微電網開放式科研開發(fā)平臺
背景介紹
隨著光伏、風電等可再生能源發(fā)電技術的發(fā)展，分布式發(fā)電日漸成為滿足負荷增長需求、提高能源綜合利用效率、提高供電可靠性的一種有效途徑，并在配電網中得到廣泛的應用。但分布式發(fā)電的大規(guī)模滲透也產生了一些負面影響，如單機接入成本較高、控制復雜、對大系統的電壓和頻率存在沖擊等，這限制了分布式發(fā)電的運行方式，削弱了其優(yōu)勢和潛能。
微網技術為分布式發(fā)電技術及可再生能源發(fā)電技術的整合和利用提供了靈活、高效的平臺。微電網系統被視為未來智能電網的最重要一環(huán)，可以有效地實現電網側電力能量的轉移，實現能量的削峰填谷。微網系統具有電源類型多樣、控制方式復雜、運行模式多變的特點，所以集控中心很難對整個系統作出快速反應并進行相應控制，如分布式電源輸出功率波動、電壓跌落、故障和停電等。微網控制系統應做到各分布式電源能夠基于本地信息對電網中的事件作出快速自主反應，例如調節(jié)潮流和接口電壓、快速分擔負荷、并離網無縫切換、自動頻率控制、自動穩(wěn)定控制、黑啟動等，以共同維持微網系統的基本運行。
? 系統概述
1) 典型拓撲
交流子微網和直流子微網中存在光伏、風機、儲能等分布式發(fā)電單元，通過變流器接入交流母線和直流母線，可根據分布式發(fā)電單元自身的發(fā)電特性和電網的運行需要，實現分布式電源的靈活發(fā)電。
雙向AC/DC變換器或模塊化多電平柔性直流輸電系統作為兩子微電網間的傳輸媒介，根據系統內部負載和分布式電源的變化，實現混合微電網內部能量的雙向流動，保證系統內部功率均衡，還能維持交直流母線電壓和頻率的穩(wěn)定，保障微電網系統穩(wěn)定運行。
交直流混合微電網系統典型拓撲
? 2) 系統控制模式
系統支持主從控制模式和對等控制模式。
（2.1）主從控制模式
微網孤島運行時，其中一個分布式電源（DG-Distributed Generation）采取恒電壓和恒頻率控制（V/f控制)，用于向微網中的其它DG提供電壓和頻率參考，其它DG則可采用恒功率控制(PQ控制)。采用V/f控制的DG控制器稱之為主控制器，而其它DG的控制器則稱之為從控制器。
（2.2）對等控制模式
微網中所有DG在控制上都具有同等地位，控制器間不存在主從關系，每個DG都根據接入系統點電壓和頻率進行控制。微網運行在孤島模式時，微網中每個采用下垂控制策略（Droop）的 D G都參與微網電壓和頻率的調節(jié)，自動依據下垂系數分擔負荷的變化量，亦即各DG通過調整各自輸出電壓的頻率和幅值，使微網達到一個新的穩(wěn)態(tài)工作點,最終實現輸出功率的合理分配。采用下垂控制可以實現負載功率變化在DG間的自動分配，但負載變化前后系統的穩(wěn)態(tài)電壓和頻率也會有所變化，對系統電壓和頻率指標而言，該控制模式是一種有差控制。
3) 分布式電源控制策略
微網系統的穩(wěn)定運行有賴于各分布式電源（DG），按并網方式DG可分為逆變型、同步機型和異步機型。微網中的分布式電源主要是基于電力電了的逆變型電源，本實驗平臺支持 PQ控制、V/F控制和Droop控制等多種控制策略。
4) 光伏發(fā)電模擬系統
光伏陣列模擬是利用開放式電能變換與控制技術開發(fā)平臺來模擬光伏陣列的輸出特性，使實際電路的輸出I-V特性曲線與所模擬的光伏陣列一致。系統具有如下特點：
（1）可模擬不同光照和溫度下的I-V特性曲線；
（2）通過填充因子（Fill Factor）可模擬多種太陽能電池的輸出特性；
（3）可測試動態(tài)和靜態(tài)下的MPPT；
（4）支持MATLAB自動代碼生成和系統軟件代碼開源。
5) 風力發(fā)電模擬系統
風機數學模型是搭建風力發(fā)電模擬系統的基礎，假定傳動鏈為剛性，則風力發(fā)電機組的輸出功率為
其中，cp為風輪功率系數，λ為葉尖速比，β為槳距角，ρ為空氣密度，A為風輪面積，v為風速。
后臺軟件設定風模型，變頻器根據設定的風況控制異步電動機的輸出轉矩，驅動永磁同步發(fā)電機，即可以實現對風力發(fā)電機組的模擬。風力發(fā)電模擬系統具有下列特點：
（1）功能豐富，可模擬不同的風況和風速曲線；
（2）內置完整的風力發(fā)電機組數學模型，真實模擬機組的功率曲線；
（3）支持MATLAB自動代碼生成和系統軟件代碼開源。
6) 儲能模擬系統
光伏和風力屬于間歇性能源，不能提供持續(xù)穩(wěn)定的功率輸出。當光伏和風機發(fā)電能力不足，以及微網發(fā)生暫態(tài)擾動時，為了維持微網暫態(tài)功率平衡，需配置蓄電池作為儲能系統,并通過雙向儲能變流器（PCS）并入交流母線。
雙向儲能變流器由兩臺開放式電能變換與控制技術開發(fā)平臺組成，具備提供無功和諧波補償的能力，支持多種工作模式，在并網、離網和并/離網切換等工況下均能提供良好質量的電能。
7) 中央控制器
中央控制器可對各分布式電源的控制參數或工作模式等進行設置，在數據采集的基礎上，實現對各分布式電源、負荷以及整個微電網的監(jiān)視和控制，實現對微電網的實時控制、功率平衡分析、經濟運行分析、集中保護等功能，使其安全、經濟、可靠地運行。
平臺特點
1) 軟硬件開放
- 根據用戶需求，硬件、軟件均支持定制和開源；
- 功能劃分明確：每面屏柜既是一套獨立的子系統，可進行單獨實驗，又是科研開發(fā)平臺的一部分，進行能量協同控制實驗；
- 模塊化設計：檢測電路、功率電路、控制電路、濾波電路及輔助電源均采用模塊化設計，既方便初學者對功能模塊和電子元器件的認知，又便于更換與維修；
- 采用全隔離低電壓模式，確保實驗人員安全；
- 產品穩(wěn)定可靠，具有軟硬件過壓/過流保護、過載保護、防反接與防直通保護、電機過速保護等功能；
- 光伏發(fā)電MPPT控制實驗；
- 光伏并網控制實驗；
- 風電并網控制實驗；
- 儲能充、放電控制實驗；
- 微網孤島運行控制實驗；
- 微網黑啟動控制實驗；
- 微網并離網切換控制實驗；
- 微網功率協調控制實驗；
- 虛擬同步發(fā)電機。
微電網科研平臺由風力發(fā)電模擬系統、光伏發(fā)電模擬系統、儲能系統及RLC負載構成，可進行交直流混合微電網相關科研實驗。
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