基于分布式发电的智能配电网物理模拟系统研发

张 彦，马梦朝，商玲玲，王 伟

（1.国网技术学院，山东 济南 250002；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250001）

0 引言

近年来，随着各国对新能源及可再生能源发电系统开发的大力支持，新能源及可再生能源发电系统在技术领域与规模上都取得了突破性进展。分布式发电以其低投资、发电方式灵活、与环境兼容性好等特点，具备与大电网联合稳定运行的可能，因此，分布式发电系统是目前加入智能配电网的一项新业务［1-2］。大量分布式电源的加入，给现代电力系统的运行与控制带来巨大变化，这种趋势对于传统配电网模型极富挑战性。

研发基于光伏发电、风力发电等分布式发电和智能用电的智能配电网模拟系统，可按照调度指令和智能用电情况调节分布式电源和储能系统的工作模式，可用于研究含多种分布式电源的智能配电网控制策略，也可用于分布式发电和微网［3-5］的培训教学。

1 智能配电网物理模拟及自动监控系统

1.1 系统概述

基于新能源并网发电、智能用电等新技术的快速发展和应用，采用物理模拟、光纤通信、以太网组网、广域保护与测量、组态软件开发、大规模数据库、自动监控、高级配电自动化等核心技术手段，开发了智能配电网物理模拟及自动监控系统［6］，系统实物如图1 所示。

1.2 系统设计思路

图1 智能配电网物理模拟及自动监控系统

智能配电网物理模拟及自动监控系统主电源来自实际电网，为确保供电可靠性，设计为多路供电电源。

采用单元化、模块化的设计思想，系统共设4 个运行单元，每个单元即可独立运行，又可同时运行，且支持修改网络结构、改变运行方式，具有很大的灵活性。

该系统能够兼容多种类型的新能源并网运行，各种新能源组成微网后接入该系统并接受调度和控制。

该系统带有模拟负荷和实际负荷，模拟负荷由电阻、电感元件组合而成，可以模拟不同的负荷类型，实际负荷为接入系统的实际运行计算机、空调等负荷。

系统具有单母线、单母线分段、双母线、双母线带旁路等多种接线方式，能够模拟多种运行方式。

系统线路采用多级π 型线路级联的方式进行模拟，通过改变π 型电路参数达到改变模拟线路长度的目的，预设多个故障点，能够模拟不同位置处的多种类型短路故障。

1.3 系统结构与功能

智能配电网物理模拟及自动监控系统的系统结构如图2 所示，包含3 部分：一次物理模拟系统，广域保护与测量系统，监控与高级应用系统。

图2 智能配电网物理模拟及自动监控系统结构

一次物理模拟系统分为4 个单元，每个单元的结构相似，均可独立运行，也可同时作为一个系统运行，因此能够模拟多种规模、不同结构和特点的电网。每个单元都采用了多π 型等值电路，具有多种接线方式，并配备了可遥控操作的开关。在每个单元的不同位置处都预设了故障点，能够模拟各种类型的短路故障。多π 型等值电路结构如图3 所示。

图3 多π 型等值电路结构

保护与测量系统采用广域保护原理实现对一次模拟系统的继电保护功能，具备保护定值远程整定功能，从监控主机侧即可完成全部保护装置的定值查看与在线修改。

监控与高级应用系统能够实现该系统的自动监控功能，采用基于双环无源光纤以太网（EPON）的通信技术，实现了全网的遥测、遥信和遥控功能，具备对故障录波数据进行分析计算的功能，同时能够对新能源电源部分进行调度和监控。

2 光伏发电系统

2.1 系统概述

光伏发电系统由太阳能并网发电系统与储能系统2 部分组成。其中，太阳能并网发电系统主要由太阳能电池组件方阵、防雷汇流箱、逆变器、太阳能发电监控系统等部分组成；储能系统由蓄电池组、双向储能逆变器、蓄电池监控系统等部分组成。

双向储能蓄电池从电网给蓄电池充电或将蓄电池储存的电能逆变为标准的三相电，供微网系统负载使用；蓄电池在线监控系统能对所有蓄电池组单个电池进行在线电流、电压、内阻监测；储能监控系统对整个电池储能系统进行控制，包括充电、放电、功率输出、电池监控等。

光伏并网发电系统包括10 kW 单晶硅光伏电池组件和10 kW 多晶硅光伏电池组件，可以通过发电情况进行比较教学，使学员更清楚地掌握到不同材料光伏电池的特性。该光伏发电系统并入前述智能配电网运行，并且当配电网故障时可以接受调度，系统实物如图4 所示。

图4 光伏发电系统实物

2.2 系统设计思想

该光伏发电系统与其他新能源组成微网后接入前述的智能配电网系统运行，可作为电源或负载运行，同时接受配电网调度；系统配备实验装置，可对太阳能光伏电池的特性及影响因素进行研究或培训。

2.3 系统结构与功能

10 kW 单晶硅光伏电池组件和10 kW 多晶硅光伏电池组件，经过汇流箱、交直流配电柜和并网逆变器接入母线，储能系统经过双向变换器接入母线系统，系统结构如图5 所示。

图5 光伏发电系统结构

通过对单晶硅和多晶硅光伏电池的对比，可深入了解光伏电池的特性及不同材料的区别；通过蓄电池监控系统，可充分掌握储能系统在光伏发电系统中的重要作用。

3 风力发电系统

3.1 系统概述

风力发电系统通过使用电动机模拟风轮机，拖动发电机来模拟风力发电机，该风力发电模拟系统包括2 组小型永磁直驱式风力发电机组平台（每组5 kW）和2 组双馈式风力发电机组平台（每组5 kW）。

通过搭建小型双馈风力发电机模拟系统，可对双馈风力发电机组的静态、暂态运行特性进行模拟，并能模拟双馈风力发电机组随风速变化由次同步运行到超同步运行的演变过程。

风力发电系统可对风机进行低电压跌落试验，测试风机的低电压穿越能力。系统可对电压跌落深度、电压跌落恢复时间进行设置，将本系统并入前述智能配电网运行，并且当配电网故障时可以接受调度，系统实物如图6 所示。

图6 风力发电系统实物

3.2 系统设计思想

该风力发电系统与其他新能源组成微网后接入前述的智能配电网系统运行，可作为电源或负载运行，同时接受配电网调度。

通过对风力发电机组的静态、暂态运行特性进行模拟，以及并入智能配电网运行的状况，充分反映出永磁直驱风力发电机组和双馈风力发电机组两种风力发电机的优缺点及其对电网的影响。

3.3 系统结构与功能

小型永磁直驱式风力发电机模拟系统包括直流调速系统，同轴电机拖动系统（电动机拖动永磁直驱发电机），无功补偿装置和低电压发生器等，具体结构如图7 所示。

图7 永磁直驱式风力发电机系统

图8 双馈式风力发电机系统

双馈风力发电机模拟系统包括直流调速系统，同轴电机拖动系统（电动机拖动双馈发电机），无功补偿装置和低电压发生器等，具体结构如图8 所示。

该系统可对风机进行低电压跌落试验，测试风机的低电压穿越能力。系统可对电压跌落深度、电压跌落恢复时间进行设置；可通过蓄电池监控系统，充分掌握储能系统在风力发电系统中的重要作用。

4 电池储能系统

4.1 系统概述

电池储能系统包括蓄电池组、双向储能逆变器、蓄电池在线监控系统、储能系统管理系统4 大部分。

蓄电池组由300Ah／2 V 铅酸蓄电池2 组，300 Ah／2 V 胶体蓄电池2 组组成，每组24 块串联，组成48 V／300 Ah 系统，共计4 组96 块，作为系统的主要储能元件。双向储能逆变器作用是从电网给蓄电池充电或将蓄电池储存电能逆变为标准三相电，供微网系统负载使用；蓄电池在线监控系统能对所有蓄电池组单个电池进行在线电压、电流、内阻监测，及时监控电池状态；储能系统管理系统能对整个电池储能系统进行控制，包括充电、放电、功率输出、电池监控等。

电池储能系统接入前述智能配网运行，并且当配网故障时可以接受调度，系统实物如图9 所示。

图9 电池储能系统系统实物

4.2 系统设计思想

储能系统概括起来的特点是可充可放、可调度、可控制。

通过对双向逆变器工作状况的监控，并响应上位机控制命令，对储能逆变器实现充电、放电、调节输出功率等功能；通过储能系统的工作状态研究储能系统在新能源发电并网运行系统中的功能。

4.3 系统结构

2 组铅酸蓄电池和2 组胶体蓄电池均通过双向储能变换器接入母线系统，具体结构如图10 所示。

图10 电池储能系统结构

5 智能用电系统

智能用电实训室由智能用电监测与控制系统、用电模拟沙盘、智能用电设备组成。智能用电监测与控制系统对不同负荷状态下的用电模拟沙盘内各类负荷、智能用电设备的用电状态实时监测与分析，并通过与电网信息交互，智能优化用电控制策略。

智能用电策略演示系统依托坚强电网和现代管理理念，利用高级量测、高效控制、高速通信、智能模拟等技术，通过智能用电沙盘演示，展示了城市用电负荷预测、时段调度、负荷优先、削峰填谷等控制策略，满足学校智能电网的教学和科研需求，体现系统的互动化、智能化、科学化。

智能家居系统是充分利用先进的计算机、网络通信、综合布线等技术手段，将与家居生活相关的家用电器通过不同的互连方式进行通信及数据交换，实现家用电器之间的互联互通，并通过智能家居系统展示家用电器的网络化综合智能控制、管理、耗能分析等，满足对智能家居教学和科研需求。

上述5 个系统构成一个智能配电网，配电网可独立和并网运行，各种新能源电压接受智能配网的调度，此系统兼顾实验和培训2 种功能，其应用取得了较好的效果。

6 结语

随着新能源发电和智能配电网的迅速发展，含分布式新能源发电和智能用电的智能配电网将会成为今后常见的运行模式。在详细分析智能配电网物理模拟系统的基础上，研究了各子系统的运行特性、智能配网的保护及控制策略。对于研究智能配电网运行新模式及大电网安全稳定运行有着重要意义。