最新YZXWWII智能微电网实验系统方案.docx

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最新YZXWWII智能微电网实验系统方案

YZXWW-II智能微电网实验系统方案

一、系统结构

智能微电网系统包含：

光伏发电单元、风力发电单元、微电网稳定控制柜、蓄电池组单元、智能配电柜、智能微电网控制系统（系统的智能调度，保护）、微网智能监测系统（SCADA监测）单元等几大部分组成等几大部分组成。

系统总的结构框图一所示。

微网系统控制器是整个微网系统的核心部分，它担负着整个系统的调度责任通过能量，实现能量管理控制的高效利用与智能化。

光伏和风机发电优先供给用户负载，多余的电通过双向变换器对储能蓄电池充电和送入大电网。

新能源发电不足负载用电时，从蓄电池或电网进行补充。

由于微电网采用交流母线，系统扩容非常方便，直接将光伏、风机以及其他发电能源设备并入交流母线上，对应容量的双向变换器直接并机即可。

图一微网实验室系统结构图

2.1直驱永磁风力发电单元

2．1．1概述

本项目包含两台永磁直驱风力发电系统，一台为实验室的模拟系统，在已有的基础上改造，只需配备3kW风力发电变流器,本台变流器的设计图纸和源程序全部开放。

另一台为3kW的直驱风力发电工程系统，已有风力发电机，需再配备一台3kW的风力发电变流器。

以上两台风力发电机组经过变流器后连接至微电网母线。

直驱风电变流器采用湖南大学电气与信息工程学院新能源发电项目组研制的带低电压穿越型变流器。

湖南大学电气与信息工程学院新能源发电项目组由长期从事电机电器设计、电力驱动与伺服技术研究的教授、副教授、讲师、高级工程师、工程师和研究员等30人组成，近年来，先后主持和参加了“十一五”国家科技支撑重大项目、国防科工委军品配套项目、国家“863计划”项目、国家自然科学基金、湖南省自然科学基金项目、湖南省科技重大专项、国家重大技术装备的国产化研制项目和其他纵向科研课题20余项，横向科研课题40余项，且有多项获得国家级和部省级奖励（其中国家科技进步二等奖4项，教育部提名国家科技进步二等奖1项，部省科技进步一等奖2项，部省科技进步二等奖3项，部省科技进步三等奖1项）。

在直驱永磁风力发电机，大功率电力电子变换装置，风力发电变流器控制等领域取得了显著的成果。

2．1．2、3kW直驱风力发电系统原理图

直驱型风力发电系统主要包含风力机、永磁同步发电机、电力电子变流系统、控制系统等。

变流器结构如下图所示。

图2.1直驱式风力发电系统示意图

其基本原理是首先将风能转化为幅值和频率变化的交流电，再经整流之后变为直流，然后经逆变器变换为三相频率恒定的交流电送入电网。

其中机侧变流器的主要作用是将发电机发出的电能送到直流母线，负责对发电机的转速和功率的控制，使系统捕获最大的能量送入直流母线，达到最佳的工作状态。

网侧变流器将直流环节的能量输送到电网，并且同时起到维持直流侧电压恒定和控制电网侧功率因数的作用。

它们的控制原理如下图所示

直驱永磁风力发电机系统机侧变流器的控制框图

直驱永磁风力发电机系统网侧变流器的控制框图

为了实现风力发电系统的低电压穿越功能，在直流母线侧并联耗能单元，当电网电压跌落时，可以消耗由于网侧变流器电流限制造成风力发电机送到直流侧的多余能量，保证直流母线的稳定和风力发电系统的不脱网运行。

直流侧并联耗能单元示意图

直驱风力发电系统变流器的源代码依照变流器的控制原理设计，对用户开放，其软件截面如下图所示

源代码软件截图直驱风电变流器实物图

2．1．3、变流器技术指标及参数

变流器技术特点

●主电路采用美国TI公司生产的DSP芯片、日本三菱IGBT模块、驱动保护为日本三菱机芯,并网输出部分采用隔离变压器，安全可靠；

●采用SVPWM脉宽调制技术，纯净正弦波输出，自动与电网同步跟踪，功率因数接近1，电流谐波含量低，对公共电网无污染，无冲击；

●最大功率跟踪技术（MPPT）；

●逆变并网电流闭环控制，可控可调；

●输入直流电压范围宽，适应不同场合需求；

●频率扰动检出技术，实现反孤岛控制；

●具有全方位的电源保护方案和完善的自我检测和保护功能。

在出现系统故障时将停止并网逆变；

●电路结构紧凑、最大效率>94%；

●室外型不锈钢外壳，全密封安装；防护等级可达到IP65；

●RS485通讯，上位机监控，实现远程数据采集和监视；

●防孤岛保护；

直驱风力发电机变流器参数表

项目

参数

网侧变流器电压范围

3AC380V±10％

网侧变流器频率范围

50Hz+3%-5%

网侧变流器容量

5kW

网侧变流器额定电流

7.5A

谐波畸变率

<=3%

机侧变流器额定电压

380VAC±10％

机侧变流器频率

0-110Hz

机侧变流器容量

5kW

机侧变流器额定电流

7.5A

效率

97.2%

噪声

＜79.4dB

运行温度

-30至+50°C

LVRT功能

具备LVRT功能,满足新国标及E.ON2006相关规定

2.2光伏发电单元

2.1.1概述

本智能微电网光伏系统安装于屋顶，光伏支架采用固定方式，光伏发电系统装机容量10kWp,光伏发电系统关键设备选用天威英利品牌多晶硅光伏电池板，光伏并网逆变器选用国内品牌，光伏组件选用单块容量250Wp。

光伏串联后直接接入逆变器直流侧，逆变器输出侧接入智能配电柜，并入微电网。

2.1.2系统设计原则

■高效性

本项目设计过程中将充分考虑系统的高效运行，最大限度降低损耗，提高系统发电效率。

■先进性

光伏电站能有效运行20年，在进行本项目系统设计中，将通过优化系统配置、选择国内先进的关键设备，实现智能控制，以保证系统的先进性。

■稳定性

本系统将采用先进成熟的技术与设备，结合完善的保护措施，以保证系统稳定并网运行。

2.1.3、光伏系统关键设备

1、光伏组件

项目组件采用天威英利品牌多晶硅光伏电池板，固定安装，防风等级12级，安装防雷措施，产品获得TUV、UL、中国鉴衡“金太阳”多项国内外权威认证,拥有25年的质量保证。

质量均达到国际领先水平。

光伏组件的参数如下：

电池类型

多晶硅

峰值功率（Wp）

250

短路电流（Isc）

8.85

开路电压（Voc）

37.2

工作电压（Vm）

30

工作电流（Im）

8.2

功率温度系数（Pm）

-0.23%/℃

最大功率点电流温度系数（Im）

+0.08%/℃

最大功率点电压温度系数（Voc）

-0.3%/℃

额定工作温度（℃）

46±2℃

工作温度（℃）

-40～+85℃

最大风力载荷

4.2KPa

系统电压

1000V

外形尺寸（mm）

1650×992×40

重量（kg）

19.5

2、并网逆变器

并网逆变器选用组串型并网逆变器，组串型并网逆变器使用一台10kW并网逆变器，该并网逆变器机壳坚固、易于操作，采用MPPT最大功率跟踪技术，保证了系统的高发电量和长期使用寿命，确保设备在极端恶劣的情况下仍然能够正常运行。

并网逆变器的参数如下：

直流输入数据

最大输入功率

13kW

最大直流电压

900V

MPPT电压范围

450-820V

最大输入电流

29A

输入连接路数

接线端子

交流输出数据

额定输出功率

10kVA

额定电网电压

400V

交流电压范围

310-450V

额定输出频率

50Hz±5Hz

效率

最大效率

98%

欧洲加权效率

97%

常规数据

工作温度

-25℃-+55℃

通信协议

RS485/RS232/以太网/GPRS

3、支架设计

本项目光伏支架根据现场情况及也业主沟通后再详细设计。

根据屋顶情况设计。

2.3气象监测单元

自动气象站具有气象监测多种功能，可对地面生态环境及多种气象要素（温度、湿度、风速、风向、气压、雨量、太阳辐射、光照等）进行定时自动采集，计算，处理，显示，存储，通讯以及打印，提高了观测效率。

支持多种网络通讯功能，通过RS485接口与微机有线相连进行数据通讯。

该系统具有性能稳定，检测精度高，无人职守，抗干扰能力强，软件功能丰富等方面特点。

1、数据终端：

智能气候采集器：

白色标准规格机箱，配有液晶显示汉字与图形功能的记录仪1台

2、环境因子（根据需要可选配的其他传感器种类）：

光照强度感应器；叶片湿度传感器；雨雪传感器；二氧化碳传感器等。

3、标准支架和横栏杆，标高2.3米【可定制其他高度或外观支架】

4、采用智能分析软件，分析数据库，实行数据采集和处理，实行空间定点定位、记录仪存储等操作。

5、RS-485S数据传输方式，电脑查看数据连接电缆1套（可选配项目：

GPRS无线远程传输）

6、供电模式：

220V或12V,（可选配项目：

太阳能供电系统、电池等）

7、设备内存额度：

286495T

8、采集间隔：

1～1440分钟任意设置

9、防水等级，标准机箱IP68防水规范

10、智能采集记录器：

空气温湿度传感器技术规格：

.空气湿度测量范围：

0～100%

精度±3%

分辨率0.1%

.空气温度测量范围：

-30～70℃

精度±0.2℃

分辨率0.1℃

.响应时间：

<1S

.测量稳定时间：

1S

.工作温度范围：

-40℃～90℃

风向传感器技术参数：

.传感器样式：

尾翼式

.测量范围：

0-360°全方位16方位

.系统误差：

±3°

.工作温度：

-30℃~90℃

风速传感器技术参数：

.传感器样式：

三杯式

.启动风速：

0.4-0.8m/s

.分辨率：

0.1m/s

.测量范围：

0-30m

.系统误差：

±3%

.工作温度：

-30℃~90℃

雨量传感器技术参数：

.测量范围：

0～4mm/min（可在<8mm/min条件下正常工作）

.测量误差：

±3%（测试雨强2mm/min）

.分辨率：

0.2mm

.工作环境：

-10～80℃

光照传感器技术参数：

光线范围:

0～200Klux

反应时间:

1秒

环境温度：

-30～70°C

精度：

±3%

分辨率：

0.1Klux

2.4微电网稳定控制单元

2.4.1概况

微电网稳定控制单元作为大电网与微电网之间的接口，起着稳定微电网母线稳定和与大电网之间快速切换的双重作用，是本项目建设中的重要环节之一。

由于母线稳定控制柜的功能与不间断电源（ups）相似，当市电中断（事故停电）时，UPS立即将储能装置（如电池组或飞轮储能系统）的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。

所以本项目的微电网稳定控制柜在在线式UPS上进行改造，可完全达到小于10ms的状态切换要求。

微电网稳定控制单元主要包括微电网稳定控制柜和储能蓄电池柜。

2.4.2微电网稳定控制柜

微电网稳定控制系统功能如下

1）对微网内部重要负荷实现不间断供电。

2）稳定控制器在微电网进行模式转换时（并网转孤网、孤网转并网）刻切换其

运行模式，为微电网的式平滑转换提供系统支撑。

3）为微网内部母线提供电压支撑。

4）实现削峰添谷的功能以及可再生能源的优先利用。

5）实现无功功率调节。

6）具有良好的兼容性。

微网变流器、并网变流器都提供通讯接口，可以提供各种运行数据，方便集中监控和远程管理。

7）完善的自我保护功能。

微电网稳定控制柜在大功率UPS基础上进行改进，其结构如下图所示，稳定控制柜主要由逆变器、蓄电池、整流器、充电器和转换开关等组成。

逆变器和整流器都采用全控型IGBT组成可四象限运行的系统，其作用是实现公共电网与微电网内部能量的快速交换，它是稳定控制柜的核心部分，稳定控制柜的技术性能、质量主要取决于它。

蓄电池是稳定控制柜储能装置。

当外界电网正常时，稳定控制柜可接受中央控制系统的调度，根据分布式能源发电情况和符合情况，给蓄电池充电或放电，到达削峰填谷的目的。

当市电有干扰或出现大的浪涌时，转换开关（静态开关）的作用通过瞬时的高速检测回路，把稳定控制柜迅速转到逆变器输出，以保护微电网内部系统，根据UPS的性能可知，切换时间可完全达到小于10ms的要求。

本项目采用的微电网稳定控制柜特点如下：

电池充放电的智能化管理

先进的智能化充电方式透过CPU的控制，UPS的充电器可以依据不同的环境条件，修正充电参数，提供最优化的电池充电方式。

设计了多各充电方式，根据电池的类型，电池节数和电池的使用状态选择最佳的充电方式。

科学的充电方式，使的电池的使用寿命得到了延长。

并且可以加配充电单元，使多组电池的回充电时间也大为缩短。

丰富的远程监控手段

提供RS232/RS485、智能插槽（IntelligentSlot）等监控通讯接口，可以加载山特公司的CMC卡，WebPower卡来实现远程管理和监控功能，还提供了AS400卡来对外提供干接点接口，方便了客户对各种不同监控需求的灵活选择。

高性能的DSP处理器

全数字化的Ti高性能DSP控制技术，使数据处理精确迅速，输出性能将更加优异，可靠性更加提高。

优异的电气性能

应对中国电网要求设计，提供较宽的输入电压范围210VAC~475VAC。

能适用恶劣的电网环境。

优异输入频率范围使UPS能适应发电机等不同供电设备。

IGBT调频智能整流逆变技术，输入功率因数高达0.99，输入电流谐波低到3％;输出电压电流性能更加优异。

强大的过载能力：

110-125％的负载可正常运行10分钟;125-150％的负载可正常运行1分钟。

并具有输出短路保护能力。

更灵活的电池配置

微电网稳定控制柜可通过修改参数设定，弹性调整需配置的每组蓄电池节数（32节、30节、或28节）。

通过此功能，可在使用过程中，对蓄电池组中少量损坏的电池进行剔除，从而有效解决困个别电池损坏而可能造成对整组蓄电池寿命的影响问题。

微电网稳定控制柜参数表

型号

参数

额定容量

40KVA/32KW

输入

电压

210—475VAC

频率

40—70Hz（50Hz和60Hz自适应）

相线

三相四线＋地线

A.LISTALLB.LISTC.DISPLAYD.DISPLAYALLTHDI

【答案】D3%

输入功因

?

"a,b,c由大到小排列为：

",a,b,c＞0.99

s=0双市电输入

A.表单、报表和查询B.数据库、表单和报表支持

stud1.dbf的表中的记录：

电池

型式

991202数据结构阀控式铅酸蓄电池

备用时间

以外接电池数目为准

输出

电压

220×（1±1％）VAC

频率

50/60Hz

相线

三相四线＋地线

额定输出功因

0.8

过载能力

125％10min

150%1min

效率

市电模式

93%

电池模式

93%

ECO模式

98%

风扇智能调速

有

显示器

LCD

中文/英文状态及操作导引指示

输入电压，输出电压，电流，频率，电池电压及充放电电流值，故障显示，故障，警告

LED

运转状态

警告装置

BUZZER声响及灯号闪烁双重显示

通讯接口

RS232,AS400,RS485,Service,EPO，电池温度补偿接口，智能插槽

操作环境

温度

0-40℃

湿度

≤93％［（40±2）℃，无凝露］

外观尺寸W*D*H（mm）（主机）

470×710×1150

2.4.3储能电池组

本项目从系统经济性考虑，配置的30kW*1h储能电池，通过配套的30kW稳定控制器连接到0.4kV微电网母线，实现对分布式电源、负荷的实时动态调节，实现支撑系统能够提供参考电压和频率，保证电网系统的稳定运行，提供抗短时冲击能力，平滑供电，储能，消峰填谷，并实现电池的充放电管理。

本项目使用汤浅的免维护铅酸蓄电池，由于电池并联会引起电流倒灌，因此采用单节电池（NP65-12）12V，65AH，50节一组串联，电压范围约580-630VDC。

容量达39kwh.蓄电池的参数如下：

2.4.4蓄电池巡检系统

蓄电池巡检系统监测单体蓄电池的电压、组电压、表面温度、充放电电流等参数，通过RS485总线传输到智能监控系统。

本项目采用KM-BU01蓄电池巡检仪是为满足UPS、EPS、直流电源、通信电源等系统而设计的一款在线式蓄电池巡检仪。

可完成对电池组电压、电池电流、单体电池电压、电池内阻、电池环境温度及电池放电计量等监测和告警功能。

适用于对2V、6V、12V蓄电池进行在线监测。

KM-BU01蓄电池巡检仪自带24节电池巡检功能，每个测量端口均采用光藕进行隔离。

另外，可通过扩展KM-BU02电池巡检单元实现108节电池巡检功能。

内置标准RS485通讯接口，实现上位机通讯功能。

主要技术参数

工作电压：

AC150~265V/DC180~380V

单体电压测量精度：

≤±0.3%

单体电压测量范围：

0.5V~16V

电池组电压测量精度：

≤±0.5%

电池电流测量精度：

≤±0.5%

电池温度测量精度：

≤±1℃

连接端口：

远程通讯接口RS4851路

智能设备接口RS4851路

单体电池采集路数24路

电池电电流采集2路

电池温度采集2路

干节点输出1路

外型尺寸（长X宽X深）：

180X142X57mm

整机重量：

≤1Kg

2.5微电网智能配电柜

2.5.1概述

本项目采用北变微电网有限公司的MG4000系列微电网智能配电柜，“北京北变微电网技术有限公司”是一家专业从事智能电网、微电网业务的高新技术企业。

位于中关村上地信息产业基地。

下设全资子公司“北京新能汇智微电网技术有限公司”、“北京四方华能电气设备有限公司”、“北京龙星瑞达电子设备有限公司”。

公司核心团队具有多年的电力行业科研、工程实施、市场运作经验。

人员在电力自动化方面有深厚的技术积累，不仅精通电网一次设备，而且精通电网二次设备。

对电网监控软件也有深入研究，具有微电网系统丰厚的技术储备。

每台智能配电柜内设置5个回路，接入光伏、风机、负荷、储能。

每个回路设置1台塑壳断路器，配置电动操作机构及脱扣器；每个回路设置1台MG2110微电网专用保护装置；每个回路设置1套快速测控装置；每个回路设置1台多功能表。

2.5.2MG2110微电网专用保护装置

MG2100系列继电保护装置具有以下功能：

􀂾孤网、并网模式转换功能

当微电网PCC智能快速开关处于分闸位置时，微电网与外界大电网断开，本装置接收到孤网模式信号，工作在孤网模式。

当微电网PCC智能快速开关处于合闸位置时，微电网与外界大电网连接，本装置工作在并网模式，同微电网控制系统配合，监控设备的运行状态，保证系统的稳定运行。

􀂾继电保护功能

具备过流保护、限时速断保护、速断保护、功率方向保护、频率保护、过欠压保、dF/dt、dV/dt、dI/dt、dS/dt功能等，各段动作电流及动作时间均可独立整定，保护功能均可投退。

具备零序保护功能，采用独立零序CT。

具备快速速断保护功能，快速速断出口时间小于10ms。

􀂾SOE记录功能

可记录35条事件信息。

􀂾通信功能

提供RS485/232、以太网通信接口及多种标准通信规约。

􀂾额定数据

工作电压：

DC24V、DC220V、AC220V

最大相电流：

40A

最大零序电流：

1A

频率：

50Hz

􀂾环境条件

相对湿度：

最大不超过100%

大气压力：

70KPa~106kPa

􀂾事件顺序

SOE分辨率：

≤5ms

两次事件处理能力：

≤25ms

􀂾绝缘耐压性能

对地绝缘电阻＞100MΩ

耐压漏电流＜5mA

􀂾冲击电压

承受5kV、1.2μs的雷电波冲击。

2.6智能微电网控制系统

2.6.1概述

本项目电网控制中心系统采用北京北变微电网技术有限公司的MG2500型微电网中央控制系统、MG1000型微电网监控系统、MG2200型微电网通信控制器。

2.6.2硬件构成

本项目在微电网控制中心设置1面微电网监控柜，柜内安装有：

1台研华工控机作为工作站，配置22寸液晶显示器；1台MG200型微电网通信控制器；1套MG2500型微电网中央控制器；监控工作站配套MG1000微电网控制软件。

2.6.3网络构成

微电网控制中心系统采用开放、可靠、易扩展的计算机网络系统，主要包括以下几个部分：

监控层：

系统根据项目的实际情况，采用百兆网络等多种通信相结合的方式。

光伏发电系统、储能系统、智能设备分别就近接入MG2200微电网通信控制器，通过通信控制器的以太网转发接口接入监控工作站，实现对各子系统的集成。

MG2500型中央控制器通过以太网接口接入监控工作站。

中间层：

各种智能设备通过总线形式或以太网形式连接到MG2200微电网通信控制器，实现数据的汇聚；微电网快速测控通过内部总线形式与MG2500中央控制器，实现中央控制系统的数据采集与处理。

2.6.4软件构成

电网控制中心系统软件体系架构主要由核心软件平台、监控及高级管理应用相关应用软件模块组成，并支持二次开发。

软件平台和应用设计均遵循开放式的原则，全面遵循国际标准。

采用了面向对象的、组件化的分层、分布设计思想，真正实现了应用业务在开放软件平台基础之上的即插即用集成。

微电网控制中心系统软件从数据处理逻辑上分为以下三层：

数据接口层：

数据接口层位于三层结构的最低层，主要包括前置机（FEP），FEP是连接数据服务器和子系统的必备设备。

它负责从子系统采集和向子系统发送数据。

数据接口专门用于数据采集和协议转换，完成于实时数据库的接口。

数据处理层：

数据处理层是数据处理和数据管理层。

数据处理层通过对系统实时数据库和商用关系数据库（SQLSERVER、ORACLE等）的管理提供控制系统的应用功能，包括实时数据库环境，事件服务器环境，计算环境，历史数据环境，校时服务器环境等。

实时数据库和商用关系数据库的维护和管理为其它能量管理、经济运行等高级的应用功能的实现提供了保障。

人机接口层：

人机接口层主要由操作工作站构成。

操作工作站提供人机界面，使操作员能在这里完成各种监控操作。

包括数据展现功能，如HMI（人机界面）环境，报表，报警、日志，曲线、报表等，同时包含基于此数据开发的众多通用或扩展应用模块，包括常规的监控功能和高级应用功能。

高级应用功能包括保障电网的稳定高效运行、配网故障处理、结合新能源发电、储能及用户负荷等多种因素，给出不同的优化控制运行策略，实现电网的经济运行等功能。

2.6.5MG2500型中央控制系统

中央控制器是微电网控制系统的核心设备之一，配置专业的逻辑控制软件包，结合各回路配置的快速测控模块，实现对微电网系统的实时模式控制、电源与负荷的实时动态调节，确保微电网系统的安全、稳定运行。

主要功能如下：

数据采集及控制

中央控制器的测控模块，可实现对微电网系统进线、分布式电源、储能、负荷、母线等各回路进行电气量及开关位置等信号量的进行采集，可实现对微电网各回路开关及设备的控制操作，实现对微电网系统运行状态的调节。

分布式电源调节

中央控制器可以通过通信接口实现对微电网系统的分布式电源进行调节，根据需要控制各电源的有功、无功出力。

储能单元调节

中央控制器可以通过通信接口控制储能系统的输入、输出功率，从而满足微电网运行方式的需要。

用电负荷调节

对负荷实行分级管理，分为一、二、三级负荷；一级负荷（高可靠性负荷）通过储能系统实现不间断供电；在孤网运行时，二级负荷由微电网控制系统根据当时的电源情