新型电力系统综合实验平台设计与教学应用_李霞林.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 4 期 2023 年 4 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.4 Apr.2023 收稿日期:2022-09-09 修改日期:2022-10-10 基金项目:国家自然科学基金项目(51977142);天津大学教改项目(YZ202203-33)作者简介:李霞林(1986),男,湖南沅江,博士,副教授,主要研究方向为新型电力系统稳定与控制、装备,。通信作者:宋关羽(1990),男,辽宁东港,博士,高级工程师,主要研究方向为智能配电网、微电网运行控制,。引文格式:李霞林,刘一欣,王中冠,
2、等.新型电力系统综合实验平台设计与教学应用J.实验技术与管理,2023,40(4):192-199.Cite this article:LI X L,LIU Y X,WANG Z G,et al.Design and teaching application of comprehensive experimental platform for new electricity power systemJ.Experimental Technology and Management,2023,40(4):192-199.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T
3、DOI:10.16791/ki.sjg.2023.04.029 新型电力系统综合实验平台设计与教学应用 李霞林1,刘一欣1,王中冠1,朱 琳1,宋关羽1,杨奕贤2,郭 力1(1.智能电网教育部重点实验室(天津大学),天津 300072;2.国网北京市电力公司海淀供电公司,北京 100195)摘 要:针对电力系统实验教学平台建设中存在的偏离工程应用、有效利用率低、灵活性较差等问题,该文基于模块化和灵活组网方法,设计了新型电力系统综合教学实验与科研平台,平台各类型设备均具备即插即用功能,控制系统采用了集中-分布式的架构。实验平台可以对低压交直流微电网、中压柔性配电网和高压交直流电网等 3 种不同供
4、电距离、电压等级的典型应用场景进行模拟,借助实验平台分别设计了教学实验和科研探索型实验,有助于增强学生对新型电力系统的认知与理解,培养新工科建设下的高水平人才。关键词:新能源;新型电力系统;综合实验平台;教学应用 中图分类号:TM74 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)04-0192-08 Design and teaching application of comprehensive experimental platform for new electricity power system LI Xialin1,LIU Yixin1,WANG Zhongguan1,Z
5、HU Lin1,SONG Guanyu1,YANG Yixian2,GUO Li1(1.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education(Tianjin University),Tianjin 300072,China;2.State Grid Beijing Haidian Electric Power Supply Company,Beijing 100195,China)Abstract:The existing power system experimental platforms have the main problems
6、such as deviation from engineering application,low effective utilization and poor flexibility.Based on modular and flexible networking method,a new integrated teaching experiment and research platform of power system is designed.The equipment in this platform have plug and play function,and the cent
7、ral-distributed architecture is adopted in the control system.The experimental platform can simulate the scenarios of different voltage levels and different power supply distances such as low-voltage AC/DC microgrid,medium-voltage flexible distribution network and high-voltage AC/DC network.With the
8、 help of experimental platform,teaching experiments and scientific research exploration experiments are designed respectively,which helps to enhance students cognition and understanding of the new power system and cultivate high-level talents under the construction of new engineering.Key words:new e
9、nergy;new electricity power system;comprehensive experimental platform;teaching application 加快构建适应高新能源占比的新型电力系统,是我国实现“碳达峰、碳中和”目标的重要途经1-2。保证含高比例新能源和电力电子化装备(以下简称“双高”)的新型电力系统安全运行与稳定控制3-5,是目前面临的巨大挑战。近年来,全球已发生了多起高新能源占比电力系统的电网大停电事故,例如 2019 年 8月英国的“89”大停电事故4、2021 年 2 月美国德州的大停电事故5等。吸取教训和总结经验对我国新能源和新型电力系统的发展
10、及安全稳定运行具有十分重要的借鉴意义。因此,亟需建设适应我国新型电力 李霞林,等:新型电力系统综合实验平台设计与教学应用 193 系统发展趋势的教学科研综合实验平台,为新能源并网及新型电力系统的稳定运行控制提供原型验证平台,以培养面向新时代新能源电力系统高质量发展和建设的高素质本科和研究生人才。近些年,在微电网与电力系统实验平台方面,国内外众多高校及研究中心已开展了一些工作,如:丹麦奥尔堡大学建设了围绕直流微电网控制和稳定性研究的微电网实验平台6;美国伊利诺伊大学建成了含多个新能源微电网的校园微电网集群实验系统7;加拿大阿尔伯塔大学建成了侧重于低压交直流微电网控制和稳定性研究的电力电子化系统实
11、验平台8;国网浙江电科院建设了交直流微电网实验系统9;天津大学王成山院士团队开展了微电网基础理论研究、关键技术与装备研发、核心成果落地与应用等工作,并建设了相应微电网实验平台,在能量管理、稳定控制、继电保护等领域取得了研究成果10-11。目前这些实验系统侧重于交直流微电网单一应用场景,难以有效适应和支撑我国未来新型电力系统运行控制方面的理论教学、基础特性验证和关键技术验证。本文基于前期的理论研究和微电网实验系统建设基础10-11,借鉴国内新型电力系统示范工程与实验平台的运行经验与先进理念,以天津大学“六卓越一拔尖”计划 2.012为契机,以新工科建设为抓手,设计并建设了一套集成多种分布式电源和
12、储能的新型电力系统综合教学实验与科研平台(以下简称“平台”),具有贴近工程实际、有效利用率高、灵活性强等特点,可用于开展本科生与研究生的分布式电源、微电网、新型电力系统基础与分析等相关课程的教学实践与科研实验。1 实验平台建设目标 平台的建设目标是建成面向多应用场景的新型电力系统工程应用的教学科研综合实验平台,提高实验系统利用率和灵活性,服务电气工程和能源领域类本科生、研究生和相关人员的教学与科研,支撑相关科研项目和实际工程关键技术论证。基于该平台,学生能够开展各类分布式电源、储能、微电网、新型电力系统运行控制技术实验,了解和掌握新型电力系统的基本运行原理、组成结构及运行控制方法等。借助实验平
13、台,可开展多种形式的变流器基本运行控制、无缝切换、微电网协调控制、虚拟同步机运行特性、弱电网下变流器稳定控制、多端直流系统稳定控制等教学及科研探索实验,有助于激发学生的学习热情,全面提升学生的自主学习和动手能力,培养新工科背景下新能源电力系统的领军人才。1.1 面向工程应用“双高”新型电力系统近年来发展迅猛,其电源形式更加多样、网络结构更加复杂、运行控制更加灵活。目前大多数高校微电网和电力系统动态模拟系统应用场景单一,系统结构和配置理想化,贴近实际工程应用的偏少,难以支撑实际新型电力系统不同电压等级、不同应用场景下的关键装备验证和系统级运行控制等方面的教学和科研相关工作。如微电网数模混合实时仿
14、真平台13-14,虽然使用上简便、灵活,但实验效果高度依赖于仿真模型的精确度,需要大量运算资源,学生无法对新型电力系统中的各种装置形成直观认识,不利于培养学生的实际动手能力与工程意识。本平台借鉴多年积累的工程技术与经验,采用工程化思维设计实验教学系统架构,学生可对实际新能源工程形成直观认识,并培养其动手能力。同时实验系统安装了工程级别的硬件与软件双重保护系统,可减少器件的损坏,避免各种过流与过压等意外事件。1.2 提高实验系统利用率 当前已建成的新能源电力实验平台受设计理念与技术等因素所限,应用场景单一,且并未考虑长期运行的场景,因此实验系统的教学科研使用率、综合利用率较低。此外,由于大部分实
15、验平台的设备均为直接采购,因此这些设备软件接口开放性均会受到限制,在教学环节只能进行基本的理论验证与过程感知,学生不能修改控制算法。本文建立的实验平台中的新能源、储能变流器和协调控制器等关键装备均为自主研发,可有效提升利用率。1.3 提升实验系统灵活性 多数电力系统实验教学平台中各组成部分的接入方式基本固定,然而实际教学中,针对不同学生群体、不同实验场景,往往需要变更实验拓扑,此时重新接线需耗费大量的人力物力,无法满足新型电力系统多类型应用场景下“源、荷、储”各单元灵活接入与网架拓扑重构的需求。为有效提升实验系统灵活性,本实验系统采用了电源、母线、模拟线路分段接入方式,多条交直流母线与模拟线路
16、可任意插拔与组合,具有即插即用的功能,灵活性强。除此以外,基于标幺值等效原则,通过多段交直流模拟线路、多端母线与分布式电源的组合,可以模拟低压微电网、中压配电网和高压主网等不同供电距离、不同电压等级的场景,提升了实验系统的灵活性与通用性,满足了不同的教学需求。2 实验平台设计 2.1 系统架构与硬件组成 本实验平台基本拓扑结构如图 1 所示,主要包含400 V 交流模拟电网与 750 V 直流模拟电网。两模拟 194 实 验 技 术 与 管 理 图 1 新型电力系统教学科研综合实验平台架构图 电网可以独立运行,用于模拟相应的交(直)流微电网、高比例新能源接入交流电网、多端直流系统等运行场景;也
17、可以通过两个双向 DC-AC 变流器进行柔性互联,用于模拟交直流微电网、交直流互联电力系统、新能源直流送出等新型电力系统典型运行场景。该实验平台共包含分 4 段交流母线、4 段直流母线和多段可用于模拟不同长度的交直流模拟线路。电源形式种类丰富,包含了光伏、磷酸铁锂储能电池、超级电容、直流模拟电源、模拟同步发电机组等,可根据实验场景需求灵活配置。实验平台中的模拟交流负载可作为阻性、感性或容性负载使用,同时直流电子负载可作为阻性负载、恒功率负载与非线性负载使用,可根据实验需求灵活调整负荷的数量与类型。实验平台具体设备分类及参数如表 1 所示。表 1 实验平台设备和参数 类型 设备 数量 参数 类型
18、 设备 数量 参数 分布式电源 组串式光伏 1 10 kW 功率变换单元电源并网 DC/AC 3 30 kVA 交流模拟电源 1 30 kVA 交直流互联 DC/AC 2 30 kVA 直流模拟电源 1 1 3.3 kW/0300 V DC/DC 5 10 kW 直流模拟电源 2 1 10 kW/01000 V 储能单元 锂电池 2 12.5 kWh/252 V直流模拟电源 3 1 30 kW/0750 V 超级电容 2 660 F/192 V 模拟同步发电机 1 5 kVA 交流模拟线路短距离交流线路 3 0.5/0.4 mH 模拟负荷 交流 RLC 型 1 15 kVA 中距离交流线路 3
19、 0.8/1.0 mH 直流阻性型 2 10 kW 中长距离交流线路 2 0.25/5 mH 直流电子型 1 5 kW 长距离交流线路 2 0.35/10 mH直流模拟线路 短距离直流线路 3 0.3/0.8 mH 超长距离交流线路 2 0.43/1 5mH中距离直流线路 3 0.6/3 mH 母线 交流母线 5 50 kW/400 V 长距离直流线路 1 1/5 mH 直流母线 4 50 kW/750 V 超长距离直流线路 1 0.5/10 mH 控制系统 本地控制器 9 监控系统 1 李霞林,等:新型电力系统综合实验平台设计与教学应用 195 如图 2 所示,实验系统所有单元均采用了标准化
20、接口。实验系统以交流母线和直流母线为核心,“源-荷-储”等单元以“搭积木”方式灵活接入,实现即插即用。实验系统通过交直流网络的灵活构造模拟实际地区的电力网络,方便新型电力系统工程前期规划与理论验证。每段母线进线与出线处也配置了电流采样单元,满足不同实验场景下数据量测与拓扑重构的需求。各个子网之间使用柔性联络开关互联,实现灵活、快速、精准的潮流优化与控制。交直流系统之间采用双向 DC-AC 变流器互联,实现不同类型电网间的潮流控制与电气隔离。图 2 直流母线实际图 2.2 控制系统设计 图 3 为实验平台集中式与分布式混合的控制系统架构,每段母线上均配置了一台自主研发的微电网中心控制器(micr
21、o-grid control center,MGCC),作为子网的控制中心使用,控制器集中控制接入该段母线的所有设备,具有对母线电压、各支路功率、开关状态、设备运行模式等信息的遥测遥信功能,以及控制开关、下发各变流器控制指令、控制模式等遥控遥调功能。图 3 新型电力系统综合实验平台控制系统架构图 MGCC 与接入该段母线的变流器单元采用 CAN工业总线的通信方式,可实现最高 1 Mb/s 的高速低延时通信,满足实验教学中控制算法的需求。MGCC 主控采用了 DSP 与 ARM 的架构,其中,DSP 芯片负责本地控制算法与快速的本地通信;ARM 芯片负责处理包含详细信息的网口通信与能量管理策略,
22、两者均使用 C 语言开发。每个子网的详细运行状态信息先由汇聚层交换机汇总,然后接入监控展示系统,最后经监控服务器前置服务解析后在组态界面上展示(图 4)。图 4 综合教学实验与科研平台监控界面 学生可在封装好的控制程序中对特定功能模块进行编写与修改,满足教学实验的需求。在此过程中,学生可以查看源代码文件、内存分配状态等关键信息,因此学生能独立思考,加深对新型电力系统设计架构与运行控制原理的理解。控制系统内各功能模块功能完善、分工明确,在工程化应用的同时也考虑到了教学需求。实验系统内关键设备可实时监控、记录数据与稳定控制,具备长期稳定运行的能力。196 实 验 技 术 与 管 理 3 实验平台典
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