迈向可持续未来：可再生能源智能微电网系统
在21世纪的今天，我们面临着一个重大的挑战——如何实现能源的可持续利用。传统化石燃料的使用不仅导致环境污染，而且随着资源的逐渐枯竭，其稳定性和可靠性也受到质疑。在这个背景下，可再生能源智能微电网系统的出现，为我们提供了一个全新的解决方案。
首先，我们需要理解什么是可再生能源。可再生能源是自然界中可以不断更新、永续利用的能源，包括太阳能、风能、水能、生物质能等。这些能源无处不在，取之不尽用之不竭，与人类的生活和发展息息相关。
然后，我们来讨论一下智能微电网系统。这是一种能够自我管理和协调的电力供应系统，可以在各种复杂的环境中运行。它由多个小型发电机、电池组、储能设备、控制器以及连接它们的通信网络组成。通过这种方式，微电网可以在主电网中断或不足的情况下，独立地为用户提供电力。
那么，微电网是如何利用可再生能源的呢？这主要依赖于其集成的智能能源管理系统(EMS)。EMS可以根据实际需求和可用能源的情况，自动调整发电和充电策略，以确保系统的稳定运行。例如，在阳光充足的白天，微电网可以将多余的电能储存到电池中；而在夜晚或天气阴雨时，则可以利用风力或水能发电机进行发电。
可再生能源智能微电网系统的优势不仅仅在于其环保性和可持续性。更重要的是，它可以帮助我们打破对传统大宗商品的依赖，提高能源安全性，减少对外部电力系统的依赖。此外，微电网还可以推动分布式经济的发展，创造就业机会，提高生活质量。
一、系统概述
可再生能源智能微电网系统采用双母线结构，集成能量控制系统(PCS)、电池管理系统(BMS)、分布式发电系统(DG)、交直流负荷、能量管理系统(EMS)与监控系统(SCADA)等，实现清洁低碳、安全高效的源-网-荷-储协同优化功能。应用数字化、信息化与智能化能量管理系统控制，通过源源互补、源网协调、网荷互动、网储互动和源荷互动等多种交互形式，可以更经济、高效和安全地利用分布式新能源与储能，实现电能削峰填谷、负荷不间断优质供电、系统智能化保护与运行、自由离并网无缝切换等，从而实现发、用电效益最大化。
1.1系统简介
可再生能源智能微电网系统由能量调度控制器、浪涌保护器、交流接触器、断路器、单相计量仪表、电流互感器、工业触摸屏(HMI)、测试端子等组成。主要完成微电网与电网能量交互的控制、计量与保护，同时通过能量调度控制器对储能、分布式电源、交直流负荷等进行能量管理与调度，实现微电网平滑稳定、经济高效运行。
二、系统参数
1）触摸屏：内核：J1900 CPU（主频2400MHz*4核心）；内存：4GB；触摸类型：四线电阻式触摸屏；串行接口：RS232/RS485；以太网口：10/100M自适应；电磁兼容：工业三极；监测内容：对微电网的实时运行和报警信息进行全面监控，并对微电网进行统计和分析，实现对微电网参数的监控。
2）工业交换机：网络标准：IEEE 802.3、IEEE 802.3u、IEEE 802.3x；端口：8个10/100Mbps RJ45 端口；指示灯：每端口具有1个Link/Ack、Speed 指示灯/每设备具有1个Power指示灯；性能：存储转发/支持3.2Gbps背板带宽/支持8K的MAC地址表深度。
3）浪涌保护器：最大持续运行电压Uc：1000V；标称放电电流In(8/20us)：20KA；最大放电电流Imax(8/20us)：40KA；保护水平Up(8/20us)：<1.8KV响应时间：≤25ns；
4）交流接触器：主触点数量：3对；额定电流：25A；线圈电压：AC220V；带辅助触点；
5）光伏专用单相电双向计量仪表：电流、电压测量精度：0.2级；功率、有功电能测量精度：0.5级；无功电能：1级；
6）开关电源：输入电压：AC220V；输出电压：DC24V；额定输出电流：2.5A；
7）系统材质与尺寸：钢板厚度：2mm；前门采用透明钢化玻璃设计，带缓冲器；后门采用双开门设计，底部装置过滤网；两边侧板可拆卸；柜体尺寸≥：750×650×1800(mm)；
2.1微电网储能与控制系统
储能与稳定控制系统由双向储能变流器、切换开关、储能蓄电池组、电池管理系统(BMS)、直流功率计量仪表、低压线路保护器、电流互感器、分流器、测试端子、通讯网关等组成。主要实现对微电网储能的充放电管理、直流母线与交流母线的双向变流、内置隔离微电网与市电电网的PCC节点开关。
1）微电网储能双向变流稳定控制器(PCS):最大并网功率：5.0KW；输入直流电压：DC48V；最大充电功率：5500W(可设定)；充电电压：可设定；集成温度补偿功能；保护功能：接反保护，欠压保护，过压保护，过充保护，过载保护，短路保护等；额定输出电压：220V(180Vac-280Vac)；额定电网频率：45/65HZ，±5HZ；最大交流电流：22A；功率因素：0.8超前～0.8滞后；THDI：<1.5%；交流连接类型：单相；设备保护：直流极性反接保护，直流输入开关保护，交流输出过流保护，交流输出过压保护，接地故障监测，电网孤岛监测，残余电流检测；通讯接口：隔离RS485；
2)储能蓄电池：磷酸铁电池；电池容量：48V2.4KWH（2节）；电池连接方式：串联；电池保护：末端接熔断器；
3) 电池管理系统(BMS):电源电压：AC/DC220V；输入功率：≤10W；电池单体电压检测：24节；电池电流采集：1路；电池温度采集：1路；单体电压测量范围：0.5V～16V；单体电压测量精度：≤±0.3%；通讯端口：RS485；可检测蓄电池组的电压、电流；单体电池电压、内阻；蓄电池工作温度，BMS系统可动态检测蓄电池间的工作情况，估测蓄电池的SOC，使蓄电池和设备间的连接更科学，大大延长蓄电池的工作寿命。
4)直流功率表:电压测量范围：DC0-100V；电压测量精度：0.5级；电流测量范围：0-50A；电流测量精度：0.5级；
5) 交流接触器:主触点数量：3对；额定电流：25A；线圈电压：AC220V；带辅助触点；
6)系统材质与尺寸：钢板厚度：2mm；前门采用透明钢化玻璃设计，带缓冲器；后门采用双开门设计，底部装置过滤网；两边侧板可拆卸；柜体尺寸≥：750×650×1800(mm)；
2.2 微电网分布式能源接入系统
发电机电源模拟单元由永磁发电机组、拖动异步电机、智能汇流箱装调与检测模块、光伏组件等组成。发电机采用永磁发电机，通过异步变频电机进行拖动，可模拟发电机在不同工况下的发电输出；光伏发电单元由光伏组件和汇流箱检测模块组成，模拟光伏板或者真实光伏组件的各种特征；微电网分布式能源接入系统由光伏控制器、风力控制器、直流功率计量仪表、分流器、变频调速器、测试端子、通讯网关等组成。主要完成对分布式能源的接入、分布式发电的计量与保护。
1)发电机:额定功率：500W；额定电压：24V；发电机类型：三相交流永磁发电机；调速方式：变频电机拖动；工作温度：-40℃～80℃；
2)变频拖动电机:额定电压：AC220V；额定频率：50HZ；额定功率：750W；
3) 变频器：采用微处理器控制，使用具有现代先进技术水平的绝线栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和功能的多样性。脉冲宽度调制的开关频率可选，降低了电动机运行的噪声。核心部件为CPU单元。根据设定的参数，经过运绷出控制正旋波信号，经过SPWM调制。放大输出三相交流电压驱动三相交流电动机运转。
功率：0.75KW；电压：输入单相180-265V；输出三相220V；输入频率：50HZ；输出频率：0-150HZ、波动：±5%；冷却方式：自冷通用磁通矢量控制；1Hz时150%转矩输出、采用长寿命元器件；内置Modbus-RTU协议；内置制动晶体管、扩充PID；三角波功能；带安全停止功能
4) 光伏控制器:额定系统电压：24V；空载损耗：≤1.2W；光伏最大输入电压：150V；最大充电电流：30A(可设置)；转换效率：≤98%；具有MPPT追踪功能；温度补偿系数：-3mv/℃/2V（默认值）；保护功能：接反保护，欠压保护，过压保护，过充保护，过载保护，短路保护，反充保护等；
5)风力控制器:额定风机输入功率：500W；最大风机输入功率：600W；蓄电池额定电压：24V；风机刹车电流：10A；卸荷开始电压：32V；完全卸荷电压：37.5V；蓄电池过放保护电压：24V；蓄电池过放恢复电压：24V；输入过压保护电压：28.6V；充电方式：PWM；静态电流：≦30mA；保护功能：接反保护，欠压保护，过压保护，过充保护，过载保护，短路保护，反充保护等；通讯方式：RS485；
6)直流功率表:电压测量范围：DC0-100V；电压测量精度：0.5级；电流测量范围：0-50A；电流测量精度：0.5级；
7)智能汇流箱装调与检测模块：尺寸：500×400×180mm，采用可拆卸式模块化设计，≧IP54防护等级；内置熔断器、防反二极管、断路器、浪涌保护器、监控等模块；支持汇流箱装调实训，包括元器件安装、标识标志粘贴、整机调试等；输入路数:2 路；额定电流:DC 0~16A；反应时间:1s；测量精度:0.5级；温度系数:400ppm；
8）光伏组件：太阳能光伏电池组件：组件类型：单晶；功率：100W；组件效率：≥18％；功率偏差：2.0％；工作温度：-40℃～85℃；边框材质：铝合金；
9）光伏支架：钢构件采用金属保护层的防腐方式。钢结构支架、连接板及拉条均采用热浸镀锌涂层，热浸镀锌满足（金属覆盖层钢铁制件热浸锌层技术要求及试验方法）（GB/T13912-2002）的相关要求。电池板组件安装完成后尺寸为2000*1600*1400左右（长*宽*高），倾斜角可调。
4、微电网交直流负荷管理系统
交直流负荷管理系统由交直流模拟负载、直流功率计量仪表、交流功率计量仪表、分流器、交流接触器、测试端子等组成。可以通过软件模拟对不同等级负荷进行自动调度控制，模拟微电网负荷投切控制和带载运行参数分析。
1)模拟直流I级负荷:直流LED灯：额定DC48V/20W；
2)模拟直流II级负荷:直流电阻负载：500W/10Ω；
3)模拟交流I级负荷:交流白炽灯：AC220V/100W；
4)模拟交流II级负荷:交流电阻负载：800W/96Ω；
5)感性负载：额定电压：220V；工作频率：50HZ；工频耐压：3000V额定电感：380mH
6)容性负载：额定容量：30μF±5％；额定电压：450VAC 50/60HZ
7)直流功率表:电压测量范围：DC0-100V；电压测量精度：0.5级；电流测量范围：0-50A；电流测量精度：0.5级；
8)单相交流功率表:电流、电压测量精度：0.2级；功率、有功电能测量精度：0.5级；频率测量误差：±0.05HZ；无功电能：1级；供电电压：AC85-265V/DC100-300V；功耗：≤10VA。
9）系统材质与尺寸：钢板厚度：2mm；前门采用透明钢化玻璃设计；后门采用双开门设计，底部装置过滤网；两边侧板可拆卸；柜体尺寸≥：750×650×1800(mm)；
5、主控台
1)操作台:可放置监控主机；板材：优质冷轧钢板；尺寸:可定制；
2) 电力数据采集监控系统(SCADA):具有用户及权限管理功能；支持主机加多从机功能；具有历史数据储存、数据库查询；在线实时监测系统数据、状态数据；实时曲线与历史曲线动态显示；在线设置和修改系统参数；通过以太网连接能量管理系统，具备快速遥信、遥测、遥控、遥调功能；具备模拟微电网自动化电力调度控制管理功能。
5.1 仿真规划软件
基于Unity3D软件，使用C#语言进行开发，采用My Sql作为后台数据库，通过FTP协议与数据库进行通信。软件使用者通过使用光伏、风力、地热、生物质4种能源设计多能互补方案，完成区域能源的供能结构改造方案设计，并结合区域的气候数据，模拟区域内实时能耗与供能数据，从而优化出合理的能源结构。
用户管理功能：
注册：支持学生或教师按照学校名称和手机号码注册用户
登录：支持学生或教师根据手机号码或用户名登录系统。
找回密码：支持学生或教师根据手机号码找回密码
权限管理：支持主用户添加或删除子用户
用户信息管理：支持用户信息查看，包括用户名、学校、真实姓名、学号、上级用户等
异地登录：同一个账号24小时内只能在同一台电脑上登录，无法在其他电脑上登录。
气象数据库
支持查看全国超过32个城市的模拟地图气候数据。支持查看2013-2016年的精确到天的模拟地图气候数据，可自由设置日期进行查看。每个城市的气候数据均可查看：平均气温、最高最低气温、湿度、降水量、辐照量、气压、风速、土地湿度摄氏度等。
3D地图功能
支持教师通过3D地图上的模拟能耗布置相应学习任务，同时可以修改多种参数以最大化的适应不同实际情况，最后可以根据学生完成情况进行相应的评分。
根据项目及学习任务需要规划设计的区域面积大小，选择对应面积以及地形相似度高的区域，并定期更新可用的区域3d地图、加载在3D地图上的是真实的地形地貌，包含设计成虚拟的地形地貌、3D地图模型、山川、河流与树木；
支持修改光伏发电的相关评分参数：整机效率、最佳倾角、除组件和逆变器以外的其他成本参数等。
支持修改风力发电的相关评分参数：整机效率、风力波动（自定义风速的每小时波动数据以体现出风力发电机组随着每小时风速数据的变化，发电量在1天24小时内随机波动的特点；）
支持修改地热能的相关评分参数：换热能力、热协调参数、成本单价
支持修改生物质能的相关评分参数：生物质年供应、整机效率、生物质残余物平均能源折算系数、生物质平均谷草比系数、生物质残余物能源利用可获得系数、建设成本、燃料成本、运维成本等。同时可自动根据公司计算得出每年最大可建设的电站功率作为评分准则。
（最大生物质电站功率=年供应量*1000*平均能源折算系数*谷草比系数*残余物能源利用可获得系数/ 3600/365/24）
设计区域内的5种用能建筑模型（底层住宅、交通枢纽、酒店、小高层、写字楼），通过设置每个建筑模型的最大功率、制冷制热能耗占比、每小时实际用电系数、日能耗时长，可以获得区域内建筑每小时、每天、全年的耗电情况以及制冷制热能耗需求；
可选择全国任意地区（精确城市）、任意气候时段作为区域能源模拟的目标区域，通过对比数据库可以得出当地经纬度、光伏组件全年最高、最低工作温度，并可以自动计算最大、最小电压、最大开路电压、最大直流电流等数据，可以自行比较同一模型不同规划方案的优劣，通过比较倾角偏差、组件逆变器功率比、间距误差、逆变器数量、生物质电站容量、浅层地热容量、风力电站布局、外部电力输入、外部电力波动、建设总成本等，可以对同一模型下的方案进行自动评分
命名：教师可以自行命名模型的名字
删除：教师可以对模型进行删除操作
支持学生通过设置3D地图上的各种能源搭配的方案来解答教师给出的学习任务，并给出相应的数据报表
在3d地图上，根据模拟的每小时用能数据，合理布局“光伏发电”“风力发电”“生物质发电”“浅层地热设施”设置各种产能模块的产能参数，满足区域用能需求，以完成需求侧区域能源规划方案的设计；
使用光伏、风力、生物质、地热4种新能源并结合外部电力输入以进行能源供应模拟并能自动计算产能。
根据设施地区经纬度与气候参数，通过选择不同型号规格的逆变器与光伏组件，来完成光伏组件方阵的设计，主要包含参数有：方阵行数、方阵列数、组件安装方式设计、倾角设计、逆变器数量、组件间距设计、组串串并联的数量等完成区域光伏电站设置。
根据每小时的用电情况，实现户式/小型分布式光伏电站的模拟设计，并根据所选光伏组件与逆变器估算该电站的建设成本以及模拟该分布式电站与负载的合并运行情况可设置不同容量大小的风机，模拟风力发电功率
根据模拟时段内的气温数据，判断当日是否存在制冷制热需求，并根据当日的冷热程度模拟制冷制热能耗情况。
模拟浅层地热换热能力与埋管面积的关系；同时学生根据模拟数据需要，设置生物质能建设所需面具，以满足模拟建筑制冷制热能耗需求；
学习生物质发电过程中，通过生物质能电站的一系列参数，强化学生对于生物质能转化公式学习。（最大生物质电站功率=年供应量*1000*平均能源折算系数*谷草比系数*残余物能源利用可获得系数/ 3600/365/24）并模拟白天时段，光伏发电设施每小时发电数据，体现出白天每小时光伏发电量随光照强度变化、夜晚光伏没有发电的量的特点；
根据逆变器、光伏组件的价格，风机机组价格，地热电站价格，生物质电站价格对所设计的多能互补方案的建设总成本自动统计在初始化并部署完成后，展示整个区域能源状态，并根据预设值进行计算和输出，根据输出结果形成各类报表。包括总数据和日数据；
能源数据报表中，通过模拟时间过程，以及设计好的方案，可以显示各种能源的产能情况，包括：总产能、光伏发电量、风力发电量、浅层地热能量、生物质能发电量以及外部电力输入等。
根据用能模块预设的用能参数，模拟计算出用能情况实时曲线与各类产能设施的产能占比，并同步图表显示，包括总能耗、一般能耗、制冷制热能耗等，有助于学生进行相应能源的设计配比。
命名：学生可自行对设计方案进行命名或重命名
删除：教师或学生可删除方案
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