分布式发电与智能微电网虚拟仿真实验

一、实验目的

通过模拟海岛微电网的虚拟仿真实验，学习掌握不同类型微电网规划设计原则与方法，学习微电网稳态运行原理与能量管理方法，学习微电网暂态分析原理与控制器参数设计方法，了解微电网动态特性和微电网运行模式切换方法，培养学生运用理论知识解决实际问题的能力，提高学生在微电网工程技术领域的综合分析能力与创新能力。

二、实验原理

微电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量，集成了分布式电源、储能、能量转换、负荷、监控和保护装置灯，具有完整的发电、配电和用电功能。采用的分布式发电具有污染少，电能质量搞，能源利用效率高以及安装地点灵活等优点。同时它与大电网互为备用也使供电可靠性得以改善。虽然分布式发电具有以上优点，但也有运行成本高，相对于大电网随机不可控源等缺点，在实际系统中也具有一定危险性。为了加深对微电网的理解，培养和提高综合创新能力，因此采取仿真实验。

本实验项目立足于海岛微电网示范工程，应用数字化、信息化、多媒体等先进技术，针对传统实验教学中无法或难以开展的实验，采用分布式发电与智能微电网多时间尺度仿真分析模型及算法，再现微电网规划设计、能量管理、运行控制全过程，多种教学方法相融合，使学生通过虚拟仿真实验的操作与学习，掌握分布式发电、微电网技术基本原理，并通过综合拓展实验，学生自主参与设计，全面培养学生的创新思维能力。分布式发电与智能微电网虚拟仿真实验（海岛微电网）如图2.1所示。

图2.1 分布式发电与智能微电网虚拟仿真实验（海岛微电网）

三、实验步骤及过程

1.微电网规划设计

(1)安装光伏板，实现光伏发电。点击下面的光伏按钮，检测到待安装光伏板的位置，进入对应位置后，将光伏板拖至屋顶实现安装。如图1所示：

图1 光伏板安装与光伏发电布局图

（2）安装风机，实现风力发电。点击页面下方的风机按钮，进入到风机安装界面，把右侧的风机拖动到相应的位置实现风机的安装。如图2所示:

图2 风机安装图

（3）进行储能装置的配置。点击页面下方的储能按钮，进入到储能装置配置页面，将电池拖放至待安装位置实现储能设备安装。如图3所示：

图3 储能设备安装图

（4）配置柴发，作为分布式电源。点击柴发进入到柴发配置页面，将柴油发电机拖至待安装位置实现柴发安装。如图4所示：

图4 柴发配置页面

（5）返回到规划设计页面，点击左侧的年度负荷和投资成本，即可看到微电网规划设计后的年度负荷统计以及投资运营成本。界面如图5所示：

图5 年度负荷和投资成本

（6）设计完成后，点击进入漫游模式，可以认知微电网组成、结构及装备特点。可以看到配置好的光伏，风电，储能，柴发，以及逆变器室和控制室，如图6所示：

图6 逆变器室和控制室

2.微电网能量管理

点击综合控制屏进入能量管理，在页面左侧选择不同的光照强度，风速，负荷场景，生成微电网能量管理策略，比较不同场景下光伏，风机，储能，柴发的运行策略。微电网能量管理界面如图7所示：

图7 微电网能量管理界面

3.微电网参数设计

点击综合控制屏进入微电网参数设计界面，选择光伏，风机，储能控制方法，更换不同的控制参数，比较不同装备的运行出力情况和控制策略异同。微电网参数设计界面如图8所示：

图8 微电网参数设计界面

4.微电网基础实验

一共三个实验模块：风机扰动实验、储能充放电实验、光伏扰动实验，通过改变温度，光照强度，风速，负荷等外界条件，认知分布式电源和储能的动态响应特性。实验界面如图9所示：

图9 基础实验界面

四、实验结果及分析

1.微电网规划设计（配置了光伏发电，风力发电，储能设备，柴发）后的年度负荷统计以及投资运营成本分析：

由图5，从负荷情况来看，在夏季（6，7，8，9月份）海岛微电网的负荷量在全年中偏高，在冬季（1，2，11，12月份）海岛微电网的负荷量在全年中偏低，原因是用户夏季用电量大，冬季用电量小；从投资成本来看，安装10组20KW的光伏发电，5台20KW的风机，10组20KWh的储能设备，3台200KW的柴油发电机共需要成本340万元。

2.微电网不同能量管理策略下的光伏、风电、储能、柴发运行策略分析

（1）能量管理策略：晴天、风大、负荷小，如图10所示：

图10 能量管理策略为晴天，风大，负荷小

图11 相应的运行策略

从图中可以看出，在能量管理策略为晴天、风大、负荷小的情况下，光伏发电和风机发电功率较大，由于发电量多，负荷消耗少，所以储能较多，柴发作为调节控制的分布式电源，这种情况下所占比例较小。

（2）能量管理策略：阴天、风小、负荷大，如图12所示：

图12 能量管理策略为阴天、风小、负荷大

图13 相应的运行策略

从图中可以看出，在能量管理策略为阴天、风小、负荷大的情况下，光伏发电和风机发电功率较小，由于发电量少，负荷消耗多，所以储能几乎没有，还出现了小于零（消耗储能）的情况，在这种光伏和风电（新能源）供电不足的情况下，为了保证正常供电，柴发所占比重较大。

3.微电网不同控制参数下所对应不同装备的运行出力情况分析

（1）控制策略：光伏和风机：最大功率追踪控制（MPPT），储能：恒功率P-Q控制，此时策略有效，如图14所示：

图14 控制策略

（2）控制参数配置：柴发、风机控制参数为1，光伏控制参数为350V，储能控制参数为60KW时候不同装备的运行出力情况，如图15所示，此时光伏有功功率为120KW,风机有功功率为70KW，储能有功功率为75KW，柴发有功功率为150KW。

图15

（3）控制参数配置：柴发控制参数为0.95，光伏控制参数为300V，风机控制参数为3.0，储能控制参数为80KW时候不同装备的运行出力情况，如图16所示，此时光伏有功功率为100KW,风机有功功率为80KW，储能有功功率为85KW，柴发有功功率为150KW。

图16

（4）控制参数配置：柴发控制参数为1.05，光伏控制参数为400V，风机控制参数为8.0，储能控制参数为100KW时候不同装备的运行出力情况，如图17所示，此时光伏有功功率为80KW,风机有功功率为55KW，储能有功功率为100KW，柴发有功功率为150KW。

图17

通过对比发现，光伏控制参数为350V时，光伏有功功率最大；风机控制参数为3.0时，风机有功功率最大；储能控制参数为100KW时，储能有功功率最大；柴发有功功率始终为150KW。

4.微电网基础实验结果分析

（1）风机扰动实验：风速分别为6，7，8，9，10m/s时的风机转速-功率运行曲线如图18所示。从图中可以看出，风速越大，风机可以达到的最大转速越大，风机发电功率也越大。

图18

（2）光伏扰动实验：首先是恒温控制，恒定温度为25℃，光照强度分别为800，900，1000W/㎡时的光伏I-V曲线和光伏P-V曲线如图19所示；然后是恒定光强控制，光照强度为1000W/㎡，光照温度分别为26.8℃、46.8℃、66.8℃时的光伏I-V曲线和光伏P-V曲线如图20所示。

图19 恒温控制的光伏扰动

从图19中可以看出，在恒定温度下，光照强度越强，相同电压下的光伏电流越大，发电功率也越大。

图20 恒定光强下的光伏扰动

从图20中可以看出，恒定光强下，在320V电压之前，不同温度的光伏电流和光伏发电功率相同，说明温度对光伏发电的影响较光照强度小。

（3）储能充放电实验：首先是恒定光伏功率，光伏功率为5KW，负荷功率分别为4KW,6KW,7KW,8KW时的光伏有功功率-时间曲线、负荷-时间曲线、电池有功功率-时间曲线、SOC-时间曲线如图21所示；然后是恒定负荷功率，负荷功率为6KW，光伏功率分别为2KW、4KW、8KW、10KW时的光伏有功功率-时间曲线、负荷-时间曲线、电池有功功率-时间曲线、SOC-时间曲线如图22所示。

图21 恒定光伏功率下的动态响应曲线

由图21可以看出，恒定光伏功率的情况下，光伏有功功率-时间曲线保持不变，负荷功率越大，电池有功功率也越大，负荷功率为4KW时，SOC随时间增长，负荷功率为6KW、7KW、8KW时，SOC随时间下降。

图22 恒定负荷功率下的动态响应曲线

由图22可以看出，恒定负荷功率的情况下，负荷-时间曲线保持不变，光伏功率越大，电池有功功率越小，光伏功率为2KW和4KW时，SOC随时间下降，光伏功率为8KW、10KW时，SOC随时间增长。

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