混合微電網(wǎng)快速控制原型與能量管理系統(tǒng)平臺(tái)

混合微電網(wǎng)快速控制原型與能量管理系統(tǒng)平臺(tái)不僅兼容計(jì)算功能強(qiáng)大的Matlab軟件系統(tǒng)，還可與已有的功率放大器聯(lián)合，形成虛實(shí)結(jié)合、控制靈活、國(guó)際一流的交直流模擬微電網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持設(shè)計(jì)型、研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)，將全面向控制理論與工程、電氣工程、電力電子與電力傳動(dòng)等專業(yè)的本科生、研究生開(kāi)放，此設(shè)備可做原型驗(yàn)證與開(kāi)發(fā)工作。平臺(tái)設(shè)備主要包括快速控制原型RCP和混合微電網(wǎng)能量管理與硬件在環(huán)，由硬件實(shí)時(shí)模塊和軟件模塊組成，該平臺(tái)系統(tǒng)既具有快速控制原型功能，可與功率放大器主電路接口并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，又具有硬件在環(huán)(HILL)功能，建立Matlab微電網(wǎng)模型實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)行控制。

★FPGA芯片：性能不低于 Kintex-7 160T @Xilinx，F(xiàn)PGA核心數(shù)量≥3★快速下載驗(yàn)證控制算法，基于圖形化編程，支持第三方仿真軟件模型編譯后生成文件的下載與運(yùn)行（Simulink）；支持LabVIEW控制代碼下載；一鍵編譯下載?！颋PGA開(kāi)放可修改，用戶可根據(jù)具體的要求在FPGA上自定義開(kāi)發(fā)，并負(fù)責(zé)技術(shù)培訓(xùn)?！锖诵腇PGA芯片性能不低于：@Xilinx Kintex-7 325T FPGA≥1個(gè)；★直接支持SimPowerSystems電路模型(*.slx文件) 且無(wú)需任何的編程或編譯；★支持控制算法（50-200us）和主電路模型(0.25-1.5us)在不同仿真步長(zhǎng)下做自閉環(huán)仿真?！镏С蛛娏﹄娮油?fù)渑c電機(jī)模型在FPGA上實(shí)時(shí)運(yùn)行，仿真步長(zhǎng)0.25~1.25μs，支持最大仿真規(guī)模130個(gè)關(guān)鍵器件（電源、L、C、開(kāi)關(guān)器件）。★FPGA芯片不低于Kintex-7 160T @Xilinx；數(shù)量2★快速下載驗(yàn)證控制算法，基于圖形化編程；支持LabVIEW控制代碼下載；一鍵編譯下載，F(xiàn)PGA開(kāi)放可修改。

2018年6月7日，《微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》發(fā)布。

2019年1月1日，《微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》實(shí)施。

隨著DG、儲(chǔ)能裝置和直流負(fù)荷的逐步滲透與現(xiàn)有交流系統(tǒng)的廣泛存在，交直流混合微電網(wǎng)將是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。主要分析交直流混合微電網(wǎng)中現(xiàn)存的問(wèn)題并對(duì)未來(lái)進(jìn)行展望。

(1)現(xiàn)有的交直流混合微電網(wǎng)研究主要針對(duì)典型的交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，未來(lái)的交直流混合微電網(wǎng)中將包含多條不同等級(jí)的交流母線和直流母線，多條母線之間的協(xié)調(diào)控制與功率管理將是今后研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

(2)未來(lái)的交直流混合微電網(wǎng)中，連接DG的電力電子裝置、儲(chǔ)能裝置以及非線性負(fù)荷等導(dǎo)致的電能質(zhì)量問(wèn)題是一個(gè)重要課題。諧波、三相不平衡和電壓的凹陷/膨脹等問(wèn)題在配電網(wǎng)中備受關(guān)注，不久的將來(lái)電能質(zhì)量問(wèn)題將更加嚴(yán)峻。因此，研究輔助裝置(如無(wú)功補(bǔ)償，電壓不平衡補(bǔ)償，諧波補(bǔ)償，功率因數(shù)校正等)在交直流混合微電網(wǎng)中的應(yīng)用將是未來(lái)研究的新方向。

(3)經(jīng)濟(jì)性能是交直流混合微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行的重要指標(biāo)，雖然微電網(wǎng)相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)，在某些地區(qū)由于成本更高、用電需求多變等因素，經(jīng)濟(jì)性欠佳，但是隨著大電網(wǎng)的支持作用與輔助裝置成本的降低，交直流混合微電網(wǎng)具有更大的發(fā)展前景。不過(guò)，經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題是大規(guī)模微電網(wǎng)滲透所需解決的必要因素。

(4)電源管理系統(tǒng)與單元控制策略需要確保交直流混合微電網(wǎng)在并網(wǎng)、孤島與瞬時(shí)切換3種狀態(tài)下都能穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式之間的過(guò)渡應(yīng)該無(wú)縫和光滑。其次，需求側(cè)響應(yīng)與大電網(wǎng)的多時(shí)段電價(jià)等市場(chǎng)條件都對(duì)交直流混合微電網(wǎng)的運(yùn)行產(chǎn)生不同的影響。研究主要針對(duì)某一方面調(diào)研，實(shí)際的微電網(wǎng)運(yùn)行是一個(gè)長(zhǎng)期的綜合過(guò)程，因此，未來(lái)的研究應(yīng)充分考慮多種因素。

(5)交直流混合微電網(wǎng)的自治管理離不開(kāi)相應(yīng)的通訊系統(tǒng)。己有的交直流混合微電網(wǎng)都采用簡(jiǎn)單的集中通訊或分布式通訊系統(tǒng)，但對(duì)其通訊系統(tǒng)未深入探討。通訊系統(tǒng)的可靠性、安全性、魯棒性和經(jīng)濟(jì)性是選擇通訊技術(shù)和設(shè)計(jì)通訊拓?fù)湫柽M(jìn)一步考慮與研究的課題。

(6)交直流混合微電網(wǎng)的應(yīng)用離不開(kāi)保護(hù)裝置的成熟應(yīng)用，然而現(xiàn)階段的交直流混合微電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)研究才處于起步階段，開(kāi)發(fā)具有靈活可靠的直流斷路器成為未來(lái)研究的重點(diǎn)。2100433B

交直流混合微電網(wǎng)交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)從交流母線和直流母線的配置角度，可分，為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)。交直流混合微電網(wǎng)因其兼?zhèn)浣涣魑㈦娋W(wǎng)與直流微電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，能更好促進(jìn)DG的消納，同時(shí)可以提高經(jīng)濟(jì)效益，是微電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。交直流混合微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)包括各自獨(dú)立連接運(yùn)行的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)和交流微電網(wǎng)系統(tǒng)以及雙向變流器，如右圖1所示。圖中：DG代表各類(lèi)分布式電源，如光伏、風(fēng)機(jī)、燃料電池、微型同步電機(jī)等；ESS代表儲(chǔ)能裝置，如蓄電池、超級(jí)電容器等，各電力電子裝置根據(jù)母線類(lèi)型和控制要求選擇類(lèi)型。該交直流混合微電網(wǎng)內(nèi)部由各單元在其交流子微網(wǎng)或直流子微網(wǎng)內(nèi)按照各自原則并聯(lián)構(gòu)成，外部由四象限運(yùn)行的換流器連接，整個(gè)混合微電網(wǎng)由交流母線通過(guò)饋線并入電網(wǎng)。本質(zhì)上，交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是在交流微電網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，其核心為交流微電網(wǎng)系統(tǒng)中的交流母線，承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的連接反饋?zhàn)饔?。而直流微電網(wǎng)子系統(tǒng)可視為逆變器作用下的特殊DG，其重點(diǎn)是維持直流母線電壓穩(wěn)定，以確保供電可靠。

圖25交直流混合微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)

考慮傳統(tǒng)交流與直流微電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，交直流混合微電網(wǎng)可以設(shè)計(jì)為輻射型、雙端供電型、分段聯(lián)絡(luò)型、環(huán)型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。輻射型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)控制保護(hù)要求低，但供電可靠性較低。兩端供電型與輻射型配電網(wǎng)相比，當(dāng)一側(cè)電源發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò)操作聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，由另一側(cè)電源供電，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供，提高整體可靠性。環(huán)型微電網(wǎng)相比于兩端供電型，可實(shí)現(xiàn)故障快速定位、隔離，其余部分電網(wǎng)可像兩端供電型運(yùn)行，供電可靠性更高。構(gòu)建交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)架時(shí)，根據(jù)供電可靠性與經(jīng)濟(jì)性的不同要求，選擇最合適的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行方式相比于單一系統(tǒng)的微電網(wǎng)而言更加靈活，可以最大程度地滿足就地消納資源、響應(yīng)負(fù)荷需求等微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的個(gè)性化需要，但同時(shí)對(duì)于技術(shù)要求偏高，現(xiàn)階段而言，要將混合微電網(wǎng)模式大面積應(yīng)用于實(shí)際電網(wǎng)市場(chǎng)還需要很長(zhǎng)的過(guò)程。

交直流混合微電網(wǎng)分布式電源容量配置

交直流混合微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是微電網(wǎng)設(shè)計(jì)之初考慮的問(wèn)題，當(dāng)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理完備后，交直流混合微電網(wǎng)的容量配置問(wèn)題亞需解決。相比于傳統(tǒng)大電網(wǎng)，交直流混合微電網(wǎng)由于DG與儲(chǔ)能裝置的存在，容量配置問(wèn)題更加復(fù)雜:DG的隨機(jī)性、波動(dòng)性受地理環(huán)境影響較大;蓄電池的壽命增加了容量配置的約束條件。

交直流混合微電網(wǎng)的容量配置主要分為4部分：（1）資源、負(fù)荷、地理環(huán)境的調(diào)研與微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定；（2）設(shè)備型號(hào)與設(shè)備數(shù)量的選擇；（3）容量配置最優(yōu)化模型的建立；（4）優(yōu)化求解。容量配置最優(yōu)化模型的建立主要分為目標(biāo)函數(shù)的選取與約束條件的確定，目標(biāo)函數(shù)主要分為可靠性指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)2類(lèi)，約束條件主要考慮系統(tǒng)運(yùn)行約束、備用容量、蓄電池充放電約束等。容量配置優(yōu)化模型的求解主要分為解析法和智能算法，由于智能算法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、約束限制較少等優(yōu)點(diǎn)，主要采用智能優(yōu)化算法進(jìn)行求解，典型代表有遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法和模擬退火算法。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)微電網(wǎng)容量?jī)?yōu)化配置的研究主要集中在孤立微電網(wǎng)容量配置研究，重點(diǎn)研究容量配置優(yōu)化模型的建立和智能算法的改進(jìn)。同時(shí)，國(guó)外還開(kāi)發(fā)了可用于研究微網(wǎng)(太陽(yáng)能/風(fēng)能微網(wǎng))容量?jī)?yōu)化配置的軟件，例如Hybrid2軟件和HOMER軟件。但是，近年來(lái)關(guān)于并網(wǎng)微電網(wǎng)的容量配置研究比較少，同時(shí)微電網(wǎng)容量配置問(wèn)題的研究主要針對(duì)具體的情況，目標(biāo)函數(shù)與約束條件紛繁錯(cuò)雜，未能形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因而缺少對(duì)交直流混合微電網(wǎng)整體的研究。