緊缺、 負(fù)荷日益增長的現(xiàn)實背景，也開展了微電網(wǎng)研究， 其發(fā)展目標(biāo)主要定位于能源供給多樣化 減少污 染及滿足用戶的個性化電力需求。對于微電網(wǎng)的 定義，三菱公司將其從規(guī)模上分為3類，見表1 所列。表1日本三菱公司對微電網(wǎng)的分類發(fā)電容量類型燃 料 應(yīng)用場合市場規(guī)模/個/ MW大規(guī)模1 000 石油或煤 工業(yè)區(qū)1020石油或煤、中規(guī)模100可再生能源工業(yè)園100小型區(qū)域

12、電網(wǎng)住宅小規(guī)模10可再生能源、樓、島嶼和00偏遠(yuǎn)地區(qū)從表1中看出，以傳統(tǒng)電源供電的獨立電力 系統(tǒng)也被歸入微電網(wǎng)研究范疇，大大擴(kuò)展了美國 CER TS對微電網(wǎng)的定義范圍。加拿大等發(fā)達(dá)國家也提出了各自的微電網(wǎng)基 本框架。經(jīng)過對國外所提出的微電網(wǎng)基本概念及 框架的深入理解和研究，并結(jié)合我國電力系統(tǒng)的 實際情況與國家的可持續(xù)發(fā)展能源目標(biāo)，本文搭 建了國內(nèi)第一個微電網(wǎng)實驗平臺，為后續(xù)微電網(wǎng) 相關(guān)理論的研究奠定了硬件基礎(chǔ)。reserved,littp;/w w w. en k i. n et11 1 * ：津5官土.林5.*：.由一5已1眼，記出住2微電網(wǎng)實驗平臺的設(shè)計整個微電網(wǎng)系統(tǒng)主要包括：光伏發(fā)電系統(tǒng)

13、、 擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)蓄電池儲能系統(tǒng)模擬水/火電 發(fā)電機(jī)組 冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng) 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、 超級電容儲能系統(tǒng)電負(fù)荷/熱負(fù)荷以及整流器/ 逆變器等相關(guān)設(shè)備。微電網(wǎng)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)，見 表2所列。表2典型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)典型方式方式1方式2方式3方式4常規(guī)發(fā)電機(jī)組非常規(guī)發(fā)電機(jī)組比例/ ( %)o o 二7 7 2無- - 牧較較80)80)30)比例/ （ %）較小（2030）較?。?030）較大（7080）全部投入儲能系統(tǒng)無有有有表2中，方式1、區(qū)別僅在于有無儲能系統(tǒng), 目的為了研究儲能系統(tǒng)作用；而方式2、的設(shè)計 是為了研究在常規(guī)機(jī)組或非常規(guī)機(jī)組占主導(dǎo)地位 時，微電網(wǎng)的控制運行策略；方式13皆是微電 網(wǎng)

14、在并網(wǎng)運行情況下；方式4的設(shè)計主要針對微 電網(wǎng)在孤島運行情況下，在此種情況下，儲能系統(tǒng) 的控制策略研究尤為重要。合肥工業(yè)大學(xué)分布式發(fā)電實驗室所設(shè)計的微 電網(wǎng)實驗系統(tǒng)由2臺無窮大電源和2臺15 kW 的模擬發(fā)電機(jī)組供電，其中一臺模擬汽輪發(fā)電機(jī) 組，另一臺模擬水輪發(fā)電機(jī)組。同時在系統(tǒng)中加 入2個分布式發(fā)電單元（分別采用太陽能模擬風(fēng) 能供電）。切除無窮大電源系統(tǒng)后，可模擬微電網(wǎng) 孤島發(fā)供電系統(tǒng)。實驗室模擬系統(tǒng)的低壓均采用 380 V，高壓均采用800 V，所模擬實際原型電力系統(tǒng)的電壓為1015 kV和35 kV （中低壓系統(tǒng)）。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng):6 kW ;超級電容儲能系統(tǒng)180 V/ 8 000 F，

15、充電裝置50 A/ 300 V ;蓄電池儲40其結(jié)構(gòu)，以滿足不同微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下實驗研究的需 要，硬件上做到了“即插即用”的效果，為微電網(wǎng)系 、統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的多樣化提供了直接依據(jù)。、模1 x kW （單相）,1 x kW10三相）。實驗平臺可以根據(jù)配電網(wǎng)層的需要自由改變3微電網(wǎng)的控制運行、（1）微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制。微電網(wǎng)系統(tǒng)主要接 入配網(wǎng)系統(tǒng)下，其內(nèi)部存在大量的非常規(guī)發(fā)電機(jī) 組等設(shè)備，是一般配網(wǎng)系統(tǒng)所沒有的，如果直接將 這些非常一般的分布式發(fā)電形式，缺點如文獻(xiàn)4 ,9 所述。 配網(wǎng)系統(tǒng)一統(tǒng)（對于配網(wǎng)內(nèi)有大量重要負(fù)荷和重大大型企業(yè)， 可以再多裝設(shè)幾個微電網(wǎng)系統(tǒng)），而每個微電網(wǎng)系 統(tǒng)又可以根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況裝

16、設(shè)各相應(yīng)的子系統(tǒng) （如光伏發(fā)電系統(tǒng)）。它們?nèi)咧g的控制關(guān)系可 以分為3層：配電網(wǎng)層微電網(wǎng)主站層控制和微電3 網(wǎng)子站層控制，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。圖1微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)簡圖圖1中，配電網(wǎng)層負(fù)責(zé)管理各微電網(wǎng)主站層，能系統(tǒng)：220 V/ 300 A H ,31 5 kW，單相；太陽能如根據(jù)市模信豳大令統(tǒng)電源通過層2臺主蹣應(yīng)式調(diào)壓器的 決策層，根據(jù)微電網(wǎng)的壓器接入微做出系統(tǒng)決策壓變比為 將其命令下發(fā)到甄層執(zhí)分布式電源根集中站廖容量的 的決策信比執(zhí)行2同時將本地信間、靈集后上傳中太陽能電站 站層，另外子站層也可以為艮3據(jù)牙地信能枷來的于輸出功能為 逆變器的6控制信分別做！I一些決策容子量的1能實現(xiàn)和20

17、%。 電壓頻率調(diào)kV控線路子站可以是電壓降時的最腳送容量 負(fù)荷或者和最大輸送流控考器；即本實驗室開和的20 km。模擬輸電線路電壓等級為35 kV，其線路模型采用有12條模擬線路，同時還構(gòu)建了模擬輕型直流輸 電系統(tǒng)一套。微電網(wǎng)一次系統(tǒng)示意圖，見文獻(xiàn)8 。其中，站層上，在正常情況下微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行，其所 獲取的信息可以和配電網(wǎng)層信息進(jìn)行交互。一旦 傳統(tǒng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障，微電網(wǎng)可以處于一個個孤島 運行的狀態(tài)，保證其內(nèi)部的重要負(fù)荷供電正常。 當(dāng)大電網(wǎng)故障解決后，又可以自動并網(wǎng)，整個過程 平滑進(jìn)行。它在解決了大量分布式電源并入傳統(tǒng) 電網(wǎng)的高滲透率問題的同時，又保證了在大電網(wǎng) 故障時，可以對重要負(fù)荷持續(xù)供

18、電的問題。(2)微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行。在微電網(wǎng)系統(tǒng)運行 過程中，通過硬件數(shù)據(jù)采集單元(使用101/ 104等 相關(guān)規(guī)約)將微電網(wǎng)系統(tǒng)硬件層運行數(shù)據(jù)采集送到 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)，圖2所示為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流簡圖。圖2系統(tǒng)數(shù)據(jù)流簡圖4 結(jié)束語本文在深入研究微網(wǎng)概念及國外現(xiàn)已出現(xiàn)的 基本框架的基礎(chǔ)上，結(jié)合本國電力系統(tǒng)的實際情 況與國家的可持續(xù)發(fā)展能源目標(biāo)，率先設(shè)計了國 內(nèi)微網(wǎng)實驗平臺。該平臺根據(jù)實驗需要可自由改變其結(jié)構(gòu)的特 性，針對微網(wǎng)并網(wǎng)/孤島運行儲能單元研究等情 況，提出了 4種典型的微網(wǎng)硬件平臺結(jié)構(gòu)?？紤] 到微網(wǎng)和傳統(tǒng)配電網(wǎng)的關(guān)系，將微網(wǎng)的控制劃分 為配電網(wǎng)層 微網(wǎng)主站層和微網(wǎng)子站層的3層控 制結(jié)構(gòu)，并結(jié)合

19、相關(guān)應(yīng)用軟件，簡單描述了整個微 網(wǎng)的運行過程。參考文獻(xiàn)ceedings of t he 34t h Hawaii International Conference onSystem Sciences ,2001 :1 - 10.2控制命令到各數(shù)據(jù)處理機(jī)，其中數(shù)據(jù)處理機(jī)可以 有多臺，主要運行一些微電網(wǎng)高級應(yīng)用軟件，如能 量預(yù)測軟件負(fù)荷預(yù)測軟件、 潮流計算軟件、 優(yōu)潮流軟件及機(jī)組組合軟件等。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)將硬 件實時采集的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和數(shù) 據(jù)處理機(jī)。數(shù)據(jù)處理機(jī)把收到的數(shù)據(jù)作為微電網(wǎng) 應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)源，并將計算結(jié)果實時顯示在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。通過部分子系統(tǒng)在合肥工業(yè)大學(xué)微網(wǎng)實驗室 半年來的正常運行以及相關(guān)測試結(jié)果，驗證了軟、 硬件支撐平臺和所開發(fā)的微網(wǎng)高級應(yīng)用軟件的正 確性。圖3部分實際運行系統(tǒng)3 王 敏，丁明.分布式發(fā)電及其效益J .合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004 ,27 (4) :354 - 358.4 IEEE St d 1547 - 2003 , IEEE Standard for InterconnectingDist rib