一种开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台的制作方法

1.本实用新型属于可再生能源微电网应用领域，尤其是涉及一种开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台。


背景技术：

2.海岛供电是可再生能源微电网应用的一个重要领域，海岛周围具有大量的可再生能源，例如风能、太阳能、潮流能和波浪能等，建立多能互补微电网成为海岛供电的合理有效解决方案。为了进一步深入推进我国海岛微电网技术的研究和开发应用，搭建实物微电网实验平台，模拟可再生能源微电网的互补特性与源
‑
荷特性，进行能量管理控制策略的实验验证。通过制定合理的供电管理策略不仅能够增加发电系统的安全稳定性、保证发电系统的出力经济性，而且还能提高电能质量，进而使得利用可再生能源发电成为一种稳定可靠的能源转换方式。
3.目前，我国在微电网研究和微电网的实验平台建设方面已经取得很大的技术进展，其中实验平台包括全数字微电网模拟平台、微电网半物理模拟平台和全实物微电网模拟平台。在已研发的微电网实验平台中大都采用的是“风
‑
光
‑
柴
‑
储”的互补形式，未涉及到海洋能发电装置，近年来海洋能发电技术取得了技术性的突破，将在海岛微电网中发挥重要作用。另外，现有微电网的供电管理多为设备级的优化控制，如光伏mppt控制、风机限功率控制，并不能满足微电网中能量的动态平衡要求，需制定设备间的层级对微电网各单元进行协调优化控制和管理。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型旨在提出一种开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台，以解决海岛可再生能源产业发展的基础瓶颈问题。
5.为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
6.一种开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台,包括电池模拟模块、若干发电模拟模块、耗能模块和能量管理单元，电池模拟模块、若干发电模拟模块和耗能模块分别信号连接至能量管理单元，电池模拟模块、若干发电模拟模块分别电力连接至耗能模块，若干发电模拟模块包括互相并联的风力发电模拟模块、光伏发电模拟模块、潮流能发电模拟模块、波浪能发电模拟模块和柴油发电模拟模块。
7.进一步的，所述能量管理单元包括rcp快速控制原型、串口服务器和上位机，rcp快速控制原型和串口服务器信号连接，且rcp快速控制原型电连接至第八交流接触器，第八交流接触器电连接至rcp快速控制原型上电按钮，串口服务器信号连接至上位机。
8.进一步的，所述耗能模块包括耗能负载、dc/ac变换器、第七直流断路器、第七直流接触器、第八交流接触器和第九交流接触器，第八交流接触器和第九交流接触器均电连接至电源，耗能负载信号连接至rcp快速控制原型，耗能负载电连接至dc/ac变换器和第九交流接触器，第九交流接触器电连接至耗能负载上电按钮，dc/ac变换器分别经过第七直流断
路器电连接至第七直流接触器、第八交流接触器，第八交流接触器电连接至dc/ac变换器上电按钮。
9.进一步的，所述第十直流接触器电连接至三相电源和总电开关。
10.进一步的，所述电池模拟模块包括电池模拟器、dc/dc双向变换器、第六直流接触器、第六直流断路器、第六交流接触器和第七交流接触器，电池模拟器通过通信线连接至串口服务器，电池模拟器分别电连接至n极、pe极、第七交流接触器和dc/dc双向变换器，dc/dc双向变换器电连接至第六交流接触器，第六交流接触器分别电连接至第十直流接触器、n极、pe极和dc/dc双向变换器上电按钮；dc/dc双向变换器还经过第六直流接触器电连接至第六直流断路器；第六直流断路器连接至第七直流接触器，第七交流接触器分别连接至第十直流接触器、电池模拟器上电按钮。
11.进一步的，所述发电模拟模块包括发电模拟器、交流接触器、dc/dc变换器、直流接触器和直流断路器，发电模拟器信号连接至rcp快速控制原型，交流接触器连接至电源，发电模拟器分别电连接至交流接触器和dc/dc变换器，dc/dc变换器经过直流接触器连接至直流断路器；直流断路器电连接至第七直流接触器。
12.进一步的，所述潮流能发电模拟模块包括潮流能发电模拟器，第三dc/dc变换器、第三直流接触器、第三直流断路器和第三交流接触器，潮流能发电模拟器信号连接至能量管理单元，第三交流接触器连接至电源、潮流能发电模拟器上电按钮，潮流能发电模拟器分别电连接至第三交流接触器和第三dc/dc变换器，第三dc/dc变换器经过第三直流接触器连接至第三直流断路器；第三直流断路器电连接至第七直流接触器。
13.进一步的，所述波浪能发电模拟模块包括波浪能发电模拟器，第四dc/dc变换器、第四直流接触器、第四直流断路器和第四交流接触器，波浪能发电模拟器信号连接至能量管理单元，第四交流接触器连接至电源、波浪能发电模拟器上电按钮，波浪能发电模拟器分别电连接至第四交流接触器和第四dc/dc变换器，第四dc/dc变换器经过第四直流接触器连接至第四直流断路器；第四直流断路器电连接至第七直流接触器。
14.进一步的，所述柴油发电模拟模块包括柴油发电模拟器，第五dc/dc变换器、第五直流接触器、第五直流断路器和第五交流接触器，柴油发电模拟器信号连接至能量管理单元，第五交流接触器电连接至电源、柴油发电模拟器上电按钮，光伏发电模拟器分别电连接至第五交流接触器和第五dc/dc变换器，第五dc/dc变换器经过第五直流接触器连接至第五直流断路器；第五直流断路器电连接至第七直流接触器。
15.进一步的，所述开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台还包括琴式操控台，用于集成上位机和控制按钮。
16.相对于现有技术，本实用新型所述的开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台具有以下优势：
17.(1)本实用新型所述的开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台,应用了rcp快速控制原型作为能量管理模块，rcp快速控制原型与发电模拟器直接相连，设有通讯，可实现算法与成果快速验证,可发现控制算法中存在的问题，缩短了开发周期，可避免过多的资源浪费和时间消耗，提高程序对可再生能源消纳和能源综合利用需求的适应性。
18.(2)本实用新型所述的开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台,针对各发电单元的功率特性、负荷的不确定性以及微电网的复杂性，综合考虑微电网各种运行模式
以及设备运行条件，从设备间的层级对发电装置、储能装置、柴油备用电源、负荷进行协调优化控制和管理。
19.(3)本实用新型所述的开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台,不仅包括物理硬件系统，还具备运行控制与能量管理功能，是一种实用化的基础研究平台，结合可再生能源种类的多样性、系统动态的复杂性以及运行中的不确定性，分析模拟多时间尺度、多工况的多能互补微电网运行特性，研究及验证微电网运行稳定性、安全性以及管理控制技术，对新一代海岛综合能源系统分析、运行管理与规划设计提供技术参考，有效解决海岛可再生能源产业发展的基础瓶颈问题。
20.(4)本实用新型所述的开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台,采用多台可编程直流电源代替风力、光伏、潮流能、波浪能和柴油发电模拟器，形成多能源互补发电形式，通过电池模拟器缓冲与存储，通过电力变换向负载供电，柴油发电模拟器作为能量不足时的备用电源。
附图说明
21.构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
22.图1为本实用新型实施例所述的开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台的控制原理图。
23.附图标记说明：
[0024]1‑
风力发电模拟器；101
‑
第一dc/dc变换器；102
‑
第一直流接触器；103
‑
第一直流断路器；104
‑
第一交流接触器；2
‑
光伏发电模拟器；201
‑
第二dc/dc变换器；202
‑
第二直流接触器；203
‑
第二直流断路器；204
‑
第二交流接触器；3
‑
潮流能发电模拟器；301
‑
第三dc/dc变换器；302
‑
第三直流接触器；303
‑
第三直流断路器；304
‑
第三交流接触器；4
‑
波浪能发电模拟器；401
‑
第四dc/dc变换器；402
‑
第四直流接触器；403
‑
第四直流断路器；404
‑
第四交流接触器；5
‑
柴油发电模拟器；501
‑
第五dc/dc变换器；502
‑
第五直流接触器；503
‑
第五直流断路器；504
‑
第五交流接触器；6
‑
电池模拟器；601
‑
dc/dc双向变换器；602
‑
第六直流接触器；603
‑
第六直流断路器；604
‑
第六交流接触器；605
‑
第七交流接触器；7
‑
耗能负载；701
‑
dc/ac变换器；702
‑
第七直流断路器；703
‑
第七直流接触器；704
‑
第八交流接触器；705
‑
第九交流接触器；8
‑
rcp快速控制原型；801
‑
串口服务器；802
‑
第八交流接触器；9
‑
琴式操控台；901
‑
电池模拟器上电按钮；902
‑
dc/dc双向变换器上电按钮；903
‑
总电开关；904
‑
风力发电模拟器上电按钮；905
‑
光伏发电模拟器上电按钮；906
‑
潮流能发电模拟器上电按钮；907
‑
波浪能发电模拟器上电按钮；908
‑
柴油发电模拟器上电按钮；909
‑
dc/ac变换器上电按钮；910
‑
耗能负载上电按钮；911
‑
上位机；912
‑
rcp快速控制原型上电按钮；10
‑
第十直流接触器。
具体实施方式
[0025]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0026]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、
“
前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0027]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0028]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
[0029]
一种开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台，如图1所示，包括电池模拟模块、若干发电模拟模块、耗能模块和能量管理单元，电池模拟模块、若干发电模拟模块和耗能模块分别信号连接至能量管理单元，电池模拟模块、若干发电模拟模块分别电力连接至耗能模块，电池模拟模块和若干发电模拟模块互相并联设置，若干发电模拟模块包括互相并联的风力发电模拟模块、光伏发电模拟模块、潮流能发电模拟模块、波浪能发电模拟模块和柴油发电模拟模块。
[0030]
海岛多能互补直流微电网模拟实验平台不仅要包括物理硬件系统，还具备运行控制与能量管理功能，是一种实用化的基础研究平台。结合可再生能源种类的多样性、系统动态的复杂性以及运行中的不确定性，分析模拟多时间尺度、多工况的多能互补微电网运行特性，研究及验证微电网运行稳定性、安全性以及管理控制技术，对新一代海岛综合能源系统分析、运行管理与规划设计提供技术参考，有效解决海岛可再生能源产业发展的基础瓶颈问题。
[0031]
能量管理单元包括rcp快速控制原型8和串口服务器801，rcp快速控制原型8和串口服务器801信号连接，且rcp快速控制原型8电连接至第八交流接触器802，第八交流接触器802电连接至rcp快速控制原型上电按钮912，串口服务器801信号连接至上位机911。
[0032]
将rcp快速控制原型8应用于微电网模拟平台中，将实物模拟平台与数字控制系统相结合，基于该原型利用matlab/simlink库文件转换为源代码编译下载到硬件开发平台，从而快速实现控制系统。通过上位机数据采集和状态监测，可以检验控制方案对实际对象的控制效果，并在线优化控制参数。
[0033]
耗能模块包括耗能负载7、dc/ac变换器701、第七直流断路器702、第七直流接触器703、第八交流接触器704和第九交流接触器705，第八交流接触器704和第九交流接触器705均电连接至电源(包括经过第十直流接触器10连接的三项电源、n极、pe极，下文中以“电源”来代替此处具体的电源连接方式)；耗能负载7信号连接至串口服务器801，耗能负载7电连接至dc/ac变换器701和第九交流接触器705，第九交流接触器705电连接至耗能负载上电按钮910，dc/ac变换器701分别经过第七直流断路器702电连接至第七直流接触器703、第八交流接触器704，第八交流接触器704电连接至dc/ac变换器上电按钮909。
[0034]
第十直流接触器10电连接至三项电源和总电开关903。
[0035]
电池模拟模块包括电池模拟器6、dc/dc双向变换器601、第六直流接触器602、第六直流断路器603、第六交流接触器604和第七交流接触器605，电池模拟器6通过通信线连接至串口服务器801，电池模拟器6分别电连接至n极、pe极、第七交流接触器605和dc/dc双向变换器601，dc/dc双向变换器601电连接至第六交流接触器604，第六交流接触器604分别电连接至第十直流接触器10、n极、pe极和dc/dc双向变换器上电按钮902；dc/dc双向变换器601还经过第六直流接触器602电连接至第六直流断路器603；第六直流断路器603连接至第七直流接触器703，第七交流接触器605一端经第十直流接触器10连接至三相电源，另一端连接至电池模拟器上电按钮901。
[0036]
发电模拟模块包括发电模拟器、交流接触器、dc/dc变换器、直流接触器和直流断路器，发电模拟器信号连接至rcp快速控制原型8，交流接触器连接至电源，发电模拟器分别电连接至交流接触器和dc/dc变换器，dc/dc变换器经过直流接触器连接至直流断路器；直流断路器电连接至第七直流接触器703。
[0037]
具体的，风力发电模拟模块包括风力发电模拟器1、第一dc/dc变换器101、第一直流接触器102、第一直流断路器103和第一交流接触器104，风力发电模拟器1信号连接至串口服务器801，第一交流接触器104连接至电源、风力发电模拟器上电按钮904，风力发电模拟器1分别电连接至第一交流接触器104和第一dc/dc变换器101，第一dc/dc变换器101经过第一直流接触器102连接至第一直流断路器103；第一直流断路器103电连接至第七直流接触器703。
[0038]
光伏发电模拟模块包括光伏发电模拟器2，第二dc/dc变换器201、第二直流接触器202、第二直流断路器203和第二交流接触器204，光伏发电模拟器2信号连接至串口服务器801，第二交流接触器204连接至电源、光伏发电模拟器上电按钮905，光伏发电模拟器2分别电连接至第二交流接触器204和第二dc/dc变换器201，第二dc/dc变换器201经过第二直流接触器202连接至第二直流断路器203；第二直流断路器203电连接至第七直流接触器703。
[0039]
潮流能发电模拟模块包括潮流能发电模拟器3，第三dc/dc变换器301、第三直流接触器302、第三直流断路器303和第三交流接触器304，潮流能发电模拟器3信号连接至串口服务器801，第三交流接触器304连接至电源、潮流能发电模拟器上电按钮906，潮流能发电模拟器3分别电连接至第三交流接触器304和第三dc/dc变换器301，第三dc/dc变换器301经过第三直流接触器302连接至第三直流断路器303；第三直流断路器303电连接至第七直流接触器703。
[0040]
波浪能发电模拟模块包括波浪能发电模拟器4，第四dc/dc变换器401、第四直流接触器402、第四直流断路器403和第四交流接触器404，波浪能发电模拟器4信号连接至串口服务器801，第四交流接触器404连接至电源、波浪能发电模拟器上电按钮907，波浪能发电模拟器4分别电连接至第四交流接触器404和第四dc/dc变换器401，第四dc/dc变换器401经过第四直流接触器402连接至第四直流断路器403；第四直流断路器403电连接至第七直流接触器703。
[0041]
柴油发电模拟模块包括柴油发电模拟器5，第五dc/dc变换器501、第五直流接触器502、第五直流断路器503和第五交流接触器504，柴油发电模拟器5信号连接至串口服务器801，第五交流接触器504电连接至电源、柴油发电模拟器上电按钮908，光伏发电模拟器2分
别电连接至第五交流接触器504和第第五dc/dc变换器501，第五dc/dc变换器501经过第五直流接触器502连接至第五直流断路器503；第五直流断路器503电连接至第七直流接触器703。
[0042]
优选的，电池模拟器上电按钮901、dc/dc双向变换器上电按钮902、总电开关903、风力发电模拟器上电按钮904、光伏发电模拟器上电按钮905、潮流能发电模拟器上电按钮906、波浪能发电模拟器上电按钮907、柴油发电模拟器上电按钮908、dc/ac变换器上电按钮909、耗能负载上电按钮910、上位机911、rcp快速控制原型上电按钮912集成在琴式操控台9上，方便集中操作。
[0043]
琴式操控台9通过控制交流接触器可对实验平台中各模块提供工作电源。各发电模拟器通过直流电力输出汇流在直流母线上，各支路设有直流接触器和直流断路器用于控制电路的电力通断和电力隔离。各发电模拟器和电力变换器与琴式操控台9实现通讯，通过上位机可编辑多个发电模拟器的功率特性，也采集各发电模拟器的实时电气参数。
[0044]
本技术的开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台，采用多台可编程直流电源代替风力、光伏、潮流能、波浪能和柴油发电模拟器，形成多能源互补发电形式，通过电池模拟器缓冲与存储，通过电力变换向负载供电，柴油发电模拟器作为能量不足时的备用电源。rcp快速控制原型作为能量管理系统，是一个开放式的可编程控制器，可制定不同的系统运行控制策略，实验验证控制策略的合理性和可靠性。
[0045]
开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台组成；
[0046]
1.发电模拟器
[0047]
各发电单元采用可编程直流电源模拟代替，按照时、日、月尺度模拟出各可再生能源的出力特性，可设定100个功率点，模拟输出功率曲线。按比例尺可设定各发电单元的装机容量。
[0048]
2.电池模拟器
[0049]
可模拟多种电池的充放电的特性，可选择模拟不同电池的类型、串联节数、并联节数及soc指标，从而全面模拟电池的输出特性，包括了电池放电过程中电池内阻特性变化的过程。
[0050]
3.电力变换器
[0051]
dc/dc变换器可调节各发电模拟器的输出电压，以设定值输出；dc/dc双向变换器可实现直流电能双向流动的装置；dc/ac变换器可将直流母线中的直流电能转化成输出电压和频率稳定的交流电能。
[0052]
4.耗能负载
[0053]
选用可调的阻性负载，根据设定程序模拟出负荷的“峰
‑
谷”特性。对负载化分为重要负载和次要负载，根据发电情况切入、切出。需要配备风冷散热。
[0054]
5.备用电源
[0055]
采用pwm技术的高频开关式直流电源，具有恒压、恒流、恒功率模式输出，可实现功率补偿。
[0056]
6.数据采集单元
[0057]
设计数据采集单元(上位机)，进行设备运行数据统一采集、查看和分析，提供综合全面的运行状态监测。实现供电系统的状态监控、数据采集、历史数据库查询的功能。
[0058]
7.能量管理单元
[0059]
基于快速控制模型，(rapid control prototype,rcp)，包括实际系统中的各种i/o，软件及硬件中断等实时特性，可提供完善、开放的能量调度系统，可根据不同工况，设定不同的优化目标，制定不同的运行策略。通过matlab/simlink编写的控制算法编译后下载到实时硬件上，通过硬件i/o和通讯端口传输数据快速实现电力电子控制。人机交互界面运行在普通pc上，主要实现系统的快速配置，控制指令下发和状态监测。实时部分运行在实时控制器上，多核实时cpu上运行着两个循环：低优先级的通讯循环和高优先级的控制算法循环。改程序和算法均为现有技术，在此不再赘述。
[0060]
根据“源
‑
荷”运行特性的匹配关系，结合海岛多能互补微电网的特点，按照不同时间尺度划分模态，区分正常工况和极端工况下的运行模式，研究适用可再生能源消纳和能源综合利用的主动控制技术，指导发电调度、负荷调用和储能控制，分别制定长短期的供电管理控制策略。其中各设备均可作为可调度的资源参与电力供需平衡控制，发电单元的有功功率控制、蓄电池的充放电控制，柴油发电机的负载跟随控制，用电负荷的分级控制都将成为供电管理的重要手段。
[0061]
开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台具体功能:
[0062]
1.系统可兼容多个可编程直流电源、电池模拟器和耗能负载，通过操控界面可实现命令调度。
[0063]
2.可通过缩尺比设定模拟发电模拟器的装机容量、功率曲线、储能容量和放电深度。
[0064]
3.可采集交流电压、交流电流、直流电压和直流电流；采集位置可自行配置；信号回路与功率回路隔离。
[0065]
4.上位机可获取平台运行期间的主要运行参数，可切换实际数据和缩比数据，包括各模块的电压、电流、功率和发电量等，实时曲线显示，数据本地存储，历史数据可以导出。
[0066]
5.故障(过压、过流、短路、过温)条件下能自行保护，故障信号能硬件锁存并反馈操控界面，能够通过软件清除硬件锁存。
[0067]
6.控制系统中含有负载跟踪模式的样本程序，控制程序开放式设计，可二次开发，控制逻辑可调。
[0068]
开放式海岛多能互补直流微电网模拟实验平台的工作原理为：
[0069]
正常供电时：以保证海岛负荷用电可靠性为控制目标，当上位机判断系统发电功率大于负载功率，优先给蓄电池充电，当蓄电池充满时，上位机按优先级停止发电模拟器；当上位机判断若发电功率小于负载功率，蓄电池与发电单元联合向负载供电，如果还不满足负载的功率要求，启动柴油发电模拟器，共同向负载供电；
[0070]
正常供电不能满足耗能负载需求时：以柴油发电最少次数为控制目标，同样比较发电功率和负载功率的大小，当上位机判断若电功率小于负载功率时，先启动蓄电池放电，还不满足功率要求时，先切除次要负载，优先重要负载工作，若依然不满足用电功率，最后启动柴油发电模拟器，保证重要负载工作。
[0071]
微电网模拟平台应用了rcp快速控制原型作为能量管理模块，程序编写灵活、优化便捷。rcp快速控制原型与发电模拟器直接相连，设有通讯，可实现算法与成果快速验证,可
发现控制算法中存在的问题。在最优控制程序形成前，缩短开发周期，可避免过多的资源浪费和时间消耗，提高程序对可再生能源消纳和能源综合利用需求的适应性。
[0072]
本技术针对各发电单元的功率特性、负荷的不确定性以及微电网的复杂性，综合考虑微电网各种运行模式以及设备运行条件，从设备间的层级对发电装置、储能装置、柴油备用电源、负荷进行协调优化控制和管理。
[0073]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。