物理模擬實驗平臺的設(shè)計范文

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1實驗現(xiàn)狀

目前通過物理模擬實驗的方式，對大規(guī)模新能源進行系統(tǒng)研究的文獻(xiàn)較少，且現(xiàn)有物理實驗多受條件限制。文獻(xiàn)[9]模擬風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，但發(fā)電過程中新能源比重小，難以模擬大規(guī)模新能源接入對區(qū)域電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)[10]介紹了小型風(fēng)光互補系統(tǒng)的組成、并網(wǎng)與監(jiān)控，但未涉及風(fēng)光間的協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)模擬了混合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)與獨立運行的過程切換，但系統(tǒng)的波動性并未充分考慮。文獻(xiàn)依托國家風(fēng)光儲輸示范工程，分別對風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電的容量配比、無功補償配置、調(diào)度運行原則和協(xié)調(diào)運行進行了研究，但設(shè)備成本高，實驗室難以實現(xiàn)。當(dāng)前新能源電力系統(tǒng)的物理模擬實驗存在以下問題：1）實驗機組容量小，難以準(zhǔn)確模擬機組對電網(wǎng)運行特性的影響；2）模型結(jié)構(gòu)過于簡化，難以展現(xiàn)具體動態(tài)過程；3）研究對象單一，缺乏對新能源“多源”系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制模擬。由此，設(shè)計“風(fēng)、光、儲、輸”一體的新能源電力系統(tǒng)物理模擬實驗平臺，對研究大規(guī)模可再生能源接入電網(wǎng)等技術(shù)問題具有重要意義。

2新能源系統(tǒng)物理模擬實驗平臺構(gòu)成

新能源電力系統(tǒng)物理模擬實驗平臺采用模塊化設(shè)計，通過切換盤對系統(tǒng)進行組態(tài)，可形成不同類型的實驗系統(tǒng)，滿足不同研究的需要。圖1和圖2分別為物理模擬實驗平臺構(gòu)成示意圖和主體實物圖，如圖1所示，實驗平臺構(gòu)成主要包括風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、輸電網(wǎng)物理模型、新能源發(fā)電等值系統(tǒng)等12個模塊。

2.1傳統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)傳統(tǒng)動模發(fā)電系統(tǒng)由不同容量機組構(gòu)成，包括5kVA、5.5kVA、6.25kVA、15kVA、30kVA機組，如圖3所示，通過控制器模擬汽輪機、水輪機、柴油機等機組發(fā)電特性。傳統(tǒng)動模機組除可獨立并網(wǎng)運行模擬各種典型發(fā)電機及其并網(wǎng)控制系統(tǒng)特性外，還可實現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子、定子匝間短路，進行發(fā)電機保護、故障診斷等方面的研究。

2.2風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)由4套10kW風(fēng)電機組實驗系統(tǒng)構(gòu)成，包括全功率驅(qū)動異步風(fēng)力發(fā)電機組、雙饋風(fēng)力發(fā)電機組、永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組和大型風(fēng)力發(fā)電機組縮比模型，如圖4所示。模擬系統(tǒng)在機械特性、電氣參數(shù)和并網(wǎng)控制技術(shù)等方面和大型風(fēng)力發(fā)電機組保持了較高相似性。風(fēng)電機組除可獨立并網(wǎng)運行模擬各種典型風(fēng)力發(fā)電機及其并網(wǎng)控制系統(tǒng)特性，還可組合后以風(fēng)電場/群形式并網(wǎng)，從而可進行多風(fēng)電機組或多風(fēng)電場的調(diào)峰、調(diào)壓、調(diào)頻等協(xié)調(diào)控制策略研究。圖5是以大型風(fēng)力發(fā)電機組縮比模型為例的實際運行功率曲線，系統(tǒng)啟動后進行發(fā)電實驗，初始風(fēng)速為3m/s，然后提高至5m/s，最后至8m/s。如圖5所示，風(fēng)速5m/s時發(fā)電機有功功率為2.3kW，風(fēng)速8m/s時有功功率階躍至6.71kW。

2.3光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由4套光伏子系統(tǒng)組成，分別是5kW單晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)、5kW單晶硅尋日光伏發(fā)電系統(tǒng)、10kW多晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)和10kW薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)，如圖6所示。其中包括一組尋日光伏發(fā)電系統(tǒng)，以模擬不同的陽光照射角度對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響。發(fā)電系統(tǒng)既能夠離網(wǎng)運行，又能夠接入電網(wǎng)、微網(wǎng)運行，且考慮了發(fā)生孤島運行時的反孤島策略。圖7是以多晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)為例的實際運行有功曲線。取2012年4月27日的發(fā)電功率數(shù)據(jù)進行分析，如圖7所示：7:56分系統(tǒng)啟動，隨著光照輻射的增強功率逐漸上升，12:49達(dá)到最大值7.15kW，隨著光照輻射的減弱功率逐漸下降，在15:51至17:20之間光照多次被云遮擋從而出現(xiàn)明顯的功率波動現(xiàn)象，18:00系統(tǒng)停止運行。

2.4儲能系統(tǒng)儲能系統(tǒng)由儲能部件、輔助能源控制柜、監(jiān)控終端構(gòu)成，其中電池儲能元件包括：鉛酸電池、鈉鹽電池、液流電池、鋰離子電池四種蓄電池。儲能系統(tǒng)可配合風(fēng)力、光伏發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)并網(wǎng)與離網(wǎng)相互轉(zhuǎn)換的平滑過渡；改善電能質(zhì)量，平緩單個負(fù)荷的投入和退出引起的電壓、頻率波動；研究不同的儲能元件運行特性，以及多類型儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)。圖8是以鉛酸蓄電池為例的實際運行效果，系統(tǒng)初始狀態(tài)為充電狀態(tài)，功率為-0.45kW，在6個時刻分別設(shè)置放電功率為1kW、2kW、3kW、4kW、1kW和0kW，從功率曲線可以看出放電功率能跟蹤參考值。

3平臺實驗設(shè)計與功能應(yīng)用

新能源電力系統(tǒng)物理模擬實驗平臺可以根據(jù)輸配電網(wǎng)的需要自由改變結(jié)構(gòu)，硬件上達(dá)到了“即插即用”，可以為新能源系統(tǒng)的研究提供支持。新能源的并網(wǎng)和消納是限制其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題。系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、并網(wǎng)運行技術(shù)、電網(wǎng)輸電能力、調(diào)度運行水平等因素決定了在現(xiàn)有客觀條件下，能否實現(xiàn)新能源發(fā)電的最大化消納。針對新能源消納應(yīng)用本實驗平臺，設(shè)計實驗方案如下。

3.1并網(wǎng)運行與穩(wěn)態(tài)暫態(tài)特性實驗平臺通過切換接入電網(wǎng)的機組，可模擬傳統(tǒng)電源（火水）與新能源（風(fēng)光儲）消納運行、新能源（風(fēng)光儲）間的互補運行；通過平穩(wěn)改發(fā)電側(cè)功率輸出、負(fù)載側(cè)功率，研究系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性；通過并網(wǎng)、瞬時改變負(fù)載容量、故障模擬等，研究新能源電力系統(tǒng)的暫態(tài)特性。實驗平臺可逐層深入地研究新能源電力系統(tǒng)運行特性以及互補方案，探究合理的多源互補發(fā)電比例。

3.1.1實驗方案本文以IEEE3機9節(jié)點典型電網(wǎng)模型為例，模擬火、水、光電機組連網(wǎng)運行，如圖9所示，設(shè)計實驗如下：a、實驗接線圖如圖9所示，正確設(shè)置斷路器，依次使火、水電機組連網(wǎng)運行；b、調(diào)節(jié)電壓、頻率滿足同期條件，將光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)，記錄主要節(jié)點的電壓U、頻率f；c、瞬時減少光伏電池組出力，記錄主要節(jié)點電壓U、頻率f、各機組出力的變化過程；d、啟動負(fù)載側(cè)電動機，記錄主要節(jié)點電壓U、頻率f、各機組出力的變化過程；e、分析變化前后機組運行狀態(tài)，研究系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性；分析變化瞬間機組運行狀態(tài)，研究系統(tǒng)暫態(tài)特性。

3.1.2實驗結(jié)果與分析實驗主要觀測量包括：水電機高壓側(cè)母線1電壓Ubus1、電流IG2，火電機低壓側(cè)母線9電壓Ubus9、電流IG1a、IG1b，光伏電池組低壓側(cè)母線3電壓Ubus8、電流IG4。光伏出力改變的實驗結(jié)果如圖10和表1所示。圖10為光伏減少各機組出力變化過程，在t=0至0.75s時，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，各機組電壓電流保持恒定；t=0.75s時，光伏系統(tǒng)出力突然減少6kW，電流減少46.9%，系統(tǒng)啟動自動調(diào)節(jié)，火水電機組電流振蕩增加；t=1.4s時，系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，由表1可知與擾動前相比，電壓基本保持穩(wěn)定，水火電機組電流增加68.9%、105.9%、87.1%。可見，系統(tǒng)具有較強的消納能力，當(dāng)新能源出現(xiàn)較大波動時，火水電機組能夠快速調(diào)節(jié)，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。電動機負(fù)載啟動時的實驗結(jié)果如圖11和表2所示。圖11為電動機啟動各機組出力變化過程，在t=0至0.8s時，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，各機組電壓電流保持恒定；t=0.8s時，負(fù)載側(cè)1臺3kW電動機啟動產(chǎn)生擾動，系統(tǒng)啟動自動調(diào)節(jié)，火水電機組電流振蕩增加；t=1.5s時，系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，由表2可知與擾動前相比，電壓基本保持穩(wěn)定，水火電機組電流增加169.6%、54.1%、70.8%，光伏系統(tǒng)保持最大功率跟蹤，電流基本穩(wěn)定。可見，系統(tǒng)具有較強的調(diào)節(jié)能力，當(dāng)負(fù)載側(cè)出現(xiàn)較大波動時，系統(tǒng)能夠快速調(diào)節(jié)，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。此外，可在電網(wǎng)不同位置設(shè)置不同類型的故障，研究新能源機組接入對電網(wǎng)短路容量、故障時動態(tài)特性以及故障解除后機組恢復(fù)能力的影響。

3.2電網(wǎng)傳輸對跨區(qū)域消納的影響電網(wǎng)傳輸能力是限制新能源跨區(qū)域消納的重要因素之一。利用實驗平臺，通過搭建輸電網(wǎng)絡(luò)，可模擬不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、輸電方式，研究電網(wǎng)傳輸對跨區(qū)域消納的影響，分析聯(lián)絡(luò)線輸送容量、聯(lián)絡(luò)線調(diào)整周期、聯(lián)絡(luò)線輸送方式等具體因素對新能源消納的影響，探究合理的跨區(qū)域消納策略。本文設(shè)計實驗研究跨區(qū)域新能源電源消納，接線如圖12所示，電網(wǎng)模型采用兩個IEEE3機9節(jié)點的典型電網(wǎng)模擬兩區(qū)域。設(shè)計5種實驗場景如表3所示。記錄5種場景下電網(wǎng)的運行狀況，并進行對比，分析實驗數(shù)據(jù)。

4結(jié)論

本文分析了通過物理模擬實驗研究新能源電力系統(tǒng)的必要性，在總結(jié)國內(nèi)外新能源物理模擬實驗發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，圍繞實驗平臺設(shè)計和應(yīng)用兩個層面，詳細(xì)闡述了新能源電力系統(tǒng)物理模擬實驗平臺的構(gòu)成和實驗方案，分析了實驗結(jié)果。表明物理實驗平臺對研究新能源電力系統(tǒng)具有重要意義。此外，實驗平臺可以根據(jù)電網(wǎng)需要自由改變結(jié)構(gòu)，硬件上可以實現(xiàn)“即插即用”。因此，實驗不局限于文中提出的方案，應(yīng)用新能源實驗平臺可以滿足不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的需要，為新能源研究提供保障。

作者：徐巖王揚單位：新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室