微电网设计运行与典型故障处理虚拟仿真实验省级一流课程

方志军上海工程技术大学上线时间:2021年
  • 所属专业类:电气类
  • 对应专业:电气工程及其自动化
  • 课程类型:专业核心课
  • 实验类型:综合设计型
所属课程:新能源系统运行与分析

本实验运用三维绘图软件Maya,1:1复现上海工程技术大学实际校园,构建校园微电网虚拟场景,包括三大模块:首先,基于基础实验模块,学生了解光伏、风机、储能的基本原理与运行特性;然后,通过微网设计运行模块,学生进行微电网的设计、运行及能量管理;最后,在故障处理模块的高仿真三维场景中,学生身临其境地进行四种典型故障分析和处理。

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    4.8
    • 实验内容

      4.9
    • 操作系统

      4.7
    • 支持服务

      4.8

    共享应用每日0点更新

    • 浏览量 14479
    • 实验人次 1544
    • 实验人数 1223
    • 实验平均用时 70'
    • 实验完成率 100%
    • 实验通过率 按人次 90.7%按人数 92.2%
    按人次按人数
    • 优秀 62.18%
    • 达标 28.56%
    • 不达标 9.26%

    实验系统浏览器要求

    教学支持热线

    团队成员

    实验教学目标实验原理实验教学过程与实验方法实验步骤实验结果与结论

    当前,可再生能源与微电网处于蓬勃发展阶段。综合运用专业基础知识,开展微电网设计与典型故障处理的理论知识与实践教学融合的课程,可以培养学生解决复杂工程问题的能力。特别是本虚拟仿真实验能够克服传统实践实训实验危险性高、建设周期长、成本高、典型故障无法复现等难点,提供安全灵活、可扩展性强的工程实践教学。

    因此,本实验以培养既具备传统电气知识和素养,又掌握微电网和新能源相关专业知识的综合型电气工程人才为目标,以上海工程技术大学校园为原型,将基础理论学习、方案设计、系统运行、能量管理、工程经济和典型故障处理等内容整合,开发了“微电网设计运行与典型故障处理虚拟仿真实验”,实验教学目标具体如下:

    (1)本实验把微电网理论课程的难点或不易口头表达、解释清楚的内容以虚拟场景形式呈现,增强学生的交互体验和参与感,加深学生对风电、光伏和储能系统的组成和基本运行原理的理解和掌握,使学生了解微电网系统的概念、设计理论。

    (2)本实验模拟真实的新能源设备,使学生能够运用物理、电路电子、数学和控制理论等基础知识建立风光储新能源基础元器件与发电系统的数学模型,掌握系统模拟的基本方法和思路。

    3)本实验结合实际经济分析,使学生掌握系统运行的成本测算方法与经济最优化方法;结合可再生能源发电能效计算和节能减排等环境影响计算方法,使学生了解新能源系统对电网的影响及对环境发展和持续发展的重要意义。

    (4)本实验通过模拟典型故障来增强学生“强电之下无儿戏”的意识,提高学生的责任心,培养学生了解电力系统的标准化安全操作以及严谨求实的优良学风。实验过程中,根据学生的特长和能力进行分组,培养学生的团队协作精神。

        (5)本实验设置“自主设计模块”逐步增强学生主动实验的意识,鼓励学生自行设计方案,自主研究探索,独立思考创新,培养学生改革创新的时代精神。


    (1)实验原理:

    (1)光伏伏安特性与MPPT

        根据光伏电池在不同太阳辐照度下的工作电压和电流绘制伏安特性曲线,包括最大功率点、开路电压点和短路电流点,并计算光伏电池的输出功率。检测光伏阵列的电压扰动量,采用扰动观测法进行MPPT。

    (2)风机功率特性与MPPT

        根据风力发电机在不同风速下的输出功率绘制功率特性曲线,包括风速、风机输出功率、最大功率点。在可变风速条件下,优化风力发电机桨距角,调节风力发电机叶尖速比,以实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获。

    (3)储能充放电基本原理

        蓄电池通过双向逆变器并入微电网,用以维持微电网的暂态功率平衡。设置电池充/放电相关参数,计算SOC终止值。了解均衡模块、SOH预测、热管理相关功能。

    (4)微电网规划设计

        微电网规划设计主要是根据负荷配置风电、光伏和储能的容量。首先,分析校园的用电特性,确定校园的最大用电负荷。其次,按照国家能源局和国家建设部《绿色建筑评价标准》的要求,对由可再生能源提供的电量比例进行分档评分。然后,考虑上海松江地区风速、光照强度、工程经济性、供电可靠性等因素,进行光伏与风电容量的配置。最后,布置光伏发电、风力发电和储能装置。

    (5)能量管理

        能量管理以储能充放电收益最大为目标,对蓄电池充放电时间进行管理,利用市电的峰谷电价差,通过选择蓄电池的充放电起始时间,实现降低系统用电成本、满足负荷削峰填谷的目的。

    (6)微电网运行典型故障原理

        主网失电导致微网内部发电功率和负荷功率之间严重不平衡,造成微网系统频率和电压迅速降低。

        逆变器报警的绝缘阻抗问题是直流线缆破损导致,可把逆变器输入侧的组串全部拔下,然后逐一接上,利用逆变器开机检测绝缘阻抗的功能,检测问题组串。

        在电池系统运行中,电池电压出现异常时,可以采用逐步排除的方法精准定位故障位置,从而找到故障点。

        由于汇流箱线路接触点老化或者接触不良,导致接触电阻过大。在同等电流输入情况下,容易导致接触点过热产生汇流箱材料损毁甚至着火。


    知识点:
    6
    1. 1. 光伏伏安特性与MPPT
    2. 2. 风机功率特性与MPPT
    3. 3. 储能充放电基本原理
    4. 4. 微电网规划设计
    5. 5. 能量管理
    6. 6. 微电网运行典型故障原理
    (2)核心要素仿真设计:
            本实验以上海工程技术大学校园为场景,依托实际微电网工程,所构建的微电网组成结构与设备类型均以实际微电网为准,光伏、风机、柴发、储能、逆变器、控制室等微电网设备的外观、功能、特性与实际装置一致,微电网规划设计、能量管理、运行控制过程及相关参数均与实际微电网相同,核心要素仿真度达到90%。
    
    (1)学生交互性操作步骤:
    共11 步
    1光伏伏安特性生成五组I-V/P-V曲线5每生成一组曲线得1分; 录入结论得1分。6
    2光伏MPPT控制原理学习;控制逻辑搭建;曲线调节5查看原理学习,得1分; 控制逻辑搭建正确,得1分; 曲线调节达到最大功率,得1分; 录入结论得1分。6
    3风机功率特性生成三组风速-功率曲线15生成一组,得2分; 生成二组,得4分; 生成三组,得5分; 录入结论得1分。6
    4风电MPPT控制原理学习;控制逻辑搭建;曲线调节5查看原理学习,得2分; 控制逻辑搭建正确,得1分; 曲线调节达到最大功率,得2分; 录入结论得1分。6
    5储能基础实验五个模块的学习5完成采集与测量模块步骤,得1分; 完成均衡模块步骤,得1分; 完成SOC预测模块步骤,得1分; 完成SOH预测模块步骤,得1分; 完成热管理模块步骤,得1分; 录入结论得1分。 6
    6规划设计简介规划与规程学习、校园负荷查看、光伏、风机、储能安装、成功提交配置方案15完成简介规划与规程学习,得2分; 完成校园负荷曲线查看,得2分; 光伏、风机、储能安装成功,得6分; 成功提交配置方案,得4分; 录入结论得1分。15
    7能量管理能量管理:原理与方法简介学习;典型场景选择;配置储能控制策略;能效分析15原理与方法简介学习,得1分; 4种典型场景全部选择,得4分; 配置储能控制策略,得4分; 能效分析,得5分; 录入结论得1分。15
    8主网失电故障主网失电故障:切除重要负荷;切换储能控制策略;跳开PCC开关;问题考核15切除重要负荷,得2分; 切换储能控制策略,得2分; 跳开PCC开关得2分; 问题考核正确,得4分。10
    9光伏绝缘故障光伏绝缘故障:断开空开;断开保险端子;闭合保险端子;查找故障点;问题考核15断开空开,得2分; 断开保险端子,得2分; 闭合保险端子,得2分; 查找故障点,得2分; 问题考核正确,得2分。10
    10蓄电池故障蓄电池故障:选取工具;拆卸蓄电池组连接线;测量蓄电池组电压;拆卸蓄电池并查找出损坏电池;问题考核15选取工具正确,得2分; 拆卸蓄电池组连接线,得2分; 测量蓄电池组电压,得2分; 拆卸蓄电池并查找出损坏电池,得2分; 问题考核正确,得2分。10
    11汇流箱故障光伏绝缘故障:选取工具;进行红外检测;查找出有故障的汇流箱;问题考核15选取工具,得2分; 进行红外检测,得2分; 查找出有故障的汇流箱,得3分; 问题考核,得3分。10
    (2)交互性步骤详细说明:

    以下从“基础实验”、“微网设计及运行”和“故障仿真”三个教学模块分别阐述后实验步骤。

    第一模块“基础实验”属于第一层次“基础特性认知”,学生可进行光伏伏安特性实验、光伏MPPT控制实验、风机功率特性实验、风电MPPT控制实验、储能基础实验。通过改变微电网运行环境,主要包括光照强度、风速、负荷,掌握不同类型分布式电源与储能的基本原理与动态特性。

    步骤1. 光伏伏安特性

    选择【光照强度调节】,可选择的光照强度有200、400、600、800、1000W/㎡。然后调节滑动变阻器阻值,可以看到电压表和电流表示数变化,点击【记录数据】,将电流和电压记录在表格。重复调节滑动变阻器阻值,直至记录5组数据,点击生成曲线,即可生成光伏组件I-V、P-V曲线,如图5所示。

    切换光照强度,在调节光照强度时,可以看到三维场景中的光线有明显变化,重复上述操作,直至生成5组曲线,然后录入报告。

    图10 光伏伏安特性界面.png

                                                         图5 光伏伏安特性界面

    步骤2. 光伏MPPT控制

    点击光伏MPPT控制原理、扰动观测法学习文档。在扰动观测法逻辑图中选择相应的控制逻辑并提交,系统会自动判断控制逻辑是否正确,并给出相应提示。

    选择【光照强度调节】,光照强度可选择200、400、600、800、1000W/㎡。调节电压值寻找最大功率点位置,当达到最大功率时,系统自动给出提示已经达到最大功率。学生切换光照强度,重复上述步骤。最后将实验心得录入报告。

    图11 光伏MPPT界面.png 

    图6 光伏MPPT界面

     

    步骤3. 风机功率特性

    选择【风机额定功率】,可选择的功率有5、10、20kW。调节风速,可以看到场景中的风机转动速度会发生变化,同时可以看到风机功率会发生变化。

    点击【记录数据】,将风速跟功率记录在表格里。重复调节风速滑块,直至记录5组数据,点击生成曲线,即可生成风机风速-功率曲线。然后录入实验心得。

    12.jpg 图7 风机功率特性界面


    步骤4. 风电MPPT控制

    点击风电MPPT控制原理、最佳叶尖速比法学习文档。在最佳叶尖速比法控制逻辑图中选择相应的控制逻辑并提交,系统会自动判断控制逻辑是否正确,并给出相应提示。

    选择【风机额定功率】,可选择的功率有5、10、20kW。调节叶尖速比寻找最大功率点位置,当达到最大功率时,系统自动给出提示已经达到最大功率。学生切换风机额定功率,重复上述步骤。最后将实验心得录入报告。

    图13.jpg 图8 风机MPPT界面 


    步骤5. 储能基础实验

    储能系统基础实验如图9所示,学生基于蓄电池储能系统基本原理的学习,对蓄电池管理系统的关键技术进行实验。

    学生点击【采样与测量】,选择【充电过程】或【放电过程】,可查看蓄电池充/放电过程端电压、充/放电电流、温度、蓄电池簇及单体电池电压曲线。

    点击【均衡模块】,选择【主动均衡】或【被动均衡】,可查看主动均衡与被动均衡的运行原理动画,了解蓄电池不一致给储能系统带来的影响。

    点击【SOC预测】,输入初始电压,从“SOC—OCV曲线图”上拾取相应初始电压对应的SOC值,并进行核对;然后设置电流、时间,完成充放电后,采用安时积分法计算并输入相应的SOC值。

    点击【SOH预测】,查看SOH介绍文档,学习蓄电池健康状态的影响因素。

    点击【热管理模块】,点击【开启】或【关闭】热管理功能,观察储能柜的温度变化动画效果。

    最后录入实验心得。

    图14-a.jpg (a)储能充放电实验界面

    14-b.jpg (b)SOC预测界面

    图9 储能基础实验 

    第二模块“微网设计及运行”属于第二层次“设计实验”,包括微电网方案规划设计、能量管理策略选择与制定、微电网运行状态观测与讨论。学生选择不同场景(光照强度、风速),制定微电网能量管理策略,通过对比不同场景下能量管理策略的异同,加深对微电网运行过程的认知。

    步骤6. 规划设计

    阅读界面左侧的设计规范与流程,点击【校园负荷】,了解校园负荷的基本情况。点击界面右侧的【光伏】、【风机】、【储能】按钮分别进行配置安装,安装完成之后,点击提交配置方案,弹出搭建方案经济分析表格。点击重新配置,学生可以重新进行光伏、风机、储能的配置安装。学生可配置三次方案,然后选择其中最优的方案并提交配置。最后录入实验心得。

    15.jpg 图10 微电网规划设计 


    步骤7. 能量管理

    能量管理实验界面如图11所示。先进行典型【场景选择】(光照强度、风速),选择完之后可查看场景动画。然后点击【储能逆变器】,进行储能控制策略设置。设置完成之后,点击【运行】,查看光伏、风机、储能、联络线功率曲线变化。点击【能耗分析】,可查看光伏、风机、储能日平均发电量和节省电费情况。点击返回修改,修改储能控制策略,然后再次点击能效分析。系统会自动比较两次配置的效果。若本次配置节省电费大于目前最优配置,则本次配置成为目前最优配置;否则,目前最大配置保持不变。最后录入实验心得。

    16-a.jpg (a)能量管理实验界面

     16-b.jpg16-b.jpg(b) 能量管理方案对比

    图11 能量管理 

    第三模块“故障仿真”属于第三层次“实践实验”,如图12所示。该实验模块涵盖了微电网主要发生的四种典型故障,具体包括主网失电故障、光伏绝缘故障、蓄电池故障、汇流箱故障。故障处理难以通过实际的微电网实验室实现,通过虚拟仿真软件,学生可以在虚拟校园三维场景中模拟实际工程类操作,包括主网失电倒闸操作、绝缘异常检测方法、蓄电池故障排除、红外热像仪应用进一步加深对微电网技术应用的理解

    17.jpg 12 故障监控室 


    步骤8. 主网失电故障

    主网失电故障主要模拟当外部大电网突然停电后,微电网从并网运行改为离网孤岛运行的过程。实际微电网的主网市电故障处理过程由微网能源管理系统自动瞬间完成,因此学生无法掌握主网失电的现象和具体处理过程。故模拟该故障,让学生自行处理该故障,熟悉主网失电故障的处理流程和原理。

    主网失电后,监控室电脑屏幕上出现主网失电报警界面,如图13所示。首先,应前往工具室,选取工具;然后,前往配电室并网柜跳开PCC开关,实现微网系统独立运行;接着,前往配电室的负荷出线柜切掉非重要负荷以实现微网内功率平衡;最后,前往蓄电池室切换储能控制模式,将储能控制模式由P-Q模式切换为V-F模式,实现离网系统的电压频率稳定。处理完成后,考核处理主网失电故障的方法,并录入实验心得。

    18.jpg 图13 主网失电故障 

    步骤9. 光伏绝缘故障

    监控室里,电脑屏幕上出现储能逆变器绝缘报警界面,如图14所示。前往工具室,选取工具;前往光伏现场查看,到汇流箱前,断开直流空开和交流空开,然后把汇流箱上的保险端子全部断开,光伏逆变器绝缘报警消失。

    再将保险端子逐一合上,当合上某一条线路时,光伏逆变器绝缘又开始报警,即可判断导致绝缘故障发生的原因在此线路。顺着线路进行查找发现电缆有一处表皮破损,破损处有冒小火花。完成上述操作后,考核处理光伏绝缘故障的方法。最后录入实验心得。

    19.jpg 图14 光伏绝缘故障


    步骤10. 蓄电池故障

    监控室里,电脑屏幕上出现光伏逆变器绝缘报警界面,前往工具室,选取工具。打开蓄电池柜体柜门,将蓄电池组之间的连接线拆除,用万用表电压档测试电压,发现其中一组蓄电池组电压偏低,如图15所示。

    将蓄电池组取出,拆卸蓄电池组外壳及组装配件,通过外观查看,发现其中一个蓄电池发黑,有烧坏的迹象。取出该电池,用万用表测量,发现电池电压偏低。然后通过问题考核形式,考查处理措施。最后录入实验报告。

    20.jpg 图15 蓄电池故障


    步骤11. 汇流箱故障

    监控室里,电脑屏幕上出现汇流箱温度高报警界面。前往工具室,选取工具。来到光伏现场,逐一打开汇流箱,用红外测像仪进行检测,通过查看红外图像判断汇流箱内温度是否异常。然后通过问题考核形式,考查处理措施。最后录入实验报告。

    21.jpg 图16 汇流箱故障


    实验评分及实验报告

    在整个虚拟仿真实验中,学生需要阅读每个模块对应的实验原理,并根据系统提示完成操作。系统会根据学生实验任务的正确性、有效性以及尝试次数进行评分。完成全部实验步骤后,点击实验成绩,系统给出实验操作得分,学生可自行导出实验报告,指导教师对实验结论与思考题进行评阅,并给出实验课程最终成绩,如图17所示。

    22-a.jpg (a)实验评分

    22-b.jpg (b)实验报告

    图17 实验考核


    1. 实验教学过程

    (1)基础系统理论学习

    本实验在学生使用初期引入光伏发电、风力发电和储能的基本特性。学生们可以在虚拟环境充分对各个系统的运行理论、运行效果、必要的基础知识能进行感性的学习。通过观察收集信息、思考原理、动手加深理解和试运行的实践验证来充分掌握相关理论知识。

    (2)设计与仿真

    通过虚拟仿真技术建设虚拟教学环境,以校园微电网为背景,进行微电网光伏、风机、储能安装配置。该实验设计模块涉及到安装分布式电源实验、逆变器容量设置实验,以及逆变器的控制策略等,然后运行配置方案并进行验证。运行时,系统会对微电网运行的模式进行考核并评分。

    (3)交流与总结

    微电网虚拟仿真环境为学生开展实践交流,提供了充分的活动交流空间。虚拟仿真环境根据用户权限的不同,系统总体上分为:管理员用户、教师用户、学生用户共3种角色。管理员用户主要对公共资源和基础数据进行管理,包括人员、机构、资源、权限、日志等。教师用户管理教学资源、设置班级信息、课程监控、组织考试、答疑、讨论等日常教学活动。学生用户根据教师创建的课程、实验库,可自主完成其中的课程等,进行在线学习、在线实验等。在学生暑期社会实践、志愿活动、校际交流及企业实践过程中提供有力支撑,为提高学生的社会适应能力提供保障。

    管理员、教师、学生用户可上传教学使用的资源文件,包括:仿真软件、视频、音频、图片、办公文件、Flash等形式,资源库中的资源可应用到课程或实验库中,教学过程中产生的文件(例如:工况文件、评分文件、实验报告等)也可存储于资源库中。对于站外的资源,可以通过外链功能引入到本站中,实现外部资源的集中管理。

    网络虚拟仿真教学资源作为实践教学体系的主要内容,渗透在教学过程中,持续对各教学环节的缺失进行补充和完善。从实验教学、校内实训、校外实践、创新创业等方面,着力加强学生系统思维能力、工程实现能力、团队协作能力和工作适应能力的培养,实现课内课外、校内校外、线上线下一体化、全方位育人,为学生奠定扎实的工程素质能力基础。

     

    2.实验方法描述

    本虚拟仿真实验共设计了“基础实验”、“微网设计及运行”和“故障仿真”三个教学模块,主界面如图2所示,各模块内部详细实验操作流程如图3所示,实验登录界面如图4所示。

    图7 虚拟仿真实验主界面.png 图2 虚拟仿真实验主界面 

    图8 实验流程图.png 图3 实验流程图

    图9.jpg图4 虚拟仿真实验加载界面

     

    实验整体采用由浅入深的方式:

    (1)通过对光伏、风机和储能的基本实验操作,让学生了解光伏、风机和储能的基本原理和运行特性;

    (2)在(1)的基础上开展微电网的设计、运行及能量管理,包括微电网容量配置、策略制定、能量管理和参数设计;

    (3)让学生身临其境,置身微电网场景中进行故障分析和处理。

        通过上述实验内容的实施,使学生对微电网规划设计、能量管理及运行控制方法与典型故障有更深入的理解和认识。


    (1)第一模块“基础实验”

    在理解了理论知识的基础上,按照实验指导书的步骤进行操作,将得到合理的参数与曲线,并可以正常录入实验报告。

    若在实验过程中,某步骤操作错误,将得到系统提示;只有在错误改正后,才能进入下一步实验。

    (2)第二模块“微网设计及运行”

    在该模块中,需严格按照实验指导书的步骤进行操作,若有尚未完成的步骤,则不能进入下一步实验。

    若选择了不同的“光-风-储”配置方案,则将得到不同的装机容量、输出功率及经济成本。若方案不能满足校园负荷需求,则得到系统提示,直到错误被改正以后,才能进入下一步实验。

    在同一个配置方案中,若选择不同场景(光照强度、风速),制定微电网能量管理策略,则得到不同的输出功率。

    (3)第三模块“故障仿真”

    在该模块中,涉及生产与人身安全问题,须严格按照实验指导书的步骤进行操作,若有漏操作、操作顺序错误等发生,系统则进行安全提示;只有在错误改正后,才能进入下一步实验。


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