研旭智能微电网控制仿真平台

研旭智能微电网控制仿真平台

　　公司简介

　　南京研旭新能源科技有限公司由南京研旭电气科技有限公司全资投资成立，主要专注于太阳能和风能等可再生能源电源产品以及相关机电节能产品的研发、生产、销售、服务和投资，公司研发团队实力雄厚，与国内多所知名大学和研究院有良好合作，公司生产的产品质量稳定，服务到位，具有性价比较高的优势，产品与服务受到广泛客户的好评以及业界的称赞。

　　公司自成立以来，已形成五大独具优势，具有超高性价比的产品系列，主要产品如下，光伏并网发电系统，光伏离网发电系统，风力发电并网系统，新能源实验仿真平台，新能源系统集成方案，推出的产品在多个实验室以及工程中得到使用，获得好评。在当前阶段，研旭将精力主要集中于中小功率的新能源技术以及产品的推广、应用、研发、生产，期待能将太阳能、风能这样的可再生洁净能源能以极高性价比为广大民众服务，为社会服务。

　　“激流勇进，合作共赢”，在新时代的浪潮中，研旭将是一个勇敢的、热忱的、开放的弄潮儿，期冀着研旭能为各新老客户带来更好，性价比更高的新能源产品，也希望着研旭如那初升旭日，冉冉升起，不断温暖大家。

　　背景介绍

　　随着光伏、风电等可再生能源发电技术的发展，分布式发电日渐成为满足负荷增长需求、提高能源综合利用效率、提高供电可靠性的一种有效途径，并在配电网中得到广泛的应用。但分布式发电的大规模渗透也产生了一些负面影响，如单机接入成本较高、控制复杂、对大系统的电压和频率存在冲击等。这限制了分布式发电的运行方式，削弱了其优势和潜能。微网技术为分布式发电技术及可再生能源发电技术的整合和利用提供了灵活、高效的平台。

　　微电网系统被视为未来智能电网的最重要一环，可以有效地实现电网侧电力能量的转移，实现能量的削峰填谷。微网技术的应用是在传统电力系统生产模式基础上增加一个存储电能的环节, 使得原来几乎完全刚性的系统变得柔性起来，可以让整个电网系统运行更加合理，在用电高峰期，微网系统可以为负载提供能量；在负荷低谷期，微网系统可以将电网中多余的能量存储起来。另外，在智能电网系统中，许多分布式电源会硬性的将产生的电能输送给电网，电网智能被动承受，因此分布式电源输出的电能质量很大程度影响着电网系统。增加微网系统，可以有效的调节系统中的有功、无功，对电网中电能质量改善起到一个调节器的作用。

　　系统总体方案阐述

　　系统概述

　　微电网是一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的小型电力系统。微电网把分布式电源、负荷、储能设备及控制系统等结合起来，涉及电力系统发电、储能、配电、用电、调度、通信六大专业领域。微电网具有广阔的应用前景。其核心功能是大量接入风电、太阳能等分布式发电系统，是提高分布式电源渗透率的有效手段，还可以控制 PCC 点与公共电网的交换功率，为公共电网实现“ 负荷调度”提供重要技术手段。

　　微电网支持并网和孤网两种运行模式。在并网工作模式下，一般与中、低压配电网并网运行，互为支撑，实现能量的双向交换。在外部电网故障情况下，可转为孤网运行模式，继续为微网内重要负荷供电，提高重要负荷的供电可靠性。通过采取先进的控制策略和控制手段，可保证微网高电能质量供电，也可以实现两种运行模式的无缝切换。

　　系统功能与特点

　　可实现光伏、风电、蓄电池、超级电容、燃料电池、柴油机组、模拟负载、充电桩等多种一次侧设备的互联，各个设备都单独可控，通过61850规约，实现四遥数据的控制。

　　可实现智能并离网（并网与孤岛状态）切换，既可以并网运行，也可以孤网运行，实现无缝切换，且多种运行模式相互自动或手动方式切换。各子系统可以独立完成相关的实验。

　　微电网系统与大电网并网点的功率大小及方向可调可控。可实现快速平滑光伏发电、风机发电、负荷变化等造成的功率波动。将接入微电网的负荷进行分级管理实时监测、显示、记录微网系统的工作状态，具有本地监控和远程监控两种控制方式。

　　配备能源管理系统，具备能源管理和策略调度的功能；

　　配置专用保护装置，在微电网内部故障、外部故障情况下，均保证其准确、快速动作，使系统安全运行。

　　开放相关接口,控制器软、硬件可以根据项目具体情况进行配置、实施，以适应各种项目需求。用户也可以通过远程通信的方式，自主对项目运行参数进行配置、调节，便于用户进行设备替换和设备老化调整。

　　开放光伏、风机系统、pcs系统等软硬件资料，包括逆变器的板级硬件原理图、pcb以及软件底层驱动源代码、算法源代码等；

　　系统架构

　　研旭微电网系统由风电系统（直驱式和双馈式）、光伏发电系统（实际光伏和模拟光伏）、储能系统（蓄电池和超级电容）、微电网中央控制系统、可编程RLC三相负载，充电桩，配电与保护系统，上位机能源管理系统等个主要部分组成，系统的整体架构图如下：

　　系统主要部件技术说明及特点介绍

　　光伏发电系统（开放式）

　　光伏发电系统部分主要包括：

　　光伏电池阵列模拟电源

　　光伏组件板

　　三相光伏逆变器

　　实验例程和项目

　　光伏逆变器开源软硬件资料

　　光伏三相逆变器

　　研旭光伏三相并网逆变器通过三相变压器隔离升压并网，实现光电池最大功率跟踪控制和并网电流控制。原理框图如下图所示：

　　研旭光伏发电仿真平台主要由IPM逆变功率单元、DSP主控单元、监控中心、电抗器、变压器等几部分组成。系统的核心为DSP主控单元，其主要功能是：

　　将直流电能转为与主网电压同频同相的交流电能，并馈送给主网，同时会监测各类故障信息，实时保证正常工作；

　　根据反馈值跟踪直流源（光伏组件或者光伏模拟源）的最大功率输出（MPPT）；

　　将系统工作的所有信息上传至监控中心

　　其他特性

　　并网逆变器使用三菱IPM，电流150A，耐压1200V，母线使用500V电解电容

　　网侧并网升压三相变压器额定容量5KVA，变比380/120，初级次级星形联结方式

　　并网逆变器采用TI浮点DSP进行控制，使用一套研旭TMS320F28335的DSP控制板

　　采用一台研旭YX—XDS510仿真器完成系统控制算法的调试

　　风力发电系统—直驱式永磁模拟系统（开放式）

　　直驱式风力发电系统主要包括：

　　三相异步电机、5kw三相永磁发电机、槽钢底座

　　变频器

　　风机背靠背整流逆变柜

　　实验例程和项目

　　光伏逆变器开源软硬件资料

　　研旭直驱式风力发电实验平台采用一台变频调速三相异步电机带动一台三相永磁同步发电机运行，异步电动机和同步发电机安装在同一个底座上，使用联轴器相连接，采用光绝对式电编码器测量电机实时转速，永磁同步发电机极数为8极，三相异步电机的控制采用变频器控制转速，用以模拟风速的变化，同时可以方便的通过计算机控制变频器实现三相异步电机的转速调节模拟风机出力。

　　发电机侧变流器和电网侧变流器采用IPM模块构建，使用2单元的模块进行设计（总共需要6组2单元模块），IPM模块的耐压要在1200V，电流在75A左右。直流环节的电容要求450V电解电容两只串联以提高耐压。

　　并网变压器要求是三相变压器，其容量要求大于发电机最大容量，容量在5KVA左右。

　　发电机侧变流器和电网侧变流器采用DSP进行控制，采用研旭TMS320F28335的DSP控制板和IPM电源板。

　　本实验系统采用光电编码器采集发电机的转子位置和转速，光电编码器安装于发电机后端输出轴上；采用霍尔电压电流传感器采集直流侧和电网侧电压和电流信号，传感器量程根据系统容量进行选择安装。

　　采用研旭YX—XDS100v3 仿真器完成系统控制算法的调试。

　　风力发电系统—双馈式模拟系统（开放式）

　　直驱式风力发电系统主要包括：

　　三相异步电机、5kw双馈发电机、槽钢底座

　　变频器

　　双馈风机变流器

　　实验例程和项目

　　光伏逆变器开源软硬件资料

　　研旭直驱式风力发电实验平台采用一台变频调速三相异步电机带动一台三相永磁同步发电机运行，异步电动机和同步发电机安装在同一个底座上，使用联轴器相连接，采用光绝对式电编码器测量电机实时转速，永磁同步发电机极数为8极，三相异步电机的控制采用变频器控制转速，用以模拟风速的变化，同时可以方便的通过计算机控制变频器实现三相异步电机的转速调节模拟风机出力。

　　发电机侧变流器和电网侧变流器采用IPM模块构建，使用2单元的模块进行设计（总共需要6组2单元模块），IPM模块的耐压要在1200V，电流在75A左右。直流环节的电容要求450V电解电容两只串联以提高耐压。

　　并网变压器要求是三相变压器，其容量要求大于发电机最大容量，容量在5KVA左右。

　　发电机侧变流器和电网侧变流器采用DSP进行控制，采用研旭TMS320F28335的DSP控制板和IPM电源板。

　　本实验系统采用光电编码器采集发电机的转子位置和转速，光电编码器安装于发电机后端输出轴上；采用霍尔电压电流传感器采集直流侧和电网侧电压和电流信号，传感器量程根据系统容量进行选择安装。

　　采用研旭YX—XDS100v3 仿真器完成系统控制算法的调试。

　　可编程RLC负载系统

　　内置有精密RLC负载，是由连续可调电阻、电感、电容负载系统、电气参数测试系统、自动控制系统、软件分析编程系统组成。

　　可以模拟三相负载不平衡、负荷突加突卸、不同功率因素超前、滞后等各种电力工况。检验微网系统在各种复杂极端工况下的运行可靠性。

　　预先设置负荷运行的状态及时间，可编程交流负载预先设定的根据负荷曲线自动加载运行，模拟预测的负荷曲线。

　　可以用于测量微网逆变器或微网并网点的防孤岛效应保护功能。

　　在微网试验平台与能量管理系统程序研发试验中，可以将本设备任意设定成一级负荷、二级负荷、三级负荷，通过软件远程控制功能实施可行性实验。

　　内置有多通道的电气参数采集模块，能够精确测量显示三相RLC各个通道的电压、电流、有功功率、无功功率等电气参数。

　　内置的阻性负载、感性负载及容性负载最小标准功率为0.1kVA，步进幅度0.1kVA，负荷功率连续可调，可精确模拟交流谐振发生并满足逆变器防孤岛保护功能检测需要。

　　三相阻性负载、感性负载、容性负载的功率，可以分相独立控制及调节，满足三相电压不平衡条件下仍可精确调节出交流谐振点的要求。

　　主机采用电子电路控制，具有温度过热自动报警保护功能：由于特殊原因出现过热、过流时，可自动切断负载。

　　可以通过远程PC机设置相应的功率，任意组合、设定加载RLC功率，即可远程控制并调节RLC功率，将测量数据上传到PC机并实现对检测过程中测试数据的实时记录存储，并配合后台分析软件将测试数据导成excel格式的检测报告。

　　储能系统

　　储能系统主要功能是具有稳定控制功能的双向变流器，是整个微电网系统中的关键设备，在微电网孤网运行时，该设备作为微电网系统的标准源，保证微电网在孤网运行和模式切换过程中的系统稳定性。储能系统部分主要包括：

　　储能双向功率变流器

　　铅酸储能电池

　　电池管理系统（BMS）

　　智能并离网切换控制器

　　实验例程和项目

　　储能系统组成框架

　　储能逆变器系统采用20kW双向变流器变流器，配备12V/50Ah铅酸电池单元40节，系统电池侧直流电压为480V，电池组的标称容量为10kWh。储能电池系统的拓架构如下：

　　储能系统特点

　　正常运行状态下的功率跟踪

　　实现微电网正常运行状态下的功率跟踪， 实现电池的充放电管理及指定的微电网与主网的功率交换。

　　孤岛运行方式下的标准源

　　微电网由并网转为孤岛运行方式下，支撑系统能够提供参考电压和频率，实现各电源间的功率平衡分配，保证孤岛系统的稳定运行，提供抗短时冲击能力，平滑供电，储能，消峰填谷。支持不间断并网到孤网模式转换。

　　同期并网

　　微电网由孤网转为并网时，支撑单元能够跟踪主网电压与频率，带动微电网系统无缝并入主电网

　　能产生无功功率，实现无功补偿。

　　可以工作在并网逆变运行模式，亦可工作在储能充电工作模式，能够根据微电网控制系统的指令输出有功和无功功率；

　　当公共电网恢复正常时且接到孤网转并网指令后，自身完成由孤网运行模式向并网运行模式的转换，转换过程造成的脱网时间≤20ms；当公共电网掉电或者异常时，自动切换至孤网运行模式，完成由并网运行模式向孤网运行模式的转换，该模式转换时间≤20ms；

　　工作模式可以通过有线通信、面板操作等方式设定正常运行模式，切换时间不大于20ms；

　　能够与电池管理系统协同工作完成对电池的充放电管理功能。

　　具有大尺寸液晶屏幕，可以通过面板上的按键，查询显示微电网智能稳定控制器工作情况、设定工作状态等；

　　具有RS485、CAN 以及以太网通讯接口；

　　具有完善的保护功能：电压保护、电流保护、电池保护、通讯故障保护等；

　　具有告警功能：出现故障时，能通过指示灯、接点信号、通讯方式输出告警信号；

　　微电网中央控制系统

　　微电网中央控制系统，通过对微电网系统进行高速数据采集，收集全网电气参数， 对全网运行状态进行采集和监视， 并在此基础上进行逻辑运算，得出控制策略对微电网进行实施调节控制，实现微电网电源、储能、负荷的实时动态调节功能，保证微电网安全、稳定运行。微电网中央控制系统主要包括：

　　微电网中央集中控制器（含通讯处理机）

　　系统策略软件

　　实验例程和项目

　　系统特点

　　数据采集

　　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、母线等各回路电气量及开关位置等信号量的采集，并将采集数据通过高速网络快速传送到中央控制器的主控单元。

　　控制操作

　　通过中央控制器的测控模块，可实现对微电网各回路开关及设备的控制操作，实现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充放电功率， 从而满足微电网运行方式的需要。

　　微电网运行模式实时控制

　　中央控制器的主控单元，可以根据调度指令、系统自动、手动进行微电网运行模式的控制。

　　中央控制器内置微电网并网运行、孤网运行、并网转孤网、孤网转并网、全网停电等多种控制模式。根据不同的运行工况和控制目标实现微电网的实时控制，保证微电网系统的安全、稳定运行。

　　通信功能

　　中央控制器可以与微电网系统的各个智能控制单元进行通信， 通过通信实现对各控制单元的控制和调节。

　　同时中央控制器还可以通过通信接口与微电网监控系统进行通信， 接受监控系统的统一调度。

　　高速采集

　　中央控制器配置高速全电量采集模块，并能够高速传输，满足系统实时性要求。

　　实时模式控制

　　通过高速采集，快速控制，实现对微电网运行状态的实时调节与控制。

　　新型高速实时工业以太网

　　中央控制器采用新型高速实时工业以太网，实现采集数据的高速传输，从而满足对微电网系统实时控制的要求。

　　专业的逻辑控制软件包

　　中央控制器配置专业的逻辑控制软件包， 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。

　　微电网配电与保护系统

　　微电网保护装置是专门为微电网稳定运行设计的保护装置，具有孤网、并网保护模式（可根据系统指令自动实时切换）。

　　微电网继电保护装置对微电网系统的发电、用电、储能设备提供必要的保护，接受微电网控制系统的统一控制以保证微电网的稳定、可靠运行。是电网控制系统的关键设备。

　　系统特点

　　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。

　　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。

　　微电网能源与管理系统

　　微电网能源管理系统是微网系统的神经中枢和能量管理中心，系统利用物联网技术构建传感测控网络，对智能微网各种类设备运行、环境状态及人员管理进行综合的信息感知，监控BMS和PCS的运行信息，集成微网系统发电和储能监控、供电监控、计费管理等功能。同时接收电网调度中心下发的调度指令，并根据当前电池组和微网逆变器的运行信息合理的分配调度指令。

　　智能微网管理系统具备“智能感知、智能处理、智能判断”的特点，可以实现微网系统的智能化管理，实现智能运行管理，确保安全、可靠、经济运行。

　　系统框图

　　微电网能源管理系统覆盖微网发电、储能、能量转换、供配电及整体调度的各个环节，实现对微网全方位的监测监控管理，保障微网各环节安全可靠运行，其具体涉及的业务范围如下图所示：

　　图5 智能微网管理系统业务范围框图

　　研旭微电网监控系统是整个微电网软件系统的基础平台，通过对各回路智能设备的数据采集，实现对微电网系统运行状态的监视与控制。

　　一次能源设备选配

　　超级电容系统 （选配）

　　系统目前有的铅酸电池组可能只能应对长期稳定型负载，在现有系统中增加超级电容储能部分可以快速应对冲击性负载。超级电容器是介于电解电容和可充电电池之间的一种能量存储器件。本方案选用的L超级电容的高功率、高能量及长期的高可靠性，使产品在后备电源单元，辅助动力单元、瞬间功率补偿、峰值功率补偿、以及能量存储等领域具有广泛的应用。

　　主要性能特点有：

　　低内阻

　　对单个电容的电压均衡和过压保护

　　对高电压模块的积木化设计

　　有效的散热性能

　　压力/湿度控制

　　工作温度宽（可在-45℃到+65℃范围内使用）

　　柴油机组系统 （选配）

　　由于柴油比较贵而且属于一次性消耗品，所以用户一般不希望柴油发电机长时间使用，所以更多的是把它作为备用电源使用。但是在使用柴油发电机的时候，又希望用户的用电尽量不要中断，同时在柴油发电机发电的时候，其他太阳能、风能甚至是储能系统也能一起投入运行。

　　所以我们对柴油发电机及其控制柜（数显模式+并机柜）进行如下的功能设计：

　　柴油发电系统有自动并网运行功能：即在不中断原有电网的基础上，柴油发电系统能自动跟踪原有电网电压的相位，自动并网运行而不造成电网供电中断。并且，在并网运行后，其发电电压的幅值和相位要和原有电网保持一致。

　　控制柜具备RS232通讯接口，可以接受外部调度指令。

　　主要构成

　　发动机

　　满足环境温度 50OC 水箱散热器，皮带驱动

　　冷却风扇，带风扇安全护罩

　　充电发电机

　　发电机:单轴承发电机，IP23 防护等级，H级绝缘减震器

　　干式空气过滤器、燃油过滤器、机油过滤器

　　发电输出断路器

　　标准控制屏

　　启动电瓶及电瓶连接电缆启动电瓶及连接线一套

　　排烟弯管、波纹减震管、法兰、消音器一套。

　　直流/交流充电桩 （选配）

　　充电桩是电动力车的电站，其功能类似于加油站里面的加油机。每个充电桩都装有充电插头，充电桩可以根据不同的电压等级，为各种型号的电动车充电。电动汽车充电桩采用的是交、直流供电方式，需要特制的充电卡刷卡使用，充电桩显示屏能显示充电量、费用、充电时间等数据。

　　充电桩根据客户需要可以分为直流充电和交流充电，功率也可根据需求定制。

　　主要特点

　　采用分体式结构，主要由整流柜、充电桩、以及整流柜和充电桩之间的连接电缆、充电桩和电动汽车之间的连接电缆及充电连接器等部分组成。整流柜由整流模块和充电主控制系统组成，由充电桩完成与用户之间的人机交互功能，并实现对电动车充电的管理、计费和相应的电池状态检测等功能

　　具备通过网络与BMS通信的功能，用于判断电池类型，获得动力电池系统参数、充电前和充电过程中动力电池的状态参数;与充电站后台监控系统通信，上传充电机和动力电池的工作状态、工作参数、故障报警等信息，并接受监控系统的控制命令，执行遥控动作

　　能够判断充电连接器、充电电缆是否正确连接。当充电连接器与电动汽车蓄电池系统正确连接后，充电机才允许启动充电过程;当充电机检测到与电动汽车蓄电池系统的连接不正常时，能立即停止充电，并发出报警信息

　　能够为电动汽车提供低压辅助电源，用于在充电过程中为电动汽车BMS供电

　　具有高效、高可靠、便于维护、灵活扩容、节能环保等优点

　　采用数字化均流技术，均流性能稳定，脱离管理模块也能稳定工作并自主均流

　　采用模块化架构，可适应10～200KW的不同功率需求

　　动态优化的功率模块管理,适应在各种功率输出状态下的最大效率输出

　　具有输出电压、电流调节范围宽的特点，满足不同类型蓄电池组端电压的充电要求

　　具有电源过温、输入侧过压、欠压、输出侧过流、过压保护等安全防护功能

　　整流模块采用ARM作为控制核心，具有很高的灵活性和一致性

　　采用非晶高频变压器，体积小，功率密度高

　　采用英飞凌第四代IGBT配套CONCEPT公司最新的驱动，稳定性高

　　具备宽电压输入范围，以及宽工作温度范围

　　友好的人机界面，动态显示电压、电流以及故障信息

　　具有输入侧过/欠压保护、输出侧过压保护、欠压告警、过流及短路保护、过温保护等功能。

　　工业专用不间断电源（选配）

　　是一种先进的工业级超隔离在线式正弦波不间断供电系统，它可以为您的精密设备提供可靠、优质、纯净的交流电源。它有着极其广泛的适用范围，从电脑设备、电力、通讯系统到工业自动化设备都可以使用；由于超隔离设计，不仅可以解决低品质交流电源所造成的问题、有效消除漏地电流影响，为负载和UPS装置提供完善的保护，而且可以更好地降低整流和逆变所造成的谐波，防止对电网形成污染，使重要负载与电网辅助系统产生的瞬变干扰隔离。

　　在线式工业级设计，保证系统具备极高的可靠性、稳定性、安全性。     (2) 采用SPWM正弦波控制，输出纯净的正弦波。     (3) 采用CPU智能控制，人机界面友好，可实现远程监控。     (4) 液晶显示和LED指示，能够显示设备工作参数，指示设备工作运行状态。 (5) 可查看历史记录，为产品维护和维修提供依据。 (6) 具备直流冷启动功能。

　　超宽的交流输入电压范围，能适用于电源电压不稳定地区。

　　本产品轻巧美观、安装容易、维护便利、操作简单、噪音低、无污染。内置大电流充电器，只要市电正常，并送入UPS，不开机即可自动对电池充电。（电力专用机型不带充电）