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SBXNY-ZS01可再生能源智能微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)

一、系統(tǒng)概述

可再生能源智能微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)、智能微電網(wǎng)實驗室設備是本科高職院校電氣工程及其自動化、智能電網(wǎng)信息工程、能源動力工程的專業(yè)實驗實訓室，可完成電氣工程及其自動化、智能電網(wǎng)信息工程、能源動力工程專業(yè)的《電力系統(tǒng)分析》、《新能源發(fā)電技術》、《電力電子技術》、《工廠供電》等相關實驗課程，同時可為本專業(yè)學生提供課程設計、畢業(yè)設計等實驗平臺。

可再生能源智能微電網(wǎng)實驗平臺、智能微電網(wǎng)實驗室設備有"風光互補發(fā)電系統(tǒng)""制氫儲氫發(fā)電系統(tǒng)""智能微電網(wǎng)控制系統(tǒng)""智能充電站監(jiān)控系統(tǒng)"等，可實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)控制監(jiān)測、光伏發(fā)電系統(tǒng)控制監(jiān)測、制氫儲氫發(fā)電系統(tǒng)控制監(jiān)測、智能充電站控制監(jiān)測等諸多項目。

通過實驗實訓，課加深學生對專業(yè)課程的理解，提高學生動手實踐能力，為培養(yǎng)合格的電氣工程、智能電網(wǎng)信息工程、能源動力工程類畢業(yè)生打下基礎，為培養(yǎng)應用型人才提供堅實保障。                

可再生能源智能微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)采用雙母線結構，集成能量控制系統(tǒng)(PCS)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、分布式發(fā)電系統(tǒng)(DG)、交直流負荷、能量管理系統(tǒng)(EMS)與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)等，實現(xiàn)清潔低碳、安全高效的源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)同優(yōu)化功能。應用數(shù)字化、信息化與智能化能量管理系統(tǒng)控制，通過源源互補、源網(wǎng)協(xié)調、網(wǎng)荷互動、網(wǎng)儲互動和源荷互動等多種交互形式，可以更經(jīng)濟、高效和安全地利用分布式新能源與儲能，實現(xiàn)電能削峰填谷、負荷不間斷優(yōu)質供電、系統(tǒng)智能化保護與運行、自由離并網(wǎng)無縫切換等，從而實現(xiàn)發(fā)、用電效益最大化。

1.1系統(tǒng)簡介

設備由能量調度控制器、浪涌保護器、交流接觸器、斷路器、單相計量儀表、電流互感器、工業(yè)觸摸屏(HMI)、測試端子等組成。主要完成微電網(wǎng)與電網(wǎng)能量交互的控制、計量與保護，同時通過能量調度控制器對儲能、分布式電源、交直流負荷等進行能量管理與調度，實現(xiàn)微電網(wǎng)平滑穩(wěn)定、經(jīng)濟高效運行。

二、系統(tǒng)參數(shù)

1）觸摸屏：內核：J1900 CPU（主頻2400MHz*4核心）；內存：4GB；觸摸類型：四線電阻式觸摸屏；串行接口：RS232/RS485；以太網(wǎng)口：10/100M自適應；電磁兼容：工業(yè)三極；監(jiān)測內容：對微電網(wǎng)的實時運行和報警信息進行全面監(jiān)控，并對微電網(wǎng)進行統(tǒng)計和分析，實現(xiàn)對微電網(wǎng)參數(shù)的監(jiān)控。

2）工業(yè)交換機：網(wǎng)絡標準：IEEE 802.3、IEEE 802.3u、IEEE 802.3x；端口：8個10/100Mbps RJ45 端口；指示燈：每端口具有1個Link/Ack、Speed 指示燈/每設備具有1個Power指示燈；性能：存儲轉發(fā)/支持3.2Gbps背板帶寬/支持8K的MAC地址表深度。

3）浪涌保護器：最大持續(xù)運行電壓Uc：1000V；標稱放電電流In(8/20us)：20KA；最大放電電流Imax(8/20us)：40KA；保護水平Up(8/20us)：<1.8KV響應時間：≤25ns；

4）交流接觸器：主觸點數(shù)量：3對；額定電流：25A；線圈電壓：AC220V；帶輔助觸點；

5）光伏專用單相電雙向計量儀表：電流、電壓測量精度：0.2級；功率、有功電能測量精度：0.5級；無功電能：1級；

6）開關電源：輸入電壓：AC220V；輸出電壓：DC24V；額定輸出電流：2.5A；

7）系統(tǒng)材質與尺寸：鋼板厚度：2mm；前門采用透明鋼化玻璃設計，帶緩沖器；后門采用雙開門設計，底部裝置過濾網(wǎng)；兩邊側板可拆卸；柜體尺寸≥：750×650×1800(mm)；

2.1微電網(wǎng)儲能與控制系統(tǒng)

儲能與穩(wěn)定控制系統(tǒng)由雙向儲能變流器、切換開關、儲能蓄電池組、電池管理系統(tǒng)(BMS)、直流功率計量儀表、低壓線路保護器、電流互感器、分流器、測試端子、通訊網(wǎng)關等組成。主要實現(xiàn)對微電網(wǎng)儲能的充放電管理、直流母線與交流母線的雙向變流、內置隔離微電網(wǎng)與市電電網(wǎng)的PCC節(jié)點開關。

1）微電網(wǎng)儲能雙向變流穩(wěn)定控制器(PCS):最大并網(wǎng)功率：5.0KW；輸入直流電壓：DC48V；最大充電功率：5500W(可設定)；充電電壓：可設定；集成溫度補償功能；保護功能：接反保護，欠壓保護，過壓保護，過充保護，過載保護，短路保護等；額定輸出電壓：220V(180Vac-280Vac)；額定電網(wǎng)頻率：45/65HZ，±5HZ；最大交流電流：22A；功率因素：0.8超前～0.8滯后；THDI：<1.5%；交流連接類型：單相；設備保護：直流極性反接保護，直流輸入開關保護，交流輸出過流保護，交流輸出過壓保護，接地故障監(jiān)測，電網(wǎng)孤島監(jiān)測，殘余電流檢測；通訊接口：隔離RS485；

2)儲能蓄電池：磷酸鐵電池；電池容量：48V2.4KWH（2節(jié)）；電池連接方式：串聯(lián)；電池保護：末端接熔斷器；

3) 電池管理系統(tǒng)(BMS):電源電壓：AC/DC220V；輸入功率：≤10W；電池單體電壓檢測：24節(jié)；電池電流采集：1路；電池溫度采集：1路；單體電壓測量范圍：0.5V～16V；單體電壓測量精度：≤±0.3%；通訊端口：RS485；可檢測蓄電池組的電壓、電流；單體電池電壓、內阻；蓄電池工作溫度，BMS系統(tǒng)可動態(tài)檢測蓄電池間的工作情況，估測蓄電池的SOC，使蓄電池和設備間的連接更科學，大大延長蓄電池的工作壽命。

4)直流功率表:電壓測量范圍：DC0-100V；電壓測量精度：0.5級；電流測量范圍：0-50A；電流測量精度：0.5級；

5) 交流接觸器:主觸點數(shù)量：3對；額定電流：25A；線圈電壓：AC220V；帶輔助觸點；

6)系統(tǒng)材質與尺寸：鋼板厚度：2mm；前門采用透明鋼化玻璃設計，帶緩沖器；后門采用雙開門設計，底部裝置過濾網(wǎng)；兩邊側板可拆卸；柜體尺寸≥：750×650×1800(mm)；

2.2 微電網(wǎng)分布式能源接入系統(tǒng)

發(fā)電機電源模擬單元由永磁發(fā)電機組、拖動異步電機、智能匯流箱裝調與檢測模塊、光伏組件等組成。發(fā)電機采用永磁發(fā)電機，通過異步變頻電機進行拖動，可模擬發(fā)電機在不同工況下的發(fā)電輸出；光伏發(fā)電單元由光伏組件和匯流箱檢測模塊組成，模擬光伏板或者真實光伏組件的各種特征；微電網(wǎng)分布式能源接入系統(tǒng)由光伏控制器、風力控制器、直流功率計量儀表、分流器、變頻調速器、測試端子、通訊網(wǎng)關等組成。主要完成對分布式能源的接入、分布式發(fā)電的計量與保護。

1)發(fā)電機:額定功率：500W；額定電壓：24V；發(fā)電機類型：三相交流永磁發(fā)電機；調速方式：變頻電機拖動；工作溫度：-40℃～80℃；

2)變頻拖動電機:額定電壓：AC220V；額定頻率：50HZ；額定功率：750W；

3) 變頻器：采用微處理器控制，使用具有現(xiàn)代先進技術水平的絕線柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。脈沖寬度調制的開關頻率可選，降低了電動機運行的噪聲。核心部件為CPU單元。根據(jù)設定的參數(shù)，經(jīng)過運繃出控制正旋波信號，經(jīng)過SPWM調制。放大輸出三相交流電壓驅動三相交流電動機運轉。

功率：0.75KW；電壓：輸入單相180-265V；輸出三相220V；輸入頻率：50HZ；輸出頻率：0-150HZ、波動：±5%；冷卻方式：自冷通用磁通矢量控制；1Hz時150%轉矩輸出、采用長壽命元器件；內置Modbus-RTU協(xié)議；內置制動晶體管、擴充PID；三角波功能；帶安全停止功能

4) 光伏控制器:額定系統(tǒng)電壓：24V；空載損耗：≤1.2W；光伏最大輸入電壓：150V；最大充電電流：30A(可設置)；轉換效率：≤98%；具有MPPT追蹤功能；溫度補償系數(shù)：-3mv/℃/2V（默認值）；保護功能：接反保護，欠壓保護，過壓保護，過充保護，過載保護，短路保護，反充保護等；

5)風力控制器:額定風機輸入功率：500W；最大風機輸入功率：600W；蓄電池額定電壓：24V；風機剎車電流：10A；卸荷開始電壓：32V；完全卸荷電壓：37.5V；蓄電池過放保護電壓：24V；蓄電池過放恢復電壓：24V；輸入過壓保護電壓：28.6V；充電方式：PWM；靜態(tài)電流：≦30mA；保護功能：接反保護，欠壓保護，過壓保護，過充保護，過載保護，短路保護，反充保護等；通訊方式：RS485；

6)直流功率表:電壓測量范圍：DC0-100V；電壓測量精度：0.5級；電流測量范圍：0-50A；電流測量精度：0.5級；

7)智能匯流箱裝調與檢測模塊：尺寸：500×400×180mm，采用可拆卸式模塊化設計，≧IP54防護等級；內置熔斷器、防反二極管、斷路器、浪涌保護器、監(jiān)控等模塊；支持匯流箱裝調實訓，包括元器件安裝、標識標志粘貼、整機調試等；輸入路數(shù):2 路；額定電流:DC 0~16A；反應時間:1s；測量精度:0.5級；溫度系數(shù):400ppm；

8）光伏組件：太陽能光伏電池組件：組件類型：單晶；功率：100W；組件效率：≥18％；功率偏差：2.0％；工作溫度：-40℃～85℃；邊框材質：鋁合金；

9）光伏支架：鋼構件采用金屬保護層的防腐方式。鋼結構支架、連接板及拉條均采用熱浸鍍鋅涂層，熱浸鍍鋅滿足（金屬覆蓋層鋼鐵制件熱浸鋅層技術要求及試驗方法）（GB/T13912-2002）的相關要求。電池板組件安裝完成后尺寸為2000*1600*1400左右（長*寬*高），傾斜角可調。

4、微電網(wǎng)交直流負荷管理系統(tǒng)

交直流負荷管理系統(tǒng)由交直流模擬負載、直流功率計量儀表、交流功率計量儀表、分流器、交流接觸器、測試端子等組成?？梢酝ㄟ^軟件模擬對不同等級負荷進行自動調度控制，模擬微電網(wǎng)負荷投切控制和帶載運行參數(shù)分析。

1)模擬直流I級負荷:直流LED燈：額定DC48V/20W；

2)模擬直流II級負荷:直流電阻負載：500W/10Ω；

3)模擬交流I級負荷:交流白熾燈：AC220V/100W；

4)模擬交流II級負荷:交流電阻負載：800W/96Ω；

5)感性負載：額定電壓：220V；工作頻率：50HZ；工頻耐壓：3000V額定電感：380mH

6)容性負載：額定容量：30μF±5％；額定電壓：450VAC 50/60HZ

7)直流功率表:電壓測量范圍：DC0-100V；電壓測量精度：0.5級；電流測量范圍：0-50A；電流測量精度：0.5級；

8)單相交流功率表:電流、電壓測量精度：0.2級；功率、有功電能測量精度：0.5級；頻率測量誤差：±0.05HZ；無功電能：1級；供電電壓：AC85-265V/DC100-300V；功耗：≤10VA。

9）系統(tǒng)材質與尺寸：鋼板厚度：2mm；前門采用透明鋼化玻璃設計；后門采用雙開門設計，底部裝置過濾網(wǎng)；兩邊側板可拆卸；柜體尺寸≥：750×650×1800(mm)；

5、主控臺

1)操作臺:可放置監(jiān)控主機；板材：優(yōu)質冷軋鋼板；尺寸:可定制；

2) 電力數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA):具有用戶及權限管理功能；支持主機加多從機功能；具有歷史數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)庫查詢；在線實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)；實時曲線與歷史曲線動態(tài)顯示；在線設置和修改系統(tǒng)參數(shù)；通過以太網(wǎng)連接能量管理系統(tǒng)，具備快速遙信、遙測、遙控、遙調功能；具備模擬微電網(wǎng)自動化電力調度控制管理功能。

5.1 仿真規(guī)劃軟件

基于Unity3D軟件，使用C#語言進行開發(fā)，采用My Sql作為后臺數(shù)據(jù)庫，通過FTP協(xié)議與數(shù)據(jù)庫進行通信。軟件使用者通過使用光伏、風力、地熱、生物質4種能源設計多能互補方案，完成區(qū)域能源的供能結構改造方案設計，并結合區(qū)域的氣候數(shù)據(jù)，模擬區(qū)域內實時能耗與供能數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化出合理的能源結構。

?用戶管理功能：

注冊：支持學生或教師按照學校名稱和手機號碼注冊用戶

登錄：支持學生或教師根據(jù)手機號碼或用戶名登錄系統(tǒng)。

找回密碼：支持學生或教師根據(jù)手機號碼找回密碼

權限管理：支持主用戶添加或刪除子用戶

用戶信息管理：支持用戶信息查看，包括用戶名、學校、真實姓名、學號、上級用戶等

異地登錄：同一個賬號24小時內只能在同一臺電腦上登錄，無法在其他電腦上登錄。

?氣象數(shù)據(jù)庫

支持查看全國超過32個城市的模擬地圖氣候數(shù)據(jù)。支持查看2013-2016年的精確到天的模擬地圖氣候數(shù)據(jù)，可自由設置日期進行查看。每個城市的氣候數(shù)據(jù)均可查看：平均氣溫、最高最低氣溫、濕度、降水量、輻照量、氣壓、風速、土地濕度攝氏度等。

? 3D地圖功能

支持教師通過3D地圖上的模擬能耗布置相應學習任務，同時可以修改多種參數(shù)以最大化的適應不同實際情況，最后可以根據(jù)學生完成情況進行相應的評分。

根據(jù)項目及學習任務需要規(guī)劃設計的區(qū)域面積大小，選擇對應面積以及地形相似度高的區(qū)域，并定期更新可用的區(qū)域3d地圖、加載在3D地圖上的是真實的地形地貌，包含設計成虛擬的地形地貌、3D地圖模型、山川、河流與樹木；

支持修改光伏發(fā)電的相關評分參數(shù)：整機效率、最佳傾角、除組件和逆變器以外的其他成本參數(shù)等。

支持修改風力發(fā)電的相關評分參數(shù)：整機效率、風力波動（自定義風速的每小時波動數(shù)據(jù)以體現(xiàn)出風力發(fā)電機組隨著每小時風速數(shù)據(jù)的變化，發(fā)電量在1天24小時內隨機波動的特點；）

支持修改地熱能的相關評分參數(shù)：換熱能力、熱協(xié)調參數(shù)、成本單價

支持修改生物質能的相關評分參數(shù)：生物質年供應、整機效率、生物質殘余物平均能源折算系數(shù)、生物質平均谷草比系數(shù)、生物質殘余物能源利用可獲得系數(shù)、建設成本、燃料成本、運維成本等。同時可自動根據(jù)公司計算得出每年最大可建設的電站功率作為評分準則。

（最大生物質電站功率=年供應量*1000*平均能源折算系數(shù)*谷草比系數(shù)*殘余物能源利用可獲得系數(shù)/ 3600/365/24）

設計區(qū)域內的5種用能建筑模型（底層住宅、交通樞紐、酒店、小高層、寫字樓），通過設置每個建筑模型的最大功率、制冷制熱能耗占比、每小時實際用電系數(shù)、日能耗時長，可以獲得區(qū)域內建筑每小時、每天、全年的耗電情況以及制冷制熱能耗需求；

可選擇全國任意地區(qū)（精確城市）、任意氣候時段作為區(qū)域能源模擬的目標區(qū)域，通過對比數(shù)據(jù)庫可以得出當?shù)亟?jīng)緯度、光伏組件全年最高、最低工作溫度，并可以自動計算最大、最小電壓、最大開路電壓、最大直流電流等數(shù)據(jù)，可以自行比較同一模型不同規(guī)劃方案的優(yōu)劣，通過比較傾角偏差、組件逆變器功率比、間距誤差、逆變器數(shù)量、生物質電站容量、淺層地熱容量、風力電站布局、外部電力輸入、外部電力波動、建設總成本等，可以對同一模型下的方案進行自動評分

命名：教師可以自行命名模型的名字

刪除：教師可以對模型進行刪除操作

支持學生通過設置3D地圖上的各種能源搭配的方案來解答教師給出的學習任務，并給出相應的數(shù)據(jù)報表

在3d地圖上，根據(jù)模擬的每小時用能數(shù)據(jù)，合理布局"光伏發(fā)電""風力發(fā)電""生物質發(fā)電""淺層地熱設施"設置各種產(chǎn)能模塊的產(chǎn)能參數(shù)，滿足區(qū)域用能需求，以完成需求側區(qū)域能源規(guī)劃方案的設計；

使用光伏、風力、生物質、地熱4種新能源并結合外部電力輸入以進行能源供應模擬并能自動計算產(chǎn)能。

根據(jù)設施地區(qū)經(jīng)緯度與氣候參數(shù)，通過選擇不同型號規(guī)格的逆變器與光伏組件，來完成光伏組件方陣的設計，主要包含參數(shù)有：方陣行數(shù)、方陣列數(shù)、組件安裝方式設計、傾角設計、逆變器數(shù)量、組件間距設計、組串串并聯(lián)的數(shù)量等完成區(qū)域光伏電站設置。

根據(jù)每小時的用電情況，實現(xiàn)戶式/小型分布式光伏電站的模擬設計，并根據(jù)所選光伏組件與逆變器估算該電站的建設成本以及模擬該分布式電站與負載的合并運行情況可設置不同容量大小的風機，模擬風力發(fā)電功率

根據(jù)模擬時段內的氣溫數(shù)據(jù)，判斷當日是否存在制冷制熱需求，并根據(jù)當日的冷熱程度模擬制冷制熱能耗情況。

模擬淺層地熱換熱能力與埋管面積的關系；同時學生根據(jù)模擬數(shù)據(jù)需要，設置生物質能建設所需面具，以滿足模擬建筑制冷制熱能耗需求；

學習生物質發(fā)電過程中，通過生物質能電站的一系列參數(shù)，強化學生對于生物質能轉化公式學習。（最大生物質電站功率=年供應量*1000*平均能源折算系數(shù)*谷草比系數(shù)*殘余物能源利用可獲得系數(shù)/ 3600/365/24）并模擬白天時段，光伏發(fā)電設施每小時發(fā)電數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出白天每小時光伏發(fā)電量隨光照強度變化、夜晚光伏沒有發(fā)電的量的特點；

根據(jù)逆變器、光伏組件的價格，風機機組價格，地熱電站價格，生物質電站價格對所設計的多能互補方案的建設總成本自動統(tǒng)計在初始化并部署完成后，展示整個區(qū)域能源狀態(tài)，并根據(jù)預設值進行計算和輸出，根據(jù)輸出結果形成各類報表。包括總數(shù)據(jù)和日數(shù)據(jù)；

能源數(shù)據(jù)報表中，通過模擬時間過程，以及設計好的方案，可以顯示各種能源的產(chǎn)能情況，包括：總產(chǎn)能、光伏發(fā)電量、風力發(fā)電量、淺層地熱能量、生物質能發(fā)電量以及外部電力輸入等。

根據(jù)用能模塊預設的用能參數(shù)，模擬計算出用能情況實時曲線與各類產(chǎn)能設施的產(chǎn)能占比，并同步圖表顯示，包括總能耗、一般能耗、制冷制熱能耗等，有助于學生進行相應能源的設計配比。

命名：學生可自行對設計方案進行命名或重命名

刪除：教師或學生可刪除方案

三、系統(tǒng)配置（配置單）