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物理模拟实验平台的设计

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1实验现状

目前通过物理模拟实验的方式,对大规模新能源进行系统研究的文献较少,且现有物理实验多受条件限制。文献[9]模拟风光互补发电系统,但发电过程中新能源比重小,难以模拟大规模新能源接入对区域电网的影响。文献[10]介绍了小型风光互补系统的组成、并网与监控,但未涉及风光间的协调控制。文献模拟了混合发电系统并网与独立运行的过程切换,但系统的波动性并未充分考虑。文献依托国家风光储输示范工程,分别对风光储联合发电的容量配比、无功补偿配置、调度运行原则和协调运行进行了研究,但设备成本高,实验室难以实现。当前新能源电力系统的物理模拟实验存在以下问题:1)实验机组容量小,难以准确模拟机组对电网运行特性的影响;2)模型结构过于简化,难以展现具体动态过程;3)研究对象单一,缺乏对新能源“多源”系统协调控制模拟。由此,设计“风、光、储、输”一体的新能源电力系统物理模拟实验平台,对研究大规模可再生能源接入电网等技术问题具有重要意义。

2新能源系统物理模拟实验平台构成

新能源电力系统物理模拟实验平台采用模块化设计,通过切换盘对系统进行组态,可形成不同类型的实验系统,满足不同研究的需要。图1和图2分别为物理模拟实验平台构成示意图和主体实物图,如图1所示,实验平台构成主要包括风力发电模拟系统、光伏发电系统、储能系统、输电网物理模型、新能源发电等值系统等12个模块。

2.1传统动态模拟系统传统动模发电系统由不同容量机组构成,包括5kVA、5.5kVA、6.25kVA、15kVA、30kVA机组,如图3所示,通过控制器模拟汽轮机、水轮机、柴油机等机组发电特性。传统动模机组除可独立并网运行模拟各种典型发电机及其并网控制系统特性外,还可实现发电机转子、定子匝间短路,进行发电机保护、故障诊断等方面的研究。

2.2风力发电模拟系统风力发电模拟系统由4套10kW风电机组实验系统构成,包括全功率驱动异步风力发电机组、双馈风力发电机组、永磁同步风力发电机组和大型风力发电机组缩比模型,如图4所示。模拟系统在机械特性、电气参数和并网控制技术等方面和大型风力发电机组保持了较高相似性。风电机组除可独立并网运行模拟各种典型风力发电机及其并网控制系统特性,还可组合后以风电场/群形式并网,从而可进行多风电机组或多风电场的调峰、调压、调频等协调控制策略研究。图5是以大型风力发电机组缩比模型为例的实际运行功率曲线,系统启动后进行发电实验,初始风速为3m/s,然后提高至5m/s,最后至8m/s。如图5所示,风速5m/s时发电机有功功率为2.3kW,风速8m/s时有功功率阶跃至6.71kW。

2.3光伏发电系统光伏发电系统由4套光伏子系统组成,分别是5kW单晶硅光伏发电系统、5kW单晶硅寻日光伏发电系统、10kW多晶硅光伏发电系统和10kW薄膜光伏发电系统,如图6所示。其中包括一组寻日光伏发电系统,以模拟不同的阳光照射角度对光伏发电系统的影响。发电系统既能够离网运行,又能够接入电网、微网运行,且考虑了发生孤岛运行时的反孤岛策略。图7是以多晶硅光伏发电系统为例的实际运行有功曲线。取2012年4月27日的发电功率数据进行分析,如图7所示:7:56分系统启动,随着光照辐射的增强功率逐渐上升,12:49达到最大值7.15kW,随着光照辐射的减弱功率逐渐下降,在15:51至17:20之间光照多次被云遮挡从而出现明显的功率波动现象,18:00系统停止运行。

2.4储能系统储能系统由储能部件、辅助能源控制柜、监控终端构成,其中电池储能元件包括:铅酸电池、钠盐电池、液流电池、锂离子电池四种蓄电池。储能系统可配合风力、光伏发电系统实现并网与离网相互转换的平滑过渡;改善电能质量,平缓单个负荷的投入和退出引起的电压、频率波动;研究不同的储能元件运行特性,以及多类型储能系统的协调控制技术。图8是以铅酸蓄电池为例的实际运行效果,系统初始状态为充电状态,功率为-0.45kW,在6个时刻分别设置放电功率为1kW、2kW、3kW、4kW、1kW和0kW,从功率曲线可以看出放电功率能跟踪参考值。

3平台实验设计与功能应用

新能源电力系统物理模拟实验平台可以根据输配电网的需要自由改变结构,硬件上达到了“即插即用”,可以为新能源系统的研究提供支持。新能源的并网和消纳是限制其发展的关键技术问题。系统调节能力、并网运行技术、电网输电能力、调度运行水平等因素决定了在现有客观条件下,能否实现新能源发电的最大化消纳。针对新能源消纳应用本实验平台,设计实验方案如下。

3.1并网运行与稳态暂态特性实验平台通过切换接入电网的机组,可模拟传统电源(火水)与新能源(风光储)消纳运行、新能源(风光储)间的互补运行;通过平稳改发电侧功率输出、负载侧功率,研究系统稳态特性;通过并网、瞬时改变负载容量、故障模拟等,研究新能源电力系统的暂态特性。实验平台可逐层深入地研究新能源电力系统运行特性以及互补方案,探究合理的多源互补发电比例。

3.1.1实验方案本文以IEEE3机9节点典型电网模型为例,模拟火、水、光电机组连网运行,如图9所示,设计实验如下:a、实验接线图如图9所示,正确设置断路器,依次使火、水电机组连网运行;b、调节电压、频率满足同期条件,将光伏发电系统并网,记录主要节点的电压U、频率f;c、瞬时减少光伏电池组出力,记录主要节点电压U、频率f、各机组出力的变化过程;d、启动负载侧电动机,记录主要节点电压U、频率f、各机组出力的变化过程;e、分析变化前后机组运行状态,研究系统稳态特性;分析变化瞬间机组运行状态,研究系统暂态特性。

3.1.2实验结果与分析实验主要观测量包括:水电机高压侧母线1电压Ubus1、电流IG2,火电机低压侧母线9电压Ubus9、电流IG1a、IG1b,光伏电池组低压侧母线3电压Ubus8、电流IG4。光伏出力改变的实验结果如图10和表1所示。图10为光伏减少各机组出力变化过程,在t=0至0.75s时,系统处于稳态,各机组电压电流保持恒定;t=0.75s时,光伏系统出力突然减少6kW,电流减少46.9%,系统启动自动调节,火水电机组电流振荡增加;t=1.4s时,系统重新恢复稳态,由表1可知与扰动前相比,电压基本保持稳定,水火电机组电流增加68.9%、105.9%、87.1%。可见,系统具有较强的消纳能力,当新能源出现较大波动时,火水电机组能够快速调节,维持系统稳定。电动机负载启动时的实验结果如图11和表2所示。图11为电动机启动各机组出力变化过程,在t=0至0.8s时,系统处于稳态,各机组电压电流保持恒定;t=0.8s时,负载侧1台3kW电动机启动产生扰动,系统启动自动调节,火水电机组电流振荡增加;t=1.5s时,系统重新恢复稳态,由表2可知与扰动前相比,电压基本保持稳定,水火电机组电流增加169.6%、54.1%、70.8%,光伏系统保持最大功率跟踪,电流基本稳定。可见,系统具有较强的调节能力,当负载侧出现较大波动时,系统能够快速调节,维持系统稳定。此外,可在电网不同位置设置不同类型的故障,研究新能源机组接入对电网短路容量、故障时动态特性以及故障解除后机组恢复能力的影响。

3.2电网传输对跨区域消纳的影响电网传输能力是限制新能源跨区域消纳的重要因素之一。利用实验平台,通过搭建输电网络,可模拟不同电网结构、输电方式,研究电网传输对跨区域消纳的影响,分析联络线输送容量、联络线调整周期、联络线输送方式等具体因素对新能源消纳的影响,探究合理的跨区域消纳策略。本文设计实验研究跨区域新能源电源消纳,接线如图12所示,电网模型采用两个IEEE3机9节点的典型电网模拟两区域。设计5种实验场景如表3所示。记录5种场景下电网的运行状况,并进行对比,分析实验数据。

4结论

本文分析了通过物理模拟实验研究新能源电力系统的必要性,在总结国内外新能源物理模拟实验发展现状的基础上,围绕实验平台设计和应用两个层面,详细阐述了新能源电力系统物理模拟实验平台的构成和实验方案,分析了实验结果。表明物理实验平台对研究新能源电力系统具有重要意义。此外,实验平台可以根据电网需要自由改变结构,硬件上可以实现“即插即用”。因此,实验不局限于文中提出的方案,应用新能源实验平台可以满足不同电网结构的需要,为新能源研究提供保障。

作者:徐岩王扬单位:新能源电力系统国家重点实验室

大学物理杂志责任编辑:田老师    阅读:人次