研旭智能微電網控制仿真平臺

　　公司簡介

　　南京研旭新能源科技有限公司由南京研旭電氣科技有限公司全資投資成立，主要專注于太陽能和風能等可再生能源電源產品以及相關機電節能產品的研發、生產、銷售、服務和投資，公司研發團隊實力雄厚，與國內多所知名大學和研究院有良好合作，公司生產的產品質量穩定，服務到位，具有性價比較高的優勢，產品與服務受到廣泛客戶的好評以及業界的稱贊。

　　公司自成立以來，已形成五大獨具優勢，具有超高性價比的產品系列，主要產品如下，光伏并網發電系統，光伏離網發電系統，風力發電并網系統，新能源實驗仿真平臺，新能源系統集成方案，推出的產品在多個實驗室以及工程中得到使用，獲得好評。在當前階段，研旭將精力主要集中于中小功率的新能源技術以及產品的推廣、應用、研發、生產，期待能將太陽能、風能這樣的可再生潔凈能源能以極高性價比為廣大民眾服務，為社會服務。

　　“激流勇進，合作共贏”，在新時代的浪潮中，研旭將是一個勇敢的、熱忱的、開放的弄潮兒，期冀著研旭能為各新老客戶帶來更好，性價比更高的新能源產品，也希望著研旭如那初升旭日，冉冉升起，不斷溫暖大家。

　　背景介紹

　　隨著光伏、風電等可再生能源發電技術的發展，分布式發電日漸成為滿足負荷增長需求、提高能源綜合利用效率、提高供電可靠性的一種有效途徑，并在配電網中得到廣泛的應用。但分布式發電的大規模滲透也產生了一些負面影響，如單機接入成本較高、控制復雜、對大系統的電壓和頻率存在沖擊等。這限制了分布式發電的運行方式，削弱了其優勢和潛能。微網技術為分布式發電技術及可再生能源發電技術的整合和利用提供了靈活、高效的平臺。

　　微電網系統被視為未來智能電網的最重要一環，可以有效地實現電網側電力能量的轉移，實現能量的削峰填谷。微網技術的應用是在傳統電力系統生產模式基礎上增加一個存儲電能的環節, 使得原來幾乎完全剛性的系統變得柔性起來，可以讓整個電網系統運行更加合理，在用電高峰期，微網系統可以為負載提供能量；在負荷低谷期，微網系統可以將電網中多余的能量存儲起來。另外，在智能電網系統中，許多分布式電源會硬性的將產生的電能輸送給電網，電網智能被動承受，因此分布式電源輸出的電能質量很大程度影響著電網系統。增加微網系統，可以有效的調節系統中的有功、無功，對電網中電能質量改善起到一個調節器的作用。

　　系統總體方案闡述

　　系統概述

　　微電網是一組微電源、負荷、儲能系統和控制裝置構成的小型電力系統。微電網把分布式電源、負荷、儲能設備及控制系統等結合起來，涉及電力系統發電、儲能、配電、用電、調度、通信六大專業領域。微電網具有廣闊的應用前景。其核心功能是大量接入風電、太陽能等分布式發電系統，是提高分布式電源滲透率的有效手段，還可以控制 PCC 點與公共電網的交換功率，為公共電網實現“ 負荷調度”提供重要技術手段。

　　微電網支持并網和孤網兩種運行模式。在并網工作模式下，一般與中、低壓配電網并網運行，互為支撐，實現能量的雙向交換。在外部電網故障情況下，可轉為孤網運行模式，繼續為微網內重要負荷供電，提高重要負荷的供電可靠性。通過采取先進的控制策略和控制手段，可保證微網高電能質量供電，也可以實現兩種運行模式的無縫切換。

　　系統功能與特點

　　可實現光伏、風電、蓄電池、超級電容、燃料電池、柴油機組、模擬負載、充電樁等多種一次側設備的互聯，各個設備都單獨可控，通過61850規約，實現四遙數據的控制。

　　可實現智能并離網（并網與孤島狀態）切換，既可以并網運行，也可以孤網運行，實現無縫切換，且多種運行模式相互自動或手動方式切換。各子系統可以獨立完成相關的實驗。

　　微電網系統與大電網并網點的功率大小及方向可調可控。可實現快速平滑光伏發電、風機發電、負荷變化等造成的功率波動。將接入微電網的負荷進行分級管理實時監測、顯示、記錄微網系統的工作狀態，具有本地監控和遠程監控兩種控制方式。

　　配備能源管理系統，具備能源管理和策略調度的功能；

　　配置專用保護裝置，在微電網內部故障、外部故障情況下，均保證其準確、快速動作，使系統安全運行。

　　開放相關接口,控制器軟、硬件可以根據項目具體情況進行配置、實施，以適應各種項目需求。用戶也可以通過遠程通信的方式，自主對項目運行參數進行配置、調節，便于用戶進行設備替換和設備老化調整。

　　開放光伏、風機系統、pcs系統等軟硬件資料，包括逆變器的板級硬件原理圖、pcb以及軟件底層驅動源代碼、算法源代碼等；

　　系統架構

　　研旭微電網系統由風電系統（直驅式和雙饋式）、光伏發電系統（實際光伏和模擬光伏）、儲能系統（蓄電池和超級電容）、微電網中央控制系統、可編程RLC三相負載，充電樁，配電與保護系統，上位機能源管理系統等個主要部分組成，系統的整體架構圖如下：

　　系統主要部件技術說明及特點介紹

　　光伏發電系統（開放式）

　　光伏發電系統部分主要包括：

　　光伏電池陣列模擬電源

　　光伏組件板

　　三相光伏逆變器

　　實驗例程和項目

　　光伏逆變器開源軟硬件資料

　　光伏三相逆變器

　　研旭光伏三相并網逆變器通過三相變壓器隔離升壓并網，實現光電池最大功率跟蹤控制和并網電流控制。原理框圖如下圖所示：

　　研旭光伏發電仿真平臺主要由IPM逆變功率單元、DSP主控單元、監控中心、電抗器、變壓器等幾部分組成。系統的核心為DSP主控單元，其主要功能是：

　　將直流電能轉為與主網電壓同頻同相的交流電能，并饋送給主網，同時會監測各類故障信息，實時保證正常工作；

　　根據反饋值跟蹤直流源（光伏組件或者光伏模擬源）的最大功率輸出（MPPT）；

　　將系統工作的所有信息上傳至監控中心

　　其他特性

　　并網逆變器使用三菱IPM，電流150A，耐壓1200V，母線使用500V電解電容

　　網側并網升壓三相變壓器額定容量5KVA，變比380/120，初級次級星形聯結方式

　　并網逆變器采用TI浮點DSP進行控制，使用一套研旭TMS320F28335的DSP控制板

　　采用一臺研旭YX—XDS510仿真器完成系統控制算法的調試

　　風力發電系統—直驅式永磁模擬系統（開放式）

　　直驅式風力發電系統主要包括：

　　三相異步電機、5kw三相永磁發電機、槽鋼底座

　　變頻器

　　風機背靠背整流逆變柜

　　實驗例程和項目

　　光伏逆變器開源軟硬件資料

　　研旭直驅式風力發電實驗平臺采用一臺變頻調速三相異步電機帶動一臺三相永磁同步發電機運行，異步電動機和同步發電機安裝在同一個底座上，使用聯軸器相連接，采用光絕對式電編碼器測量電機實時轉速，永磁同步發電機極數為8極，三相異步電機的控制采用變頻器控制轉速，用以模擬風速的變化，同時可以方便的通過計算機控制變頻器實現三相異步電機的轉速調節模擬風機出力。

　　發電機側變流器和電網側變流器采用IPM模塊構建，使用2單元的模塊進行設計（總共需要6組2單元模塊），IPM模塊的耐壓要在1200V，電流在75A左右。直流環節的電容要求450V電解電容兩只串聯以提高耐壓。

　　并網變壓器要求是三相變壓器，其容量要求大于發電機最大容量，容量在5KVA左右。

　　發電機側變流器和電網側變流器采用DSP進行控制，采用研旭TMS320F28335的DSP控制板和IPM電源板。

　　本實驗系統采用光電編碼器采集發電機的轉子位置和轉速，光電編碼器安裝于發電機后端輸出軸上；采用霍爾電壓電流傳感器采集直流側和電網側電壓和電流信號，傳感器量程根據系統容量進行選擇安裝。

　　采用研旭YX—XDS100v3 仿真器完成系統控制算法的調試。

　　風力發電系統—雙饋式模擬系統（開放式）

　　直驅式風力發電系統主要包括：

　　三相異步電機、5kw雙饋發電機、槽鋼底座

　　變頻器

　　雙饋風機變流器

　　實驗例程和項目

　　光伏逆變器開源軟硬件資料

　　研旭直驅式風力發電實驗平臺采用一臺變頻調速三相異步電機帶動一臺三相永磁同步發電機運行，異步電動機和同步發電機安裝在同一個底座上，使用聯軸器相連接，采用光絕對式電編碼器測量電機實時轉速，永磁同步發電機極數為8極，三相異步電機的控制采用變頻器控制轉速，用以模擬風速的變化，同時可以方便的通過計算機控制變頻器實現三相異步電機的轉速調節模擬風機出力。

　　發電機側變流器和電網側變流器采用IPM模塊構建，使用2單元的模塊進行設計（總共需要6組2單元模塊），IPM模塊的耐壓要在1200V，電流在75A左右。直流環節的電容要求450V電解電容兩只串聯以提高耐壓。

　　并網變壓器要求是三相變壓器，其容量要求大于發電機最大容量，容量在5KVA左右。

　　發電機側變流器和電網側變流器采用DSP進行控制，采用研旭TMS320F28335的DSP控制板和IPM電源板。

　　本實驗系統采用光電編碼器采集發電機的轉子位置和轉速，光電編碼器安裝于發電機后端輸出軸上；采用霍爾電壓電流傳感器采集直流側和電網側電壓和電流信號，傳感器量程根據系統容量進行選擇安裝。

　　采用研旭YX—XDS100v3 仿真器完成系統控制算法的調試。

　　可編程RLC負載系統

　　內置有精密RLC負載，是由連續可調電阻、電感、電容負載系統、電氣參數測試系統、自動控制系統、軟件分析編程系統組成。

　　可以模擬三相負載不平衡、負荷突加突卸、不同功率因素超前、滯后等各種電力工況。檢驗微網系統在各種復雜極端工況下的運行可靠性。

　　預先設置負荷運行的狀態及時間，可編程交流負載預先設定的根據負荷曲線自動加載運行，模擬預測的負荷曲線。

　　可以用于測量微網逆變器或微網并網點的防孤島效應保護功能。

　　在微網試驗平臺與能量管理系統程序研發試驗中，可以將本設備任意設定成一級負荷、二級負荷、三級負荷，通過軟件遠程控制功能實施可行性實驗。

　　內置有多通道的電氣參數采集模塊，能夠精確測量顯示三相RLC各個通道的電壓、電流、有功功率、無功功率等電氣參數。

　　內置的阻性負載、感性負載及容性負載最小標準功率為0.1kVA，步進幅度0.1kVA，負荷功率連續可調，可精確模擬交流諧振發生并滿足逆變器防孤島保護功能檢測需要。

　　三相阻性負載、感性負載、容性負載的功率，可以分相獨立控制及調節，滿足三相電壓不平衡條件下仍可精確調節出交流諧振點的要求。

　　主機采用電子電路控制，具有溫度過熱自動報警保護功能：由于特殊原因出現過熱、過流時，可自動切斷負載。

　　可以通過遠程PC機設置相應的功率，任意組合、設定加載RLC功率，即可遠程控制并調節RLC功率，將測量數據上傳到PC機并實現對檢測過程中測試數據的實時記錄存儲，并配合后臺分析軟件將測試數據導成excel格式的檢測報告。

　　儲能系統

　　儲能系統主要功能是具有穩定控制功能的雙向變流器，是整個微電網系統中的關鍵設備，在微電網孤網運行時，該設備作為微電網系統的標準源，保證微電網在孤網運行和模式切換過程中的系統穩定性。儲能系統部分主要包括：

　　儲能雙向功率變流器

　　鉛酸儲能電池

　　電池管理系統（BMS）

　　智能并離網切換控制器

　　實驗例程和項目

　　儲能系統組成框架

　　儲能逆變器系統采用20kW雙向變流器變流器，配備12V/50Ah鉛酸電池單元40節，系統電池側直流電壓為480V，電池組的標稱容量為10kWh。儲能電池系統的拓架構如下：

　　儲能系統特點

　　正常運行狀態下的功率跟蹤

　　實現微電網正常運行狀態下的功率跟蹤， 實現電池的充放電管理及指定的微電網與主網的功率交換。

　　孤島運行方式下的標準源

　　微電網由并網轉為孤島運行方式下，支撐系統能夠提供參考電壓和頻率，實現各電源間的功率平衡分配，保證孤島系統的穩定運行，提供抗短時沖擊能力，平滑供電，儲能，消峰填谷。支持不間斷并網到孤網模式轉換。

　　同期并網

　　微電網由孤網轉為并網時，支撐單元能夠跟蹤主網電壓與頻率，帶動微電網系統無縫并入主電網

　　能產生無功功率，實現無功補償。

　　可以工作在并網逆變運行模式，亦可工作在儲能充電工作模式，能夠根據微電網控制系統的指令輸出有功和無功功率；

　　當公共電網恢復正常時且接到孤網轉并網指令后，自身完成由孤網運行模式向并網運行模式的轉換，轉換過程造成的脫網時間≤20ms；當公共電網掉電或者異常時，自動切換至孤網運行模式，完成由并網運行模式向孤網運行模式的轉換，該模式轉換時間≤20ms；

　　工作模式可以通過有線通信、面板操作等方式設定正常運行模式，切換時間不大于20ms；

　　能夠與電池管理系統協同工作完成對電池的充放電管理功能。

　　具有大尺寸液晶屏幕，可以通過面板上的按鍵，查詢顯示微電網智能穩定控制器工作情況、設定工作狀態等；

　　具有RS485、CAN 以及以太網通訊接口；

　　具有完善的保護功能：電壓保護、電流保護、電池保護、通訊故障保護等；

　　具有告警功能：出現故障時，能通過指示燈、接點信號、通訊方式輸出告警信號；

　　微電網中央控制系統

　　微電網中央控制系統，通過對微電網系統進行高速數據采集，收集全網電氣參數， 對全網運行狀態進行采集和監視， 并在此基礎上進行邏輯運算，得出控制策略對微電網進行實施調節控制，實現微電網電源、儲能、負荷的實時動態調節功能，保證微電網安全、穩定運行。微電網中央控制系統主要包括：

　　微電網中央集中控制器（含通訊處理機）

　　系統策略軟件

　　實驗例程和項目

　　系統特點

　　數據采集

　　中央控制器的測控模塊，可實現對微電網系統進線、分布式電源、儲能、負荷、母線等各回路電氣量及開關位置等信號量的采集，并將采集數據通過高速網絡快速傳送到中央控制器的主控單元。

　　控制操作

　　通過中央控制器的測控模塊，可實現對微電網各回路開關及設備的控制操作，實現微電網系統運行狀態的調節。

　　分布式電源調節

　　中央控制器可以通過通信接口實現對微電網系統的分布式電源進行調節，根據需要控制各電源有功、無功出力。

　　儲能單元調節

　　中央控制器可以通過通信接口控制儲能系統的充放電功率， 從而滿足微電網運行方式的需要。

　　微電網運行模式實時控制

　　中央控制器的主控單元，可以根據調度指令、系統自動、手動進行微電網運行模式的控制。

　　中央控制器內置微電網并網運行、孤網運行、并網轉孤網、孤網轉并網、全網停電等多種控制模式。根據不同的運行工況和控制目標實現微電網的實時控制，保證微電網系統的安全、穩定運行。

　　通信功能

　　中央控制器可以與微電網系統的各個智能控制單元進行通信， 通過通信實現對各控制單元的控制和調節。

　　同時中央控制器還可以通過通信接口與微電網監控系統進行通信， 接受監控系統的統一調度。

　　高速采集

　　中央控制器配置高速全電量采集模塊，并能夠高速傳輸，滿足系統實時性要求。

　　實時模式控制

　　通過高速采集，快速控制，實現對微電網運行狀態的實時調節與控制。

　　新型高速實時工業以太網

　　中央控制器采用新型高速實時工業以太網，實現采集數據的高速傳輸，從而滿足對微電網系統實時控制的要求。

　　專業的邏輯控制軟件包

　　中央控制器配置專業的邏輯控制軟件包， 實現對微電網系統的實時模式控制、電源與負荷的實時動態調節。

　　微電網配電與保護系統

　　微電網保護裝置是專門為微電網穩定運行設計的保護裝置，具有孤網、并網保護模式（可根據系統指令自動實時切換）。

　　微電網繼電保護裝置對微電網系統的發電、用電、儲能設備提供必要的保護，接受微電網控制系統的統一控制以保證微電網的穩定、可靠運行。是電網控制系統的關鍵設備。

　　系統特點

　　孤網、并網模式轉換功能

　　當微電網 PCC 智能快速開關處于分閘位置時，微電網與外界大電網斷開，本裝置接收到孤網模式信號，工作在孤網模式。

　　當微電網 PCC 智能快速開關處于合閘位置時，微電網與外界大電網連接，本裝置工作在并網模式，同微電網控制系統配合，監控設備的運行狀態，保證系統的穩定運行。

　　記錄功能

　　可記錄 35 條事件信息。

　　通信功能

　　提供 RS485/232、以太網通信接口及多種標準通信規約。

　　微電網能源與管理系統

　　微電網能源管理系統是微網系統的神經中樞和能量管理中心，系統利用物聯網技術構建傳感測控網絡，對智能微網各種類設備運行、環境狀態及人員管理進行綜合的信息感知，監控BMS和PCS的運行信息，集成微網系統發電和儲能監控、供電監控、計費管理等功能。同時接收電網調度中心下發的調度指令，并根據當前電池組和微網逆變器的運行信息合理的分配調度指令。

　　智能微網管理系統具備“智能感知、智能處理、智能判斷”的特點，可以實現微網系統的智能化管理，實現智能運行管理，確保安全、可靠、經濟運行。

　　系統框圖

　　微電網能源管理系統覆蓋微網發電、儲能、能量轉換、供配電及整體調度的各個環節，實現對微網全方位的監測監控管理，保障微網各環節安全可靠運行，其具體涉及的業務范圍如下圖所示：

　　圖5 智能微網管理系統業務范圍框圖

　　研旭微電網監控系統是整個微電網軟件系統的基礎平臺，通過對各回路智能設備的數據采集，實現對微電網系統運行狀態的監視與控制。

　　一次能源設備選配

　　超級電容系統 （選配）

　　系統目前有的鉛酸電池組可能只能應對長期穩定型負載，在現有系統中增加超級電容儲能部分可以快速應對沖擊性負載。超級電容器是介于電解電容和可充電電池之間的一種能量存儲器件。本方案選用的L超級電容的高功率、高能量及長期的高可靠性，使產品在后備電源單元，輔助動力單元、瞬間功率補償、峰值功率補償、以及能量存儲等領域具有廣泛的應用。

　　主要性能特點有：

　　低內阻

　　對單個電容的電壓均衡和過壓保護

　　對高電壓模塊的積木化設計

　　有效的散熱性能

　　壓力/濕度控制

　　工作溫度寬（可在-45℃到+65℃范圍內使用）

　　柴油機組系統 （選配）

　　由于柴油比較貴而且屬于一次性消耗品，所以用戶一般不希望柴油發電機長時間使用，所以更多的是把它作為備用電源使用。但是在使用柴油發電機的時候，又希望用戶的用電盡量不要中斷，同時在柴油發電機發電的時候，其他太陽能、風能甚至是儲能系統也能一起投入運行。

　　所以我們對柴油發電機及其控制柜（數顯模式+并機柜）進行如下的功能設計：

　　柴油發電系統有自動并網運行功能：即在不中斷原有電網的基礎上，柴油發電系統能自動跟蹤原有電網電壓的相位，自動并網運行而不造成電網供電中斷。并且，在并網運行后，其發電電壓的幅值和相位要和原有電網保持一致。

　　控制柜具備RS232通訊接口，可以接受外部調度指令。

　　主要構成

　　發動機

　　滿足環境溫度 50OC 水箱散熱器，皮帶驅動

　　冷卻風扇，帶風扇安全護罩

　　充電發電機

　　發電機:單軸承發電機，IP23 防護等級，H級絕緣減震器

　　干式空氣過濾器、燃油過濾器、機油過濾器

　　發電輸出斷路器

　　標準控制屏

　　啟動電瓶及電瓶連接電纜啟動電瓶及連接線一套

　　排煙彎管、波紋減震管、法蘭、消音器一套。

　　直流/交流充電樁 （選配）

　　充電樁是電動力車的電站，其功能類似于加油站里面的加油機。每個充電樁都裝有充電插頭，充電樁可以根據不同的電壓等級，為各種型號的電動車充電。電動汽車充電樁采用的是交、直流供電方式，需要特制的充電卡刷卡使用，充電樁顯示屏能顯示充電量、費用、充電時間等數據。

　　充電樁根據客戶需要可以分為直流充電和交流充電，功率也可根據需求定制。

　　主要特點

　　采用分體式結構，主要由整流柜、充電樁、以及整流柜和充電樁之間的連接電纜、充電樁和電動汽車之間的連接電纜及充電連接器等部分組成。整流柜由整流模塊和充電主控制系統組成，由充電樁完成與用戶之間的人機交互功能，并實現對電動車充電的管理、計費和相應的電池狀態檢測等功能

　　具備通過網絡與BMS通信的功能，用于判斷電池類型，獲得動力電池系統參數、充電前和充電過程中動力電池的狀態參數;與充電站后臺監控系統通信，上傳充電機和動力電池的工作狀態、工作參數、故障報警等信息，并接受監控系統的控制命令，執行遙控動作

　　能夠判斷充電連接器、充電電纜是否正確連接。當充電連接器與電動汽車蓄電池系統正確連接后，充電機才允許啟動充電過程;當充電機檢測到與電動汽車蓄電池系統的連接不正常時，能立即停止充電，并發出報警信息

　　能夠為電動汽車提供低壓輔助電源，用于在充電過程中為電動汽車BMS供電

　　具有高效、高可靠、便于維護、靈活擴容、節能環保等優點

　　采用數字化均流技術，均流性能穩定，脫離管理模塊也能穩定工作并自主均流

　　采用模塊化架構，可適應10～200KW的不同功率需求

　　動態優化的功率模塊管理,適應在各種功率輸出狀態下的最大效率輸出

　　具有輸出電壓、電流調節范圍寬的特點，滿足不同類型蓄電池組端電壓的充電要求

　　具有電源過溫、輸入側過壓、欠壓、輸出側過流、過壓保護等安全防護功能

　　整流模塊采用ARM作為控制核心，具有很高的靈活性和一致性

　　采用非晶高頻變壓器，體積小，功率密度高

　　采用英飛凌第四代IGBT配套CONCEPT公司最新的驅動，穩定性高

　　具備寬電壓輸入范圍，以及寬工作溫度范圍

　　友好的人機界面，動態顯示電壓、電流以及故障信息

　　具有輸入側過/欠壓保護、輸出側過壓保護、欠壓告警、過流及短路保護、過溫保護等功能。

　　工業專用不間斷電源（選配）

　　是一種先進的工業級超隔離在線式正弦波不間斷供電系統，它可以為您的精密設備提供可靠、優質、純凈的交流電源。它有著極其廣泛的適用范圍，從電腦設備、電力、通訊系統到工業自動化設備都可以使用；由于超隔離設計，不僅可以解決低品質交流電源所造成的問題、有效消除漏地電流影響，為負載和UPS裝置提供完善的保護，而且可以更好地降低整流和逆變所造成的諧波，防止對電網形成污染，使重要負載與電網輔助系統產生的瞬變干擾隔離。

　　在線式工業級設計，保證系統具備極高的可靠性、穩定性、安全性。     (2) 采用SPWM正弦波控制，輸出純凈的正弦波。     (3) 采用CPU智能控制，人機界面友好，可實現遠程監控。     (4) 液晶顯示和LED指示，能夠顯示設備工作參數，指示設備工作運行狀態。 (5) 可查看歷史記錄，為產品維護和維修提供依據。 (6) 具備直流冷啟動功能。

　　超寬的交流輸入電壓范圍，能適用于電源電壓不穩定地區。

　　本產品輕巧美觀、安裝容易、維護便利、操作簡單、噪音低、無污染。內置大電流充電器，只要市電正常，并送入UPS，不開機即可自動對電池充電。（電力專用機型不帶充電）