宋關(guān)羽，袁 浩，王智穎，李 鵬，許兆峰，李 輝

（1.智能電網(wǎng)教育部重點實驗室（天津大學(xué)），天津 300072；2.清華大學(xué) 動力工程及工程熱物理國家級實驗教學(xué)示范中心，北京 100084）

微電網(wǎng)是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負荷和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以孤島運行[1-3]。作為實現(xiàn)分布式電源接入與管理的最有效平臺，微電網(wǎng)在提高配電層面可再生能源消納能力，提升配電系統(tǒng)運行可靠性、安全性、經(jīng)濟性等方面均發(fā)揮著重要作用，具有巨大的社會與經(jīng)濟意義，近年來在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域掀起了研究和建設(shè)熱潮[4-7]。

在微電網(wǎng)領(lǐng)域，多所高校均開設(shè)了相關(guān)課程，如新能源與智能電網(wǎng)、分布式發(fā)電與微電網(wǎng)等。風(fēng)/光/儲微電網(wǎng)實驗平臺的建設(shè)將對相關(guān)課程形成良好支撐，有助于學(xué)生接觸前沿技術(shù)，了解國內(nèi)外先進技術(shù)發(fā)展方向，初步掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方法、組成結(jié)構(gòu)及運行方式，從而加深對課堂所學(xué)知識的理解與認知[8-10]。同時，在微電網(wǎng)平臺設(shè)計與實現(xiàn)過程中，學(xué)生將綜合運用本科階段所學(xué)知識，全面提升實踐操作能力，從而進一步提高綜合素質(zhì)[11-13]。

1 實驗平臺設(shè)計

1.1 模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

本實驗平臺采用永磁同步電動機模擬原動機帶動發(fā)電機運行，如圖1 所示。通過調(diào)節(jié)變頻器的設(shè)置頻率改變轉(zhuǎn)矩，使同步電動機可以運行在不同的轉(zhuǎn)速下。當風(fēng)機的運行頻率與電網(wǎng)的頻率相近時，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁，使其發(fā)出的電壓與電網(wǎng)電壓幅值相近，之后若相序正確，則可以利用同期表手動并網(wǎng)，使風(fēng)機發(fā)出的電供給電網(wǎng)側(cè)。調(diào)節(jié)電動機的頻率來改變轉(zhuǎn)矩，可以調(diào)節(jié)輸入電網(wǎng)的有功功率；改變發(fā)電機的勵磁，可以調(diào)節(jié)輸入電網(wǎng)的無功功率。

圖1 模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本實驗平臺采用FR-E700 系列通用變頻器，選取先進磁通矢量控制方法和外部運行模式控制交流電動機，實現(xiàn)電壓補償，使電機電流與負載轉(zhuǎn)矩相匹配，從而提高低速轉(zhuǎn)矩；同時實現(xiàn)頻率補償，使電機實際轉(zhuǎn)速與速度指令值接近，維持交流電動機在負載變動較為劇烈的情況下穩(wěn)定運行。變頻器的控制指令由可編程控制器（programmable logic controller，PLC）給出，通過連續(xù)調(diào)節(jié)頻率，模擬不同風(fēng)速條件下風(fēng)機的運行狀態(tài)。

1.2 光儲系統(tǒng)設(shè)計

本實驗平臺采用的光儲系統(tǒng)由光伏電池板、光伏控制器和蓄電池構(gòu)成。實際太陽光由LED 燈光進行模擬，光源可在導(dǎo)軌上移動。光源和光伏電池板分別由一個伺服電機拖動，改變各自的位置。

本實驗平臺的伺服電機是MELSERVO-J3 系列電機（以下簡稱MR-J3）。MR-J3 支持位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、位置/速度切換控制、位置/轉(zhuǎn)矩切換控制等多種控制模式。借助USB 和RS-422 串行接口，可實現(xiàn)計算機對伺服放大器參數(shù)的設(shè)定、試運行、狀態(tài)監(jiān)控和增益調(diào)整等。MR-J3 系列伺服電機采用了分辨率為262 144 脈沖/轉(zhuǎn)的絕對位置編碼器，可進行高精度控制。本系統(tǒng)采用MR-J3 速度控制，通過外部模擬速度指令或參數(shù)設(shè)置的內(nèi)部速度指令，可以對伺服電機的速度和方向進行高精度平穩(wěn)控制。

光源和光伏電池板的定位采用三菱 PLC 中的QD75 定位模塊，具體接線如圖2 所示。QD75 可以支持任何定位系統(tǒng)所需的各種定位控制，如定義任意位置、固定位置控制等。

圖2 光伏跟蹤系統(tǒng)接線圖

光源選擇QD75 專用指令完成原點回歸，依據(jù)所設(shè)置的控制參數(shù)和定位數(shù)據(jù)，輸出指定頻率脈沖至伺服控制裝置。光源移動按照運動控制CPU 指令進行；光伏電池板依據(jù)光照傳感器信號進行光照跟蹤轉(zhuǎn)動，以獲得最佳的照射角度，從而提高光伏出力。光伏電池板的隨動過程同樣采用QD75 型定位模塊，并借助A/D 轉(zhuǎn)換模塊，對光照信號采集和處理轉(zhuǎn)換，通過一系列運算形成輸出脈沖，給入伺服放大器。光源的移動必然會使得光照傳感器在一段較短時間接收到的信號出現(xiàn)差別，系統(tǒng)對信號差值進行放大，以脈沖輸出的形式給入伺服放大器，從而驅(qū)動光伏電池板實現(xiàn)光源跟蹤。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

本實驗平臺數(shù)據(jù)借助EMM800B 型數(shù)字式功率表采集聯(lián)絡(luò)線、模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光儲系統(tǒng)的電氣信息，包括有功/無功功率、相/線電壓、相/線電流、功率因數(shù)、諧波分量等，并借助QJ71C24N 模塊與人機界面通信，該模塊通過RS485 總線將所需數(shù)據(jù)讀取至PLC 中，同時在人機界面中實時顯示。

1.4 平臺架構(gòu)設(shè)計

本實驗平臺的運行過程主要分為外界指令輸入、光伏跟蹤、模擬風(fēng)機并網(wǎng)、實時狀態(tài)顯示四個部分，平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。系統(tǒng)與外部的交互通過人機界面與PLC 之間的通信進行。在人機界面中設(shè)計登錄過程，通過設(shè)置管理員、操作員權(quán)限對人機界面的不同功能進行加密，方便管理人員、操作人員使用和技術(shù)人員維護[14-16]。

圖3 微電網(wǎng)平臺結(jié)構(gòu)示意圖

微電網(wǎng)平臺所選取的設(shè)備型號及容量參數(shù)如表1所示，實物見圖4。

表1 系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

圖4 微電網(wǎng)系統(tǒng)實物圖

針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)置變頻器頻率輸入、正反轉(zhuǎn)以及急停按鈕，實現(xiàn)操作人員對于交流電動機的啟停及轉(zhuǎn)速控制。操作人員還可以使用多功能功率表對風(fēng)機運行狀態(tài)進行實時檢測。在人機界面手動輸入不同頻率值，可完成對模擬風(fēng)機的不同轉(zhuǎn)速控制。

針對光伏跟蹤系統(tǒng)，利用對應(yīng)開關(guān)量觸發(fā)連接機器PLC 中的電機起動和停止信號，設(shè)置電機起動和停止按鈕。同時可通過觸摸屏控制光源的不同運行速度，使得操作人員可以通過人機界面完成對電機基本參數(shù)的設(shè)置。

此外，在觸摸屏上設(shè)置運行狀態(tài)界面，完成對系統(tǒng)PLC 的控制狀態(tài)、電機轉(zhuǎn)動參數(shù)、系統(tǒng)運行參數(shù)的同步監(jiān)視。當系統(tǒng)運行達到預(yù)計天數(shù)時，人機界面會顯示報警，方便操作人員進行檢修。利用光照傳感器測量光照信號，再通過A/D 轉(zhuǎn)換模塊和CPU 處理采集回來的信號，實現(xiàn)對于光源位置及運動信息的測量。

2 實驗設(shè)計

2.1 模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)實驗

本實驗平臺采用準確同步法實現(xiàn)模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)。準確同步法是將發(fā)電機調(diào)整到完全符合并網(wǎng)條件后進行合閘并網(wǎng)操作，并采用同期表來判斷條件的滿足情況，具體步驟如下：

（1）將要投入并聯(lián)運行的發(fā)電機拖動到接近同步轉(zhuǎn)速，利用相序表測量相序，并作出相應(yīng)調(diào)整，保證二者相序一致；

（2）投入勵磁并調(diào)節(jié)至機端電壓與電網(wǎng)電壓相等，投入同期表，觀測S 指針順時針旋轉(zhuǎn)；

（3）當指針指向12 點方向時，迅速按下并網(wǎng)開關(guān)，交流接觸器主觸點吸合，完成并網(wǎng)操作。

并網(wǎng)時，為了避免發(fā)生電磁沖擊和機械沖擊，要求發(fā)電機側(cè)各相電壓的瞬時值與電網(wǎng)側(cè)對應(yīng)相電壓的瞬時值完全一致，包括波形、頻率、幅值、相位和相序等。若波形不同，例如一個是正弦波，另一個是非正弦波，則并聯(lián)后會產(chǎn)生一系列高次諧波環(huán)流，從而增加損耗和溫升，降低效率；若頻率不等，則會產(chǎn)生差頻電流，在發(fā)電機內(nèi)部引起功率振蕩；若幅值或相位不等，則會在電機與電網(wǎng)間產(chǎn)生環(huán)流，特別是若在極性相反時合閘，會產(chǎn)生巨大沖擊電流，從而產(chǎn)生巨大電磁力，損壞定子繞組端部，甚至損壞轉(zhuǎn)軸；若相序不同，合閘也是絕對不允許的，例如只A 相符合，則B、C 兩相之間的巨大電位差會產(chǎn)生巨大環(huán)流和機械沖擊，嚴重危害電機安全。波形和相序分別由電機的設(shè)計制造和安裝接線予以保證，因此并網(wǎng)時保證頻率、幅值、相位滿足條件即可。

2.2 光伏跟蹤系統(tǒng)實驗

光伏跟蹤系統(tǒng)實驗主要是為考查學(xué)生對光照信號的處理以及光伏跟蹤控制方式的掌握情況而設(shè)計的。采集的光照模擬信號在傳輸以及A/D 轉(zhuǎn)換的過程中，會受到外部環(huán)境的干擾，從而產(chǎn)生高頻噪聲、漂移等信號失真問題，采用軟件數(shù)字濾波可以有效地提高采樣信號的信噪比，從而提高采樣信號的可靠性和實時仿真的準確性，同時還具有速度快、精度高、成本低等優(yōu)點。本實驗平臺采用有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波法，同時也支持學(xué)生開展多種濾波算法的測試與實踐。光伏跟蹤控制主要依據(jù)光源位置和光照強度變化共同判斷，學(xué)生可根據(jù)實驗情況靈活設(shè)計判別邏輯，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)跟蹤。

3 教學(xué)特色與成果

3.1 教學(xué)特色

風(fēng)/光/儲微電網(wǎng)實驗平臺主要用于高年級本科生了解微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及組成，掌握微電網(wǎng)并網(wǎng)運行方式，增強對微電網(wǎng)系統(tǒng)的直觀認知。實驗內(nèi)容依托“分布式能源與微電網(wǎng)”創(chuàng)新課，儀器設(shè)備常年開放，可供本科生靈活選擇時間進入實驗室開展相關(guān)實驗。同時依托智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，可使學(xué)生進一步了解真實光伏、風(fēng)電系統(tǒng)的運行狀況，從而提高實踐能力。

3.2 教學(xué)成果

實驗平臺已用于多門本科生課程的認識、實踐環(huán)節(jié)，并為部分研究生提供科研服務(wù)，提高了不同層次學(xué)生的動手能力和實驗開發(fā)水平，其真實、具體、形象的特點得到師生歡迎。

4 結(jié)語

風(fēng)/光/儲微電網(wǎng)實驗平臺集成了風(fēng)、光等分布式電源及儲能系統(tǒng)，設(shè)計并實現(xiàn)了模擬風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)實驗和光伏跟蹤實驗，綜合考慮了分布式發(fā)電、微電網(wǎng)方向多門核心課程的實驗內(nèi)容，充分發(fā)掘了現(xiàn)有實驗資源，增強了學(xué)生的動手實踐能力，提升了學(xué)生對設(shè)計、實施實驗的興趣。實驗平臺與理論教學(xué)相輔相成，有利于建設(shè)綜合性、研究型、開放式的專業(yè)教學(xué)體系，切實增強學(xué)生的實踐能力和綜合素質(zhì)，為培養(yǎng)綜合型的“卓越電氣工程師”打下良好的基礎(chǔ)。