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平台建设硕士毕业论文 新型智能微电网实验平台建设与教学研究

版权: 原创标记本站原创 主题: 级别: 范畴: 论文范文编号: 期刊发表: 全文字数:字 投稿作者: 审稿编辑:admin 阅读次数:

主要论述了平台建设论文范文相关参考文献.

武汉科技大学 湖北 武汉 430081

电商平台建设

智能保护器的新型低压配电网运检模式实践

基于“互联网+”的实景实践教学平台建设

智能电网配电自动化技术未来展望

基于物联网的智慧矿山安全生产模型

摘要:介绍了新型智能微电网实验平台从项目规划到运行验收的整个建设经验,重点阐述微电网平台针对学校科研、教学的兼容性和二次开发特点,并根据这一特点,在实验教学中实施分层次实验教学方法,通过对教学方法改革,激发学生创新性。同时,将教师科研成果融入实验教学中,加大与其他高新或企业交流,探索实验应用平台的可持续发展。

关键词:微电网实验平台;建设经验;二次开发

Construction of Multi-functional Intelligent Microgrid Experimental Platform and Teaching Research

Xu Wanwan,Wang Bin, Cheng Yan

(College of Information Science and Technology, WuHan University of Science and Technology ,Wu Han 430081,China)

Abstract:This paper introduces the multi-function intelligent microgrid experimental platform, from project planning to running the acceptance of the whole construction experience , focusing on the microgrid platform compatibility and secondary development characteristics for school research , teaching, according to this feature , hierarchical experimental teaching methods is implemented in the experimental teaching ,inspiring students’ innovative by reformed teaching methods . Meanwhile, research into the experimental teaching of teachers , increase exchanges and other high-tech or business , to explore sustainable development experimental application platform .

Key words:Experiment platform of a microgrid;construction experience;secondary development

0 引言

未来能源革命成功与否的关键在于分布式能源生产管理技术和一体化能源存储解决方案。微电网系统中,光伏发电和风力发电的是目前应用较为广泛的清洁能源,智能型微电网是近年来的研究热点[1],目前,北美、日本和欧洲等国家已经在加快进行微电网的研究和建设,我国微电网相关的研究和实验系统建设多局限于理论研究和数字仿真[2],为了协助高校师生对微电网的研究和检测,建设优秀的微电网应用平台将至关重要[3]。

目前,对智能型微电网系统的构建方案和与实践教学对接的研究较少,本文根据近一年的实际建设经验和教学积累梳理和总结,为今后类似平台建设的规划和发展奠定基础。

1 实验平台建设必要性

1.1 微电网实验平台建设现状

在不改变现有配电网结构下,对了减小间歇性分布式发电系统给传统大电网带来的冲击,美国CERTS组织最先提出微电网概念[4]。微电网是把规模较小的分散独立系统,如燃气轮机、光伏发电、风力发电、电池、电力电子设备等并在一起直接与用户相连,大大减少了输电损耗和费用,保证了本地电压稳定和用电不间断,与大电网并联运行时,可以看作电网的可控单元,当大电网断电,也可以独立运行保证本地用户用电,提高了供电可靠性[5]。

在微电网系统实验室建设方面,各发达国家已经完成很多项目建设[6]。最早CERTS组织2001年在威斯康星大学建立了系统容量为200KW,电压等级280V/480V的微电网系统。

在智能微电网平台建设领域,相对国外实验室或示范工程,我国的差距较为明显,一是规模非常有限,如杭州电子科技大学微电网系统主要能供应两栋教学楼;二是缺乏实际应用,缺失针对某地区用户的实际运用。2015年7月,国务院批复同意设立《河北省张家口可在生能源示范区发展规划》,同意设立张家口可再生能源示范区[7],根据规划,到2020年,张家口示范区55%的电力消费来自可再生能源。这预示着我国正在逐步弥补与国外在微电网规模和应用上的差距

1.2 建设的必要性

2008年初的冰雪天气导致我国发生大面积停电,暴露了我国现有网架结构在供电可靠性上的缺陷[8],微电网以其灵活的接入方式,能够保证恶劣天气下的供电,可以作为现有骨干电网的必要补充,反观微电网技术从提出到现在的近15年里,我国在该技术上的突破仍然欠缺,尚处于起步阶段,如果需要大规模应用,还有很多技术难题有待解决,如电能质量问题、储能容量优化问题等。

随着新的电改方案逐步落实,国内智能型微电网建设逐步开展,我国在“十二五”期间微电网的市场规模随智能电网的建设,年均增长率在8%左右。2015年能源局发布《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》进一步提出了加快推进新能源微电网示范工程建设的机制[9]。

因此,建立智能型微电网系统实验平台是微电网技术入科研和新能源发电专业学生实验教学的有效方法[10]。

武汉科技大学自动化专业成立与1958年,经过近60年的发展和积累,于2012年在信息学院成立电气工程及其自动化专业,形成了电气工程与自动化相结合,强电与弱电相结合,电力与信息技术的特点,因此结合已有的自动控制、信息处理、通信等技术与新的电气工程技术,发展智能型微电网系统,实现学科交互研究和技术共享,是一项具有重要意义的工作[11]。

2 智能型微电网实验平台建设

智能型微电网实验平台建设主要分为三个阶段,前期规划与设计阶段、建设阶段与运行阶段,其中运行阶段分为调试试运行和实践教学两个阶段。

2.1 实验平台规划与设计

智能型微电网实验平台是以电气工程及自动化专业的人才培养方案、国家现有政策以及科学的发展规划为依据,将培养学生创新能力、实践能力和综合素质为复合型人才作为主要目标,因为是一个实际的电力系统,所以必须强调在保证学生安全用电的基础上,能够最大的发挥学生的主动性和创造性,与传统企业或电网公司追求最大发电利益不同,在本系统规划初期,必须将系统的再开发能力列入主要的技术指标中。

根据上述主要要求,建立多功能型智能微电网应用平台主要功能包括:1)建立标准的微电网关键设备检测平台,确保能够接入自主研发设备,即插即用,检验所研发设备的各项性能;2)建立的分布式发电接入配电网后,可以通过控制单元实现微电源、负荷、除能系统等设备的运行状态,实现负荷的多种形式可靠性供给,其中控制单元可以提供二次开发接口。

2.2 实验平台的构成

根据本专业的优势,结合已有的实验设备,智能型微电网实验平台建设20KW光伏发电系统,5KW/20KWh铅酸电池系统,10KW双馈模拟风力发电系统、交流负载组成,系统带电能质量监测,交流设备经低压配电柜接入系统。形成微电网系统,如图所示。

微电网的监控和能量管理系统由协调器和 控制器负责,完成主要功能包括光伏并网逆变器的输出有功功率控制(光伏不发出无功功率)、储能系统充电放电功率控制、电池能量管理控制、风力发电输出有功和无功功率控制、负荷投切、并离网转换等。储能变流器交流侧、光伏逆变器、风力发电机、交流负荷共交流母线,储能变流器直流侧、DC/DC变换器、直流负荷共直流母线,整个系统为交直流混合系统,协调控制器获取各设备的电压、电流、功率、电能质量等信息,由 控制器得出控制算法结果,实现发电、切换等控制指令,保持微电网系统的平衡和稳定[12]。

微电网实验平台配有完善的监控系统,通过网线与上位机软件进行信息控制和指令交换,全部指令均可通过上位机软件下发,进一步确保了操作的安全性,上位机软件如图所示。

由于是面向学生教学使用,微电网运行过程中必须保证电磁辐射和噪声再国家标准限定范围内,确保对参与实验的学生和老师及其他用电设备的正常运行产生不利影响。此外,为了微电网的智能化和高效运行,所有设备及开关柜均需要配备保护、测量和控制功能的智能型开关。

2.3 实验平台的特点与功能

根据前期的规划和建设后期的验收情况,本实验平台的重要特点及功能包括:

1)实验平台为开发性平台,后期兼容性强,可以兼容各厂家的关键设备或自主研发设备,实验了微电网智能化、高效经济运行的试验验证。利用建成的实验应用平台,能够开展光伏发电、风力发电等新能源并网关机技术应用,为多能互补、分布式电源并网、主动配电网等关键技术的研究提供了完整的实验平台。

2) 控制器可二次开发,基于应用平台EMIDE软件开发控制系统算法,EmIDE支持多种不同类型的项目,包括C、C++项目类型。

3 微电网平台的实践教学研究

3.1 多层次实践教学

本实验室较为综合,对学生能力要求较高,主要针对高年级本科生以及研究生教育,其中本科生与研究生的实践教学内容是分层次进行。

1)高年级本科生层次实践教学

针对高年级本科生分布式发电与微电网系统课程的实验,教学目的是新能源发电过程的背景知识,让学生认识多种新能源发电形式和发电原理,了解分布式发电输出电能特性,建立基本的微电网系统概念;掌握基本的电力电子设备拓扑与控制方法,使学生建立电力生产配套设备的基本设计方法;在实际电力设备中,普及电力用电安全的具体方法和措施;经过实际的简单操作,增加学生对本专业的兴趣和能力。

对高年级本科生层次,开设的实践形式包括:演示性实验、验证性实验与仿真设计类实验,实践方式包括:多媒体现场演示、展示屏动态数据显示、实际测量、基于Matlab/Simulink或RTLAB自主仿真设计。开设的实验项目有:微电网主系统结构认知、智能型微电网发电运行实验、基于仿真软件的微电网仿真设计。

高年级本科学生层次,学生需要对微电网系统有整体感知,根据系统运行数据分析系统的状态,能够利用仿真软件中已有的模块搭建简单微电网系统并分析结果。

2)研究生层次实践教学

研究生层次的实践教学主要针对电力电子及电力传动方向的硕士研究生和博士研究生,在已经具备了电气工程相关知识的基础上,对本层次的教学目的是培养学生创新意识和独立实验能力,为毕业设计做准备。通过这一层次的实验教学,将本实验室的功能发挥最大化,真正培养硕士研究生的科研能力。

对硕士研究生开展的实践教学以学生为主体,实验老师辅助的形式,根据各研究生的研究专长,进行分组,每组3-4人,主要开展的实验项目包括:微电网交、直流混合模式运行、并离网转换实验、关键设备结构与控制算法分析、通过实测数据建立新能源发电系统的数学模型等。

研究生层次学生需要熟练掌握系统的启动、停止、监控和故障查询等基础工作,通过对微电网系统更专业的分析,提高学生实际解决问题的能力,在实际运行中,需要学生对设备存在的问题提出创新性修改,如修改重要数据导出程序等。通过团队合作完成实验任务,培养学生合作能力,也可以根据各研究生申请的科研项目,实验老师有针对性的指导,重点培养学生独立开展创新性实验的能力。

3)开放性实验教学

开放性实验教学面对的是全校所有学生,包括电气工程专业学生的毕业设计、课程设计、学科竞赛、科研课题等,也包括非电气工程专业的选修实验或科研需要等。

针对此类教学,学校实验室管理网站上有非常完善的预约系统,采取学生自主预约时间,自主安排实验进度的方式,实验教师根据每位学生的实验项目提供必要的帮助,学院综合实验室中心提供设备、经费和配套的专业指导老师,保证实验的顺利进行。

3.2 教学与科研融合

微电网实验平台隶属于电气工程系部,从系部成立以来,系部多位教师一直专注于新能源发电系统的研究,积累了非常丰富的理论研究基础,研究范围涵盖微电源仿真与实现、现代电力电子技术研究、电能质量监测与治理研究、大规模电储能的微电网控制系统研发等。

系部尤其重视实验室平台的教学与科研同步,将新的方法应用到已有的实验平台中,系部老师利用该实验平台自主研发的主要项目包括:新能源系统有源电力滤波器设计、基于EEMD与HT算法的电能质量研究、磁控并联电抗器铁心直流偏磁动态磁通测量方法研究以及后期打算着手研发的燃气轮机模拟系统设计等。教师的科研成果一方面充实了实验平台已有的功能,另一方面也可以转化成学生的实验教学内容,拓宽了学生的知识面,提升本实验平台的实践教学水平。以电能质量研究为例,现在利用平台的实验数据,自主开展了多种改进算法的谐波间谐波研究实验,很多硕士研究生通过实验训练撰写并发表出学术论文。

3.2 坚持对外合作交流发展

武汉科技大学电气工程系部在与自动化相结合的领域有鲜明的特色,对外的合作交流主要表现在两个方面,一是与电力行业企业保持长期合作,在企业设立实习基地,如2012年派教师进入与大力电工进行微电网相关的博士后课题研发;2013、2014年连续两年组织电气相关硕士研究生暑期深入企业实习,并获得校暑期实践优秀奖;二是与国内外高校交流学校,连续多年派优秀教师赴美国港桥大学等学校交流学习。利用已有的实验设备,系部与其他兄弟院校长期保持有效合作,派出有丰富实践经验的老师解答其他院校老师的技术问题或共同进行科研项目的实验。

网络平台建设方案

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考虑到以往高校实验室管理效能较低的因素,本实验平台从建设初期就从人员培训、科学规范化管理、实验室信息化建设等多个方面改进,争取早日实现高新实验室资源共享[13]。

4 结论

实验教学在整个教学的过程中起着重要作用,不仅仅只是理论教学的拓展,而应该是学生能力培养的有效途径。本实验平台的建设体现了以科研性为主,展示性为辅的原则,在多层次实践教学方面,强调学生为主,满足本科、硕士各学生的学习要求,能够将实验平台的利用效率达到最大化,成为学院的实验两点,现已成为校内实验室建设与教学交流的重要基地。

参考文献:

[1]邮政金融专业网络化教学平台建设

[2]邮政金融专业网络化教学平台建设

[3]面向生物医学工程专业能力培养的开放型实验平台建设

结束语

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