基于新工科理念微電網仿真實驗平臺研究

許 瑩， 郝正航， 李慶生， 陳 卓，韓 松

（1 貴州電網有限責任公司 安順供電局， 貴州 安順 561099； 2 貴州大學 電氣工程學院， 貴陽 550025；3 貴州電網有限責任公司 電網規劃研究中心， 貴陽 550025）

0 引 言

隨著“碳達峰、碳中和”國家能源戰略目標的提出，能源轉型力度持續加大，逐步形成了大量新能源接入電力系統的局面，新型電力系統將在很長時期成為電氣學科確定無疑的前沿領域［1］。 新型電力系統以分布式、集中式新能源為主，大量新能源的接入使發電系統變得不可控，用戶負荷預測準確性下降，嚴重影響了電力系統的穩定［2］。 同時，新型電力系統在技術領域呈現出電氣、自動化、通信等新技術高度融合的趨勢［3］。 因此電力系統構建以新能源為主體的新型電力系統，必然造成傳統電力系統技術領域的深刻變革，客觀上也要求電力系統學科必須做出重大調整，相應的教學科研活動和人才培養方式也必須適應新的要求。

1 電氣新工科的提出

未來電氣領域更加強調從業人員的知識全貌、整體素質和創新實踐能力，更加注重電力電子、信息技術和新能源技術。 然而，電力行業數十年穩定體制和技術范式形成了該專業人才培養的固定模式，既有的課程體系和實踐環節已經無法適應產業需求，高校人才培養與國家戰略需求脫節問題突出［4］。 對于電氣類新工科而言，面向新型電力系統的技術體系和發展趨勢，開展教學及實踐環節改革，正是對新工科內涵的響應和落實［5］。

當前基于傳統電力系統的實踐教學，教學對象局限于傳統能源及傳統輸配電網，實驗手段和實驗項目單一陳舊［6］。 雖然有高校已開展新能源發電等相關課程，但缺乏規范化、系統性可以支撐理論教學的實驗平臺［7］。 有些演示型實驗平臺，由于實驗內容固定，實驗項目缺乏可拓展性，實驗教學缺乏深度，與實際產業脫節［8］。 現有的操作型實驗平臺，無法支持探索性實驗，限制了學生的想象空間，不利于創新素質和動手能力的培養［9］。

根據新工科內涵建設要求，本文提出了新型電力系統下實驗平臺的研制路線，力求在教學方式上對接產業場景，科學濃縮產業流程后對接課堂、實驗室，既聯系生產實際又避免簡單照搬和移植。 基于該實驗平臺，學生可以經歷產品研發的全過程，克服了脫離產業的詬病，實現產、研、教高水平融合。 同時結合項目化教學案例，形成新工科創新實踐新模式，對于培養適應新型電力系統發展的工程技術人才具有重要價值和示范效果。

2 實驗平臺建設方案

2.1 總體架構

新型電力系統技術前沿表現為新能源發電并網、智能微電網、柔性配電網等領域。 實驗平臺總體架構設計緊緊圍繞趨勢性熱點領域，設計數字化研究對象，在此基礎上設計實驗項目和教學案例。

實驗平臺包括上位機、電氣信息實時仿真器（UREP300）、實際工業裝置、可編程工業裝置等，整體架構如圖1 所示。 其中，電氣信息實時仿真器為該平臺核心儀器，系本校自主研制的大型教學科研設備，是對進口設備的國產化替代，結合嵌入式開發平臺承載實驗模型的實時運行；實際工業裝置為控制和保護的標準化物理裝置，其軟件已經固化；可編程工業裝置提供學生自由開發和實驗的空間，支持自由的軟件定義，并與實際工業裝置比對效果；監控界面用于顯示實驗模型的運行狀態。

圖1 實驗平臺整體架構Fig.1 The overall structure of the experiment platform

2.2 實驗平臺的核心硬件

實驗平臺的核心硬件為電氣信息實時仿真器，其仿真執行進度和實際時間嚴格對應，用于教學實驗，可使實踐課程更加貼合產業實際。 電氣信息實時仿真器由多核CPU 插件、輸入輸出接口板、嵌入式硬件開發平臺、教學案例包和監控軟件等部分組成。 平臺中基于FPGA 的嵌入式模塊具有高效的網絡求解器，可求解復雜電氣網絡。 軟件平臺支持C代碼移植與編譯，結合平臺硬件形成閉環，實現各種應用場景的實時仿真和半實物仿真。 上位機與仿真機進行實時數據交互，實時運行由圖形化仿真模型編譯的代碼，用多核心多CPU 的高效并行技術，計算效率和仿真規模能夠支持當前和未來新能源電力系統發展需要。 平臺最小仿真步長20 μs，可模擬新型電力系統的復雜電磁暫態行為，提升電網全電磁暫態建模效率。

實際工業裝置在實際電網中用作微機保護、測量控制及系統優化等。 實際工業裝置介入實驗系統，可以更好的體現與產業的融合，更加接近現實中的配電網及微電網裝備，對于教學科研和實訓實習具有重要價值。 實際工業裝置屏柜包括低壓保護測控裝置、中高壓保護測控裝置、現場數據接口等子系統。 實時仿真器通過實際I／O 設備與實際工業裝置連接，實現快速控制仿真。 實際工業裝置的硬件主處理器模塊基于多核CPU 和FPGA 架構設計，確保即便由單個處理器模塊構成的低壓保護及測控設備，同樣具有強大的處理能力，以實現其需要的控制保護及通信功能。

為了使該平臺具有更大的靈活性，支撐各種實驗模式和實驗項目，可編程工業裝置采用與實際工業裝置類似的硬件配置，但其軟件可以靈活修改，給研究者和學習者更大的使用空間，發揮實驗平臺最大效益。 可編程工業裝置的硬件采用多核CPU 架構設計，具有較強的數據處理能力，滿足各種應用場景，甚至較為苛刻的需求。

3 實驗平臺應用

3.1 新工科實驗模式

新工科內涵強調實踐能力，實踐能力的培養是全面而非局部的，是邏輯關聯的而非碎片化的［10］。新工科電氣實驗平臺圍繞新工科內涵要義，結合新型電力系統產業需求和技術發展方向，創建新工科實驗模式。

在產業需求方面，新型電力系統電源運維、電網運維、電氣制造及試驗研發等領域都給新工科人才賦予了新的要求，因此實驗教學需要涵蓋《新能源發電技術》、《智能配電網》、《智能微電網》、《電力電子技術》等課程，滿足實際產業的人才需求。

在技術前沿方面，新型電力系統建設涵蓋交叉學科知識，信息通信技術、嵌入式開發與應用等領域的技術前沿。 實驗平臺在清潔能源、智能電網、智能制造、綜合能源等領域開展產業化實驗與研究，通過信息物理融合，結合產業研發方式，串聯打通碎片化知識，貫徹工程思維、問題導向、產品導向，讓學生經歷電氣自動化裝備先進研發模式和整個流程，新工科實驗模式如圖2 所示。

圖2 新工科實驗模式Fig.2 New engineering experiment model

（1）對創新型實驗或研發項目開展需求分析，弄清楚項目的實際需求和指標要求，制定總體實施方案；

（2）開展系統設計，包括電氣與電子、機電系統、通信系統、嵌入式系統等設計內容，此環節可訓練學生解決復雜工程問題的能力；

（3）針對第二步的系統設計，開展1：1 實時仿真，此環節的作用在于驗證基本功能、技術指標和軟件代碼，同時評估硬件開銷；

（4）進行產品設計，確定硬件方案并設計產品硬件部分，接口規范和通信協議應符合相關標準，通過代碼移植技術加載軟件。 在此基礎上，通過環仿真分析和優化迭代，進一步完善設計成果，直至完全符合要求。

基于這種模式，學生和教師還可以開展面向新型電力系統多個方向、不同層次的創新課題，快速抓住學科發展的先機，推動教學和科研水平同步提升。

3.2 案例設計

以智能微電網為例，基于該平臺開展項目化教學。 智能微電網拓撲如圖3 所示，由750 V 直流微電網、380 V 交流微電網與一條380 V 饋線構成。其中，交流微電網主要由蓄電池系統、直驅風力發電系統、交流負載與直流負載構成；直流微電網主要由蓄電池系統、光伏發電系統與直流負載構成；兩個微電網通過聯絡變流器連接，互為備用。

圖3 智能微電網拓撲圖Fig.3 Smart micro-grid topology

實踐教學步驟：

（1） 離 線 仿 真。 實 驗 平 臺 支 持MATLAB／Simulink 建模，建模環境為圖形化界面，涵蓋各種電氣設備及元件，一次及二次裝備均可數字化模擬。學生根據微電網拓撲圖通過Matlab／Simulink 搭建離線仿真模型，如圖4 所示。 根據實驗需求編寫交流微電網同期并網程序和有功無功控制策略、直流微電網的并網程序及功率控制策略、微電網能量管理軟件和優化計算程序、交流微電網孤島運行時電壓和頻率控制系統、直流微電網孤島運行時電壓穩定控制系統。 學生可以掌握基本原理，對系統擁有整體概念及認知。

圖4 智能微電網仿真模型Fig.4 Simulation model of intelligent micro-grid

（2）實時仿真。 上位機離線仿真達到預設目標后，將仿真模型編譯后下載至電氣信息實時仿真器中開展實時仿真，不間斷運行48 小時以上且結果正確，則認為實時仿真驗證通過，同時記錄CPU 硬件開銷情況。 電氣信息實時仿真器面對新型電力系統的“雙高”特點，可通過詳細的電磁暫態和機電暫態仿真分析電網各種動態特征，評估和優化技術方案，驗證控制策略，輔助新型電力系統設計與集成。

（3）半實物仿真。 基于可編程工業裝置，將并網控制模塊、交直流微電網控制模塊、協調控制模塊等控制模型轉換為代碼移植到嵌入式開發平臺運行，通過調試達到與步驟二相同的效果，此步驟體現了控制器的物理實現，具有顯著的教學示范效果。 同時仿真器配備大量I／O 口，通過I／O 板與控制對象連接，驗證算法的可靠性和準確度，提高系統開發效率，同時遵循了當前國際主流研發流程，使課堂教學主動對接國際標準。 此外，還可以將智能微電網仿真實驗監控界面的設計納入本科教學項目，增強實踐效果展示，如圖5 所示。

圖5 智能微電網仿真實驗監控界面Fig.5 Intelligent micro-grid simulation experiment monitoring interface

（4）對比可編程工業裝置與實際工業裝置的運行效果，當二者達到完全一致時，認為整個實驗流程成功完成。 通過以上4 個步驟，學生經歷了產品開發的全過程，可初步培養學生的系統集成能力和研發能力。

3.3 效果分析

（1）交直流微電網并網模式下參數設置見表1。UAC為交流微電網額定電壓，UDC為直流微電網額定電壓。 聯絡變流器工作模式為恒功率模式，10 s 時給定功率由15 kW 變為35 kW。 直流側儲能系統BAT3 為直流微電網提供電壓支撐；交流側儲能電池工作模式為恒功率模式，只進行功率交換。 在15 s時直流可調負載P_Load3 由50 kW 變為70 kW。并網運行結束后各模塊功率如圖6 所示。

表1 并網運行系統基本參數設置Tab.1 Basic parameters of the grid-connected system

圖6 并網運行結束后系統各模塊功率Fig.6 Power of each module after the grid connection

由圖6 可知聯絡變流器功率P_Ac／Dc 在10 s時由15 kW 變為35 kW；10 s 時公共電網P_Ac 吸收功率由61 kW 變為81 kW，等于聯絡變流器給定功率差值；10 s 時直流儲能系統放電功率P_Bat3 由5 kW變為25 kW，15 s 時放電功率為由20 kW 變為45 kW，可見源、網、儲各元件功率變化均符合調節預期。 系統并網運行結束后直流母線電壓如圖7 所示，可知在上述功率調節及負荷突變下，直流電壓能夠穩定在750 V 左右。

圖7 系統并網運行結束后直流母線電壓Fig.7 Dc bus voltage after the grid connection

直流微電網反饋給公共電網的功率與聯絡變流器給定功率相同，聯絡變流器控制系統實現了恒功率控制。 當聯絡變流器給定功率增加，直流可調負載消耗電量增加時，直流儲能系統合理調整工作模式，為直流微電網提供電壓支撐，直流微電網系統電壓維持在750 V，儲能系統控制模式實現了對直流微電網的電壓控制，使整個系統的能量流動處于動態平衡。

（2）交直流微電網孤島模式下參數設置見表2。聯絡變流器工作模式為V／F 恒壓恒頻。 交直流微電網儲能系統設置與并網運行時相同。

表2 孤島運行系統基本參數設置Tab.2 Basic parameters of the isolated island operating system

孤島運行系統各模塊功率如圖8 所示，可知光伏發電系統穩態功率P_Pv 為38 kW。 6 s 時風力發電系統風速由8 m／s 增加至10 m／s，風力發電系統發出功率P_Wind 由77 kW 增至148.6 kW，同時直流儲能系統6 s 時充電功率由24 kW 變為93 kW，儲能系統增加的充電功率近似等于風力發電系統出力差值；14 s 時風速由10 m／s 變為6 m／s，P_Wind由148.6 kW 減少至32.5 kW，同時直流儲能系統由充電狀態變為放電狀態，放電功率21 kW，此時儲能系統充放電功率的差值近似等于風力發電系統減少的功率。 系統孤島運行時6 s、14 s 的交流電壓如圖9 所示，風速變化時，交流電壓穩定在380 V 左右。系統孤島運行結束后直流母線電壓如圖10 所示，電壓維持在750 V。

圖8 孤島運行系統各模塊功率Fig.8 Power of each module in the isolated island operation system

圖9 孤島運行時6 s、14 s 的交流電壓Fig.9 Ac voltage of 6 s and 14 s when the isolated island is running

圖10 系統孤島運行結束后直流母線電壓Fig.10 Dc bus voltage after the isolated islands

孤島運行時交流微電網出現功率缺額或盈余時，通過聯絡變流器反饋給直流微電網，聯絡變流器為交流微電網提供電壓支撐，交流電壓穩定在380 V左右，滿足實驗要求。同時直流儲能系統為直流微電網提供電壓支撐，直流電壓穩定在750 V。

綜上，在該實驗項目中，學生經歷了電氣主系統離線建模和實時仿真平臺搭建過程，開發了聯絡變流器控制器、風機及光伏并網控制器、儲能控制器等自動化裝置，并以樣機的形態實時在環運行，看到了正確運行效果和調節效果，全程體驗了研發型創新實驗的過程。

4 結束語

本文提出新型電力系統下新工科教學實驗平臺，綜合運用實時仿真、快速控制原型、硬件在環等多種手段，開發精益化項目案例，用于全程體驗式創新實踐教學。 該實驗平臺在項目內容安排上突出了對新型電力系統的全面支撐，在實驗模式設計上，體現了新工科內涵對創新性實踐教學的要求。