微电网实验平台的设计

1、第33卷第1期合肥工业大学学（自然科学版）Vol . 33 No . 1报2010 年 1 月J OU RNAL O F II EFEI UN IV ERSIT Y O F TEC IINOLO GYJ an. 2010微电网实验平台的设计杨为，丁 明，毕锐，高研，丁 银(合肥工业大学光伏系统教育部工程研究中心，安徽合肥 230009)、摘 要：为了适应现状，弥补大规模集中发电输电的不足，近年来兴起的分布式能源发电系统及微电网越来 越受到各国学者及工程界的重视。文章在深入研究微电网概念及国外现已出现的基本框架的基础上，结合我 国电力系统实际情况与国家的可持续发展能源目标，率先搭建了国内微电网系

2、统实验平台，为微电网相关理 论的研究和微电网产业化打下了坚实的基础。关键词：微电网；分布式能源发电；基本框架；实验平台中图分类号 :TM61 ; TM727 ; TM732文献标识码: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负荷持续增长，能源需求不断增加，同时电力 系统结构的不断老化、环保问题、能源利用效率瓶 颈以及用户对电能质量的高标准要求，已成为世 界各国电力工业所面临的严峻挑战。所以，开发 利用可再生能源、构建可持续能源系统成为各国 的共识与必然的发展趋势。20世纪90年代末期 出现的分布式发电以其污染小、可靠性高、能量利 用效率高以及

5、安装地点灵活等多方面优点，越来 越受到重视，尤其是光伏和风力发电系统近年来 得到了快速的发展 1 - 3 。但由于分布式电源的不 可控制及随机波动性:随着渗透率的提高增加了 统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行 4 。 这使得分布式电源的效益没能得到充分发挥。基于此种情况，近年来有学者提出了一种新 的分布式能源组织方式和结构一一grid)。它是一种新型能源网络化供应与管理技 术，能够便利可再生能源系统的接入、实现需求侧 管理以及现有能源的最大化利用。国际上对微网 的定义不尽相同，但各种方案均认为：微网是由各 种分布式电源、储能单元、负荷以及控制保护系统 组成的集合，通过相关控制装置间的协调

6、配合，可 以同时向用户提供电能和热能；具有灵活的运行对电力系统稳定性的负面影响。故而正方式和可调度性能，即能在并网运行和孤岛自主 P1547对分布式电源的入网标准规定：当电力系 运行2种模式间实现无缝切换；根据实际情况，系基金项目：国家重点基础研究专项经费资助项目(2009CB219700);国家863高技术资助项10032506020124)0012国3家自然科学基金 资助项目(50837001)作者简介：杨 为(1985 -)，男，江苏南京人，合肥工业大学硕士生；丁 明(1956 -)，男，安徽合肥人，合肥工业大学教授，博士生导师统容量一般为数千瓦至数兆瓦；通常接在中压或 低压配电网络中。

7、本文所设计的微电网系统实验平台，主要包 括：太阳能发电系统 风能发电系统 燃料电池发 电系统微型燃气轮机发电系统轻型直流输电系 统和储能系统等各子系统及整流器逆变器和硬 件通讯网络等相关设备。对于微电网的控制与运 行也提出了相应的架构，为微电网相关理论的研 究和微电网产业化打下了坚实的基础。1微电网的基本概念和框架概念微电网有 microgrid、minigrid 和 smart grid 等多种称法，它是近年来出现的一种新型能源网 络化供应与管理技术，能够便利可再生能源系统 和清洁能源系统的接入实现需求侧管理以及现 、有能源的最大化利用。微电网将发电子系统、储 能系统及负荷相结合，通过相关控

8、制装置间的配 合，可以同时向用户提供电能和热能，并能够适时 有效地支撑大电网，起到消峰填谷的作用。所以微电网概念一经提出，就引起世界能源 专家和电力工业界的广泛重视，世界很多国家都 加强了相关基础科学研究的力度，对微电网的认 识随着研究的进行在不断地具体化深入化和系 、统化。而微电网对于解决我国现有大电网运行中 凸显的问题，以及能源危机等相关问题，无疑是提 供了一个好的解决途径。基本框架目前，一些发达国家立足于本国电力系统的 实际问题与国家的可持续发展能源目标，提出了 各自的微电网概念和发展目标。美国。美国CER TS最早提出了微电网 的概念，主要由基于电力电子技术且容量小于等 于500 kW

9、的小型微电源与负荷构成，并引入了 基于电力电子技术的控制方法，基于此形成了“即 插即用pug and play)和“对等”peer to peer) 的控制思想和设计理念。提高重要负荷的供电可 靠性、满足用户定制的多种电能质量需求降低成 本、实现智能化将是发展重点。文献5 中指出 Navigant Co nsulting在为美国能源署提交的微 电网研究评估报告中，根据应用场合的不同提出 了微电网的4种体系结构： 单个设施级微电 网，是指所带负荷量小于2 M W，应用于小型工业 或商业建筑大的居民楼以及医院等单幢建筑物、处的网络。多个设施级微电网，是指所带负荷 量在25 M W之间，应用于包含多

10、种建筑物多 样负荷类型处的网络。如应用于包含医学、文、 市政等不同学科的校园中军事基地、工业和商业 综合区以及居民区等地方/场合。馈线级。馈 线级微电网，容量在510 M W之内，它管理一 条配电网母线内所有发电和/或负荷单元的运行 情况。这种类型的微电网可能由多个包含单一或 多样化设备单元的较小型的微电网组合而成。此 类型的微电网将适用于公共设施政府机构及监 狱等场合。变电站级。变电站级微电网，容量 可能在510 M W ,管理连接到配电网变电站的 所有发电和/或负荷单元的运行情况。这种类型 的微电网可能包括一些变电站内的发电单元，以 及一些馈线级和设备级的分布式发电和微电网。欧盟。从电力市

11、场需求电能安全供给 以及环保等角度出发，欧盟于2005年提出“smart grid，计划，并在2006年出台了该计划的技术 实现方略；。微电网以其智能性能量利用多元 化等特点将成为欧洲未来电网的重要组成部分。日本。日本立足于国内能源日益紧缺、 负荷日益增长的现实背景，也开展了微电网研究， 其发展目标主要定位于能源供给多样化 减少污 染及满足用户的个性化电力需求。对于微电网的 定义，三菱公司将其从规模上分为3类，见表1 所列。表1日本三菱公司对微电网的分类发电容量类型燃 料 应用场合市场规模/个/ MW大规模1 000 石油或煤 工业区1020石油或煤、中规模100可再生能源工业园100小型区域

12、电网住宅小规模10可再生能源、楼、岛屿和00偏远地区从表1中看出，以传统电源供电的独立电力 系统也被归入微电网研究范畴，大大扩展了美国 CER TS对微电网的定义范围。加拿大等发达国家也提出了各自的微电网基 本框架。经过对国外所提出的微电网基本概念及 框架的深入理解和研究，并结合我国电力系统的 实际情况与国家的可持续发展能源目标，本文搭 建了国内第一个微电网实验平台，为后续微电网 相关理论的研究奠定了硬件基础。reserved,littp;/w w w. en k i. n et11 1 * ：津5官土.林5.*：.由一5已1眼，记出住2微电网实验平台的设计整个微电网系统主要包括：光伏发电系统

13、、 拟风力发电系统蓄电池储能系统模拟水/火电 发电机组 冷热电联产系统 燃料电池发电系统、 超级电容储能系统电负荷/热负荷以及整流器/ 逆变器等相关设备。微电网系统的典型结构，见 表2所列。表2典型微电网结构典型方式方式1方式2方式3方式4常规发电机组非常规发电机组比例/ ( %)o o 二7 7 2无- - 牧较较80)80)30)比例/ （ %）较小（2030）较小（2030）较大（7080）全部投入储能系统无有有有表2中，方式1、区别仅在于有无储能系统, 目的为了研究储能系统作用；而方式2、的设计 是为了研究在常规机组或非常规机组占主导地位 时，微电网的控制运行策略；方式13皆是微电 网

14、在并网运行情况下；方式4的设计主要针对微 电网在孤岛运行情况下，在此种情况下，储能系统 的控制策略研究尤为重要。合肥工业大学分布式发电实验室所设计的微 电网实验系统由2台无穷大电源和2台15 kW 的模拟发电机组供电，其中一台模拟汽轮发电机 组，另一台模拟水轮发电机组。同时在系统中加 入2个分布式发电单元（分别采用太阳能模拟风 能供电）。切除无穷大电源系统后，可模拟微电网 孤岛发供电系统。实验室模拟系统的低压均采用 380 V，高压均采用800 V，所模拟实际原型电力系统的电压为1015 kV和35 kV （中低压系统）。风力发电系统:6 kW ;超级电容储能系统180 V/ 8 000 F，

15、充电装置50 A/ 300 V ;蓄电池储40其结构，以满足不同微电网结构下实验研究的需 要，硬件上做到了“即插即用”的效果，为微电网系 、统产业化的多样化提供了直接依据。、模1 x kW （单相）,1 x kW10三相）。实验平台可以根据配电网层的需要自由改变3微电网的控制运行、（1）微电网系统的控制。微电网系统主要接 入配网系统下，其内部存在大量的非常规发电机 组等设备，是一般配网系统所没有的，如果直接将 这些非常一般的分布式发电形式，缺点如文献4 ,9 所述。 配网系统一统（对于配网内有大量重要负荷和重大大型企业， 可以再多装设几个微电网系统），而每个微电网系 统又可以根据当地实际情况装

16、设各相应的子系统 （如光伏发电系统）。它们三者之间的控制关系可 以分为3层：配电网层微电网主站层控制和微电3 网子站层控制，其结构简图如图1所示。图1微电网控制结构简图图1中，配电网层负责管理各微电网主站层，能系统：220 V/ 300 A H ,31 5 kW，单相；太阳能如根据市模信豳大令统电源通过层2台主蹒应式调压器的 决策层，根据微电网的压器接入微做出系统决策压变比为 将其命令下发到甄层执分布式电源根集中站廖容量的 的决策信比执行2同时将本地信间、灵集后上传中太阳能电站 站层，另外子站层也可以为艮3据牙地信能枷来的于输出功能为 逆变器的6控制信分别做！I一些决策容子量的1能实现和20

17、%。 电压频率调kV控线路子站可以是电压降时的最脚送容量 负荷或者和最大输送流控考器；即本实验室开和的20 km。模拟输电线路电压等级为35 kV，其线路模型采用有12条模拟线路，同时还构建了模拟轻型直流输 电系统一套。微电网一次系统示意图，见文献8 。其中，站层上，在正常情况下微电网处于并网运行，其所 获取的信息可以和配电网层信息进行交互。一旦 传统电网出现故障，微电网可以处于一个个孤岛 运行的状态，保证其内部的重要负荷供电正常。 当大电网故障解决后，又可以自动并网，整个过程 平滑进行。它在解决了大量分布式电源并入传统 电网的高渗透率问题的同时，又保证了在大电网 故障时，可以对重要负荷持续供

18、电的问题。(2)微电网系统的运行。在微电网系统运行 过程中，通过硬件数据采集单元(使用101/ 104等 相关规约)将微电网系统硬件层运行数据采集送到 数据转发机，图2所示为整个系统的数据流简图。图2系统数据流简图4 结束语本文在深入研究微网概念及国外现已出现的 基本框架的基础上，结合本国电力系统的实际情 况与国家的可持续发展能源目标，率先设计了国 内微网实验平台。该平台根据实验需要可自由改变其结构的特 性，针对微网并网/孤岛运行储能单元研究等情 况，提出了 4种典型的微网硬件平台结构。考虑 到微网和传统配电网的关系，将微网的控制划分 为配电网层 微网主站层和微网子站层的3层控 制结构，并结合

19、相关应用软件，简单描述了整个微 网的运行过程。参考文献ceedings of t he 34t h Hawaii International Conference onSystem Sciences ,2001 :1 - 10.2控制命令到各数据处理机，其中数据处理机可以 有多台，主要运行一些微电网高级应用软件，如能 量预测软件负荷预测软件、 潮流计算软件、 优潮流软件及机组组合软件等。数据转发机将硬 件实时采集的数据直接转发到数据库服务器和数 据处理机。数据处理机把收到的数据作为微电网 应用软件的数据源，并将计算结果实时显示在数据库服务器。通过部分子系统在合肥工业大学微网实验室 半年来的正常运行以及相关测试结果，验证了软、 硬件支撑平台和所开发的微网高级应用软件的正 确性。图3部分实际运行系统3 王 敏，丁明.分布式发电及其效益J .合肥工业大学学报(自然科学版),2004 ,27 (4) :354 - 358.4 IEEE St d 1547 - 2003 , IEEE Standard for InterconnectingDist rib