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摘 要：微电网是一种将分布式发电、储能装置、交直流负载、监控保护装置等有机结合在一起的小型配电系统，通过与配电网的信息交换，可以大大提高配电系统供电的可靠性与灵活性。不断完善微网接入标准，实现微电网与配电网的协调控制与发展，提高电网运行的经济性，是未来电网的重要任務之一。文章讨论基于高校实训室的模块化智能微电网的系统结构、运行方式与能源管理。
关键词：分布式发电;模块化;智能微网
中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）05-0063-04
Research on Modularization Intelligent Microgrid System Based on
Distributed Generation
ZHU Gaowei
（Guizhou Vocational Technology College of Electronics & Information，Kaili 556000，China）
Abstract：Microgrid is a kind of small power distribution system which combines distributed generation，energy storage device，AC/DC load，monitoring and protection device together organically. Through information exchange with power distribution network，the reliability and flexibility of power supply of power distribution system can be greatly improved. One of the important tasks of the future power grid is to continuously improve the access standard of microgrid，so as to realize the coordinated control and development of microgrid and power distribution network，and improve the economy of power grid operation. This paper discusses the system structure，operation mode and energy management of modularization intelligent microgrid based on university training room.
Keywords：distributed generation;modularization;intelligent microgrid
0 引 言
分布式发电靠近用户侧，可以充分利用可再生能源，发电形式灵活，可以大大缓解能源危机问题，提高供电可靠性。目前分布式发电主要包括燃气轮机发电技术、光伏发电技术、风力发电技术、燃料电池发电技术、生物质能发电技术、分布式储能技术等。智能微电网以分布式发电为基础，搭配储能装置、用电负荷、控制装置等，通过一个公共节点与电网相连。
作为电力行业的一个新兴的发展方向，智能微电网涵盖知识面广，对于高校的课程教学提出了很大的挑战，传统的教学方式大多以理论为主，教学手段单一，进行分布式发电智能微网的研究，建设智能微网实训平台，可以提高学生的动手能力，激发学生的学习兴趣。本文以高校智能微网实训室设备为论证依据，介绍以光伏发电和风力发电为基础的高校智能微电网实训平台的体系构成与运行方式。
1 微网类型
按用电规模，可以将微电网分为简单微电网、企业微电网、区域微电网、独立微电网。简单微电网的用电容量通常在2 MW以下，用电规模较小，负荷形式多样;企业微电网用电容量通常在2～5 MW，通常不包括商业和工业负荷;区域微电网用电容量在5 MW以上，包括居民、商业和工业负荷;独立微电网主要见于偏远山区，搭配柴油发电机组，满足地区用电。
按负荷类型，可以将微电网分为直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网，考虑到负荷情况，交直流混合微电网用途更为广泛。交直流微网中含有直流母线和交流母线，可以同时给直流负荷和交流负荷供电。
2 系统结构
智能微电网系统结构主要包括分布式发电单元、分布式能源接入单元、储能与稳定控制单元、微网接入与能量管理单元、交直流负荷管理单元、微网监控平台等。
2.1 分布式发电单元
分布式发电单元包括光伏发电单元和风力发电单元。光伏发电单元采用太阳能电池组件，并搭配传感器，用来检测温湿度以及光照度的变化;风力发电部分采用永磁水平轴风力发电机，搭配传感器，用来检测风速及风向的变化。
2.2 分布式能源接入单元
分布式能源接入单元主要由光伏控制器、风力控制器、投切开关、计量仪表等模块组成，主要完成分布式能源的接入与计量，通过投切开关将光伏发电与风力发电的能量汇集至直流母线，接线图如图1所示。
影响光伏发电功率的因素较多，由于环境的变化会导致光伏电压电流的波动，为避免直接充电给蓄电池造成损坏，需要将光伏发电能量送入光伏控制器，通过对光伏发电电压和电流进行调节，并加入蓄电池的充放电保护功能，可以保证蓄电池的使用寿命。风力控制器可以将风力发电机发出的三相交流电转变为直流电，主要包括变压器、整流电路和滤波电路等，其中滤波电路主要用于滤除直流中的交流成分。 2.3 储能与稳定控制单元
储能与稳定控制单元主要由蓄电池、双向变流器、投切开关、隔离开关、储能电池计量等模块组成，主要完成对蓄电池组的充放电管理，以及微网交直流母线间的双向变流，接线图如图2所示。
双向变流器是微网直流母线和交流母线之间的连接器件。当工作于并网模式时，可以将配电网的交流電变为直流电，并传输给微网直流母线，对蓄电池进行充电，同时也可以将蓄电池和分布式发电单元中的直流电逆变成交流电，送入配电网中;当工作于离网模式时，可以将蓄电池中的直流电和分布式发电单元的直流电逆变为交流电，供交流负载使用。
2.4 微网接入与能量管理单元
微网接入与能量管理单元主要由微网交流母线、投切开关、隔离开关等模块组成，主要完成与市电电网的能量交互，接线图如图3所示。
可利用能源管理系统实现对电网的能量管理与调度，当微网工作于并网模式时，能源管理系统根据负荷用电情况以及分布式发电情况形成预期的趋势曲线，根据该曲线可以调整储能的充放电状态，进行微网的削峰填谷，实现功率平衡。
2.5 交直流负荷管理单元
交直流负荷管理单元主要由交直流模拟负载、计量仪表、电流互感器、交流接触器、继电器等模块组成，用于模拟微电网负荷投切控制和带负载运行参数分析，接线图如图4所示。
在交直流负荷管理单元中，包括了微网直流母线和微网交流母线，可以分别为直流负荷和交流负荷供电。
2.6 微网监控平台
微网监控平台主要由计算机、组态监控系统等组成，主要完成对微电网运行的监测与控制，对于仪表类、板卡类等设备采用Modbus RTU通信方式，连接至同一个COM口的设备应保证其设备地址不同。对于PLC采用以太网通信方式，最后连接至能源管理中心EMS，通过能源管理中心对整个系统的各个模块进行集中监控与管理，通过对历史数据的采集，并通过曲线、报表等方式分析系统的运行情况，监控平台的功能主要包括实时监控、业务管理与智能决策，微网监控平台接线示意图如图5所示。
监控系统的开发可以利用上位机组态软件，通过画面设计、数据库系统、IO驱动、脚本程序等功能实现对系统的实时监控，组态画面包括系统主接线、微网接入、电池管理、光伏发电、风力发电、储能单元、历史报表、趋势曲线等。
3 运行方式
微电网包括并网和离网两种运行方式。当处于并网运行方式时，若负载功率大于发电功率，微网从配电网吸收部分电能，若负载功率小于发电功率，微电网向配电网输送部分电能;当处于离网运行方式时，若负载功率大于发电功率，可通过自动减载装置切除部分负载，若负载功率小于发电功率，可自动切除部分分布式发电装置或通过储能供电的方式保证功率的匹配。
当微电网从离网模式向并网模式转换时，首先需要对微电网和配电网进行同期检查，确定满足同期条件后，闭合并网断路器，系统进入并网运行状态，离网转并网过程图如图6所示。当微电网从并网模式向离网模式转换时，需要进行孤岛检测，切除多余的负荷与部分分布式发电装置，之后逐步恢复分布式发电装置的供电和被切除的负荷，保证整个系统电压和频率的稳定，并网转离网过程图如图7所示。
4 能源管理
微电网的能源管理是指通过对分布式发电系统、储能系统、负荷装置中的数据进行实时采集与分析，进行优化控制，从而实现微电网的稳定运行，提高能源利用效率。主要包括分布式发电预测、负荷预测、功率平衡等。
4.1 分布式发电预测
分布式发电预测用来对分布式发电的短期和长期发电功率进行预测，通过对历史数据的统计分析，预测其内在规律。影响光伏发电的因素主要包括光照度和温度，影响风力发电的因素主要是风力的大小，通过对历史日的气象参数进行统计分析，找出与待测日气象参数最相似的历史日作为相似日，根据相似日的分布式发电情况来预测待测日的分布式发电情况，可以对相关的气象参数进行加权，来保证预测的准确性。目前分布式预测方法主要包括卡尔曼滤波法、空间相关性法、支持向量机、神经网络法等。
4.2 负荷预测
负荷预测用来对未来的电力负荷情况进行预测，通过分析用电需求，及时调整发电能量，从而调整系统未来的运行状态。负荷预测是微电网计划、运行、控制的重要依据，对于微电网的经济运行有着重要的意义。目前负荷预测的方法主要包括时间序列法、小波分析法、神经网络法等。
4.3 功率平衡
微电网在并网运行时，配电网根据经济运行原则，向微电网下达交换功率定值，微电网根据交换功率定值来控制分布式发电系统、储能系统以及负荷装置。当实际交换功率与配电网的给定值相差过大时，通过切除或恢复部分负荷装置或发电机组，将交换功率调整到计划值附近，保证微电网的稳定经济运行。当微电网从并网向离网切换的瞬间，由于配电网终止供电，微电网一般会存在较大的功率缺额，这样会导致微电网内部频率下降，从而使保护装置相继跳闸，为保证微电网的长期稳定运行，需要调整储能装置功率或切除部分负荷，使微电网重新快速达到平衡状态。
微电网在离网运行时，由于分布式发电系统受环境因素的影响较大，会使得微电网内部电压波动较大，因此需要对电压值进行实时监测并采取相应措施，避免因电压突变对微电网的稳定运行造成影响。当微电网从离网转向并网后，由配电网调度计划来决定微电网的输出功率的大小。
5 结 论
本文分析了以光伏发电和风力发电为基础的高校智能微网实训平台的系统结构和运行方式，采用模块化的体系结构，通过智能微网系统的搭建，采用理实一体化的教学方式，对于提高教学方法，优化教学内容，提升人才培养质量有着重要的现实意义。
随着电力需求的日益广泛和能源规模的日趋紧张，微电网在未来配电网中的比例会不断增加，微电网与现有配电网的协同发展必将成为配电领域的一大课题，因此对于微电网的探究与应用势在必行。考虑离网和并网状态下的控制结构，搭建微电网的数字仿真平台，进行微电网示范工程的建设等方面有待进一步的深入研究。
参考文献：
[1] 秦燕.基于分布式风光互补发电系统的智能微网探究 [J].数字技术与应用，2018，36（4）：70-71.
[2] 时珊珊，鲁宗相，周双喜，等.中国微电网的特点和发展方向 [J].中国电力，2009，42（7）：21-25.
[3] 刘广斌.智能微网系统设计 [J].硅谷，2012（4）：73-74.
[4] 王成山，王守相.智能微网在分布式能源接入中的作用与挑战 [J].中国科学院院刊，2016，31（2）：232-240.
[5] 谢冬冬，刘俊杰.民办高校智能微电网科研实训系统研究 [J].机电信息.2019（26）：142-143.
作者简介：朱高伟（1988—），男，汉族，河南洛阳人，讲师，本科，研究方向：自动化分析、机器学习等。
关键词：分布式发电;模块化;智能微网
中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）05-0063-04
Research on Modularization Intelligent Microgrid System Based on
Distributed Generation
ZHU Gaowei
（Guizhou Vocational Technology College of Electronics & Information，Kaili 556000，China）
Abstract：Microgrid is a kind of small power distribution system which combines distributed generation，energy storage device，AC/DC load，monitoring and protection device together organically. Through information exchange with power distribution network，the reliability and flexibility of power supply of power distribution system can be greatly improved. One of the important tasks of the future power grid is to continuously improve the access standard of microgrid，so as to realize the coordinated control and development of microgrid and power distribution network，and improve the economy of power grid operation. This paper discusses the system structure，operation mode and energy management of modularization intelligent microgrid based on university training room.
Keywords：distributed generation;modularization;intelligent microgrid
0 引 言
分布式发电靠近用户侧，可以充分利用可再生能源，发电形式灵活，可以大大缓解能源危机问题，提高供电可靠性。目前分布式发电主要包括燃气轮机发电技术、光伏发电技术、风力发电技术、燃料电池发电技术、生物质能发电技术、分布式储能技术等。智能微电网以分布式发电为基础，搭配储能装置、用电负荷、控制装置等，通过一个公共节点与电网相连。
作为电力行业的一个新兴的发展方向，智能微电网涵盖知识面广，对于高校的课程教学提出了很大的挑战，传统的教学方式大多以理论为主，教学手段单一，进行分布式发电智能微网的研究，建设智能微网实训平台，可以提高学生的动手能力，激发学生的学习兴趣。本文以高校智能微网实训室设备为论证依据，介绍以光伏发电和风力发电为基础的高校智能微电网实训平台的体系构成与运行方式。
1 微网类型
按用电规模，可以将微电网分为简单微电网、企业微电网、区域微电网、独立微电网。简单微电网的用电容量通常在2 MW以下，用电规模较小，负荷形式多样;企业微电网用电容量通常在2～5 MW，通常不包括商业和工业负荷;区域微电网用电容量在5 MW以上，包括居民、商业和工业负荷;独立微电网主要见于偏远山区，搭配柴油发电机组，满足地区用电。
按负荷类型，可以将微电网分为直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网，考虑到负荷情况，交直流混合微电网用途更为广泛。交直流微网中含有直流母线和交流母线，可以同时给直流负荷和交流负荷供电。
2 系统结构
智能微电网系统结构主要包括分布式发电单元、分布式能源接入单元、储能与稳定控制单元、微网接入与能量管理单元、交直流负荷管理单元、微网监控平台等。
2.1 分布式发电单元
分布式发电单元包括光伏发电单元和风力发电单元。光伏发电单元采用太阳能电池组件，并搭配传感器，用来检测温湿度以及光照度的变化;风力发电部分采用永磁水平轴风力发电机，搭配传感器，用来检测风速及风向的变化。
2.2 分布式能源接入单元
分布式能源接入单元主要由光伏控制器、风力控制器、投切开关、计量仪表等模块组成，主要完成分布式能源的接入与计量，通过投切开关将光伏发电与风力发电的能量汇集至直流母线，接线图如图1所示。
影响光伏发电功率的因素较多，由于环境的变化会导致光伏电压电流的波动，为避免直接充电给蓄电池造成损坏，需要将光伏发电能量送入光伏控制器，通过对光伏发电电压和电流进行调节，并加入蓄电池的充放电保护功能，可以保证蓄电池的使用寿命。风力控制器可以将风力发电机发出的三相交流电转变为直流电，主要包括变压器、整流电路和滤波电路等，其中滤波电路主要用于滤除直流中的交流成分。 2.3 储能与稳定控制单元
储能与稳定控制单元主要由蓄电池、双向变流器、投切开关、隔离开关、储能电池计量等模块组成，主要完成对蓄电池组的充放电管理，以及微网交直流母线间的双向变流，接线图如图2所示。
双向变流器是微网直流母线和交流母线之间的连接器件。当工作于并网模式时，可以将配电网的交流電变为直流电，并传输给微网直流母线，对蓄电池进行充电，同时也可以将蓄电池和分布式发电单元中的直流电逆变成交流电，送入配电网中;当工作于离网模式时，可以将蓄电池中的直流电和分布式发电单元的直流电逆变为交流电，供交流负载使用。
2.4 微网接入与能量管理单元
微网接入与能量管理单元主要由微网交流母线、投切开关、隔离开关等模块组成，主要完成与市电电网的能量交互，接线图如图3所示。
可利用能源管理系统实现对电网的能量管理与调度，当微网工作于并网模式时，能源管理系统根据负荷用电情况以及分布式发电情况形成预期的趋势曲线，根据该曲线可以调整储能的充放电状态，进行微网的削峰填谷，实现功率平衡。
2.5 交直流负荷管理单元
交直流负荷管理单元主要由交直流模拟负载、计量仪表、电流互感器、交流接触器、继电器等模块组成，用于模拟微电网负荷投切控制和带负载运行参数分析，接线图如图4所示。
在交直流负荷管理单元中，包括了微网直流母线和微网交流母线，可以分别为直流负荷和交流负荷供电。
2.6 微网监控平台
微网监控平台主要由计算机、组态监控系统等组成，主要完成对微电网运行的监测与控制，对于仪表类、板卡类等设备采用Modbus RTU通信方式，连接至同一个COM口的设备应保证其设备地址不同。对于PLC采用以太网通信方式，最后连接至能源管理中心EMS，通过能源管理中心对整个系统的各个模块进行集中监控与管理，通过对历史数据的采集，并通过曲线、报表等方式分析系统的运行情况，监控平台的功能主要包括实时监控、业务管理与智能决策，微网监控平台接线示意图如图5所示。
监控系统的开发可以利用上位机组态软件，通过画面设计、数据库系统、IO驱动、脚本程序等功能实现对系统的实时监控，组态画面包括系统主接线、微网接入、电池管理、光伏发电、风力发电、储能单元、历史报表、趋势曲线等。
3 运行方式
微电网包括并网和离网两种运行方式。当处于并网运行方式时，若负载功率大于发电功率，微网从配电网吸收部分电能，若负载功率小于发电功率，微电网向配电网输送部分电能;当处于离网运行方式时，若负载功率大于发电功率，可通过自动减载装置切除部分负载，若负载功率小于发电功率，可自动切除部分分布式发电装置或通过储能供电的方式保证功率的匹配。
当微电网从离网模式向并网模式转换时，首先需要对微电网和配电网进行同期检查，确定满足同期条件后，闭合并网断路器，系统进入并网运行状态，离网转并网过程图如图6所示。当微电网从并网模式向离网模式转换时，需要进行孤岛检测，切除多余的负荷与部分分布式发电装置，之后逐步恢复分布式发电装置的供电和被切除的负荷，保证整个系统电压和频率的稳定，并网转离网过程图如图7所示。
4 能源管理
微电网的能源管理是指通过对分布式发电系统、储能系统、负荷装置中的数据进行实时采集与分析，进行优化控制，从而实现微电网的稳定运行，提高能源利用效率。主要包括分布式发电预测、负荷预测、功率平衡等。
4.1 分布式发电预测
分布式发电预测用来对分布式发电的短期和长期发电功率进行预测，通过对历史数据的统计分析，预测其内在规律。影响光伏发电的因素主要包括光照度和温度，影响风力发电的因素主要是风力的大小，通过对历史日的气象参数进行统计分析，找出与待测日气象参数最相似的历史日作为相似日，根据相似日的分布式发电情况来预测待测日的分布式发电情况，可以对相关的气象参数进行加权，来保证预测的准确性。目前分布式预测方法主要包括卡尔曼滤波法、空间相关性法、支持向量机、神经网络法等。
4.2 负荷预测
负荷预测用来对未来的电力负荷情况进行预测，通过分析用电需求，及时调整发电能量，从而调整系统未来的运行状态。负荷预测是微电网计划、运行、控制的重要依据，对于微电网的经济运行有着重要的意义。目前负荷预测的方法主要包括时间序列法、小波分析法、神经网络法等。
4.3 功率平衡
微电网在并网运行时，配电网根据经济运行原则，向微电网下达交换功率定值，微电网根据交换功率定值来控制分布式发电系统、储能系统以及负荷装置。当实际交换功率与配电网的给定值相差过大时，通过切除或恢复部分负荷装置或发电机组，将交换功率调整到计划值附近，保证微电网的稳定经济运行。当微电网从并网向离网切换的瞬间，由于配电网终止供电，微电网一般会存在较大的功率缺额，这样会导致微电网内部频率下降，从而使保护装置相继跳闸，为保证微电网的长期稳定运行，需要调整储能装置功率或切除部分负荷，使微电网重新快速达到平衡状态。
微电网在离网运行时，由于分布式发电系统受环境因素的影响较大，会使得微电网内部电压波动较大，因此需要对电压值进行实时监测并采取相应措施，避免因电压突变对微电网的稳定运行造成影响。当微电网从离网转向并网后，由配电网调度计划来决定微电网的输出功率的大小。
5 结 论
本文分析了以光伏发电和风力发电为基础的高校智能微网实训平台的系统结构和运行方式，采用模块化的体系结构，通过智能微网系统的搭建，采用理实一体化的教学方式，对于提高教学方法，优化教学内容，提升人才培养质量有着重要的现实意义。
随着电力需求的日益广泛和能源规模的日趋紧张，微电网在未来配电网中的比例会不断增加，微电网与现有配电网的协同发展必将成为配电领域的一大课题，因此对于微电网的探究与应用势在必行。考虑离网和并网状态下的控制结构，搭建微电网的数字仿真平台，进行微电网示范工程的建设等方面有待进一步的深入研究。
参考文献：
[1] 秦燕.基于分布式风光互补发电系统的智能微网探究 [J].数字技术与应用，2018，36（4）：70-71.
[2] 时珊珊，鲁宗相，周双喜，等.中国微电网的特点和发展方向 [J].中国电力，2009，42（7）：21-25.
[3] 刘广斌.智能微网系统设计 [J].硅谷，2012（4）：73-74.
[4] 王成山，王守相.智能微网在分布式能源接入中的作用与挑战 [J].中国科学院院刊，2016，31（2）：232-240.
[5] 谢冬冬，刘俊杰.民办高校智能微电网科研实训系统研究 [J].机电信息.2019（26）：142-143.
作者简介：朱高伟（1988—），男，汉族，河南洛阳人，讲师，本科，研究方向：自动化分析、机器学习等。