含分布式新能源的微电网实验系统建设及应用

山西大学电力工程系的研究人员赵兴勇，在2018年第5期《电气技术》杂志上撰文指出，微电网是高效利用分布式新能源、降低网损、提高能源利用率的有效手段之一，是智能配电网的重要组成部分。

本文构建了一个由小型风力发电系统、光伏阵列、蓄电池组及控制系统组成的小型微电网试验平台。开展分布式新能源发电、新型配电网运行与控制、继电保护、自动控制等方面的实验，解决了无法对新型配电网进行现场试验的难题。增强了学生实际动手能力，同时也提升了教师科研、教学能力，有力支持了我校电气工程及自动化特色专业的建设。所提建设方案对于研究及推广新能源微电网具有积极的理论意义及实践价值。

智能微电网集信息技术、新能源技术、分布式发电技术等为一体，以专业智慧构建节能高效、绿色环保、安全可靠的电力系统，助力国家坚强智能电网的建设和发展。微电网作为智能电网重要的组成部分，对新能源推广、节能降耗、降低炭排放具有重要意义[1-2,6]。

我校电气工程专业类依托我省电力行业快速发展和壮大，有着明显的行业背景与特色。在山西乃至全国电力行业，有着不可替代的作用。电力系统是现代化技术集成最高的行业之一，对学生知识、技能的要求不断提高。微电网是电力系统未来的发展方向之一，其是以分布式电源为基础的小型模块化、分散式的供能网络，是发挥分布式发电效益的有效途径。

它不仅能提高供电质量和可靠性，而且能减轻环境和能源压力，还可以为大电网黑起动提供后备电源，是大电网的有力补充，更是智能电网的重要组成部分。

微电网的最大优势是提高了电力系统面临突发灾难时的抗灾能力。大电网中超大型电站与微电网中分散微型电站的结合，可以减少电力输送距离、降低输电线路的投资和电力系统的运营成本，削峰填谷，降低电网损耗，降低电价。

多年来，我校一直在推行教育教学改革，学科建设取得长足的进展。目前电气工程类有“电力系统及自动化”研究生专业及“电气工程及自动化”本科专业。但我校原有电力专业实验室偏重教学体系，面对电力系统新技术就显得不足，主要体现在教师科研水平不高，学生参与分析现场事故能力不够的现象。

鉴于此，通过建立智能微电网运行与控制实验室，可以给教师提供进行科学研究，学习掌握现代先进电力系统技术的实验室[3-5];给学生提供见识现代电力系统实际场景，提高专业实践能力的基地。

目前，国内外不少高校、科研院所在微电网系统平台研究方面取得一定的成果，如天津大学及浙江电力科学研究院等，这些平台主要面向科学研究或工程示范，投资比较大。

本平台主要面向本科生、研究生的培养，另外，其的一次、二次系统均有开放接口，满足不同组网方式及控制策略的研究。

1 实验系统的设计构建

1.1 系统的组成

1)一次系统的组成

本实验室的微电网为两级交流智能微电网架构，包括：由5kW太阳能发电模拟系统、10kW模拟风力发电系统、30kW˙h磷酸铁锂电池储能稳定系统、30kW/10s超级电容系统、10kWRLC可控式模拟负载系统、12kW充电机组成的一级微电网。由5kW屋顶太阳能发电系统、9.6kW˙h铅酸储能系统组成的二级微电网。

整个微电网系统包含1面网关接口柜、2面微网智能配电柜、1面微网通信柜、1面锂电池储能双向变流柜、1面超级电容储能双向变流柜、1套微电网监控及中央控制系统、1套即插即用电能质量在线监测系统、1套一体式故障录波装置及微电网专用保护装置系统等，如图1所示。

2)二次系统的组成

二次系统包括：1套MG2500型微电网中央控制及快速测控系统、1套MG1100微电网监控软件，1套MG1600微电网控制策略软件，1套MG2200微网通讯转换装置，1套微网时钟，1套一体式故障录波系统，1套电能质量在线监测。

通过配置的通信管理机实现对微电网系统中各设备的通信处理及转发。包括保护装置、电力仪表、中央控制单元及快速测控、光伏逆变器、风力逆变器、稳定控制器(PCS)、电池管理系统BMS、超级电容管理系统CMS等，通过后台监控系统，实现对微电网系统中各设备的运行状态监视与控制，以及实现对储能系统、负荷以及模拟新能源电源的协调与优化控制，如图2所示。

1.2 系统的功能需求

主要功能有：分布式电源特性研究;分布式电源系统设计优化;分布式电源与能量转换单元的布局优化、选型与设计;分布式电源与能量转换单元的性能测试;分布式电源与能量转换单元的并网特性及控制，包括稳态、暂态特性;分布式发电能效对比及能效提高技术研究;储能电池特性研究;各种储能形式在微电网中的应用研究;新型储能电池试验;储能逆变器的研究;电动汽车充电技术研究;电动汽车的车网互动(vehicle to grid, V2G)技术;微电网系统的规划设计;微电网系统的并网、孤岛两种方式及其过渡过程的安全稳定运行;微电网系统的控制、保护与通信;微电网控制策略研究;微电网系统的监控与能量管理;微电网系统的经济性评估;微电网参与削峰填谷的优化调度技术;微电网系统电能质量管理;微电网系统对大电网系统的影响;电价方案的设计与优化;智能负荷控制与调节措施的研究;用户需求侧管理系统开发与研究;微电网展示技术与方法的研究等，国内在这方面进行了广泛的研究[7-10]。

1.3 系统的特色

该微电网系统具有如下特色。

1)可以并网、孤网运行，无缝切换，可以多种运行模式相互自动或手动方式切换，一、二级微电网可以分别独立孤网运行、并网运行及联动运行。

2)能与大电网并网点的功率大小及方向可调可控。

3)可以快速平滑光伏发电、风机发电、负荷变化等造成的功率波动。

4)配置专用保护装置，在微电网内部故障、外部故障情况下，均保证其准确、快速动作，使系统安全运行。

5)可实现对接入微电网系统的负荷进行分级管理。

6)具有开放接口，可以接入其他厂家的智能设备。

系统起动后，进入监控画面，如图3所示的主要研究方向，智能微电网运行与控制实验室、风力发电实验室、新能源实验室组成联合实验室，为创新团队的科研工程提供了重要的实验条件。

智能微电网二次系统图

 微电网系统监控图

2 在科学研究中的应用

利用智能微电网运行与控制实验室，创新团队进行了大量的仿真实验，承担了多项省部级课题，主要有：1)多元绿色能源微电网优化集成与智能控制。2)针对新型微电网的优化控制技术研究。3)含新能源及电动汽车的微电网优化控制技术研究。

申请专利多项，主要有：1)一种电动汽车双向智能充电桩的充放电控制方法。2)一种具有无功补偿功能的V2G充放电装置。3)一种含可再生能源的市政路灯与电动汽车充电桩集成装置。

在国内外重要学术期刊发表论文多篇，主要有：1)微电网复合储能的功率容量优化配置。2)考虑局部阴影的光伏阵列MPPT优化控制策略。3)考虑电动汽车的微电网复合储能容量优化配置。

4)含分布式电源和电动汽车的微电网协调控制策略研究。5)微电网控制策略研究。

此外，还与国网山西省电力科学研究院、北京北变微电网技术有限公司等单位在智能微电网研究方面有多年的良好合作关系。聘请该领域知名专家学者前来交流和讲座，有力提升了微电网研究水平。

3 在教学改革中的应用

智能微电网运行与控制实验室是学校主要的开放性实验室，其优化了传统的实验模式，让学生自主设计实验方案与步骤，鼓励创新。同时避免了传统强电实验中可能造成的人身安全、设备损坏的隐患。

针对电力系统分析、新能源发电、继电保护、智能供配电等课程，开发了10多项探索性实验项目。主要有：含新能源配电网潮流计算，含源配电网继电保护配置与整定，微电网结构设计、光储联合微电网运行分析，电动汽车V2G分析等。

这些实验理论与实践结合紧密，开阔了学生的视野，提升了学生的创新能力，不少学生在教授的指导下，取得了一定的成果，如山西省大学生创新创业项目“户用光储微电网系统设计”获得二等奖。

该实验室的建成为我校电气工程及其自动化专业特色专业建设和师资队伍培养提供了重要支撑。

4 结论

该实验室的建成，不仅能极大地提升学科专业的发展和水平，提高我校电气工程及其自动化专业及相关专业人才培养质量，而且还将带来一定的经济效益和社会效益，主要反映在以下几个方面。

1)学生受到良好的技能训练。学生可在本训练中心接受有关新能源发电技术的训练，为今后走上工作岗位从事与新能源发电技术有关的工作奠定了扎实的基础，缩短了学生的适应性。

2)电力行业和地方企业受益。为企业生产提供技术服务，产生一定的经济效益，实验室的科研开发功能也将为将来的生产服务产生潜在的经济效益。同时能够及时为新能源发电技术及微电网运行控制人员进行培训。

3)加强与地方院校同行之间的交流及合作水平。为其他地方院校相关专业的师生提供良好的实验环境，实现优势资源共享。推进学科发展，提升学科水平，使本学科成为省内的优势学科，形成省内同行业水平较高的科研教学平台，以带动全省在该领域的整体研究水平，更好服务地方经济。

在后续的建设完善过程中，进一步加强与相关专业及同行院校的交流，多开设一些创新型实验及跨学科合作，以提高平台的利用率。