新能源风光氢荷储智能微电网实验系统

一、新能源风光氢荷储智能微电网实验系统基于风光氢储荷一体化设计理念，融合太阳能发电、风力发电、电解氢燃料电池、储能（储热、储电）、负载（热泵）以及信息化管理平台等多种技术，构建起一套集发电、储电、储热、用能和智能管理于一体的可再生能源智能微电网体系。该体系旨在满足高校在教学、科研以及实验验证等方面的需求，助力实现碳中和目标。系统具备半开放式功能，支持扩展采集功能，可兼容高校已有的采集设备进行数据采集，负载模块也支持接入高校已有的实验设备，为高校相关领域的研究和教学提供了灵活且高效的实验平台。

二、实验教学设计

（一）课程目标：

l 使学生掌握新能源风光氢荷储智能微电网的基本原理、系统组成和运行机制；

l 培养学生在新能源发电、储能、智能控制等方面的实验操作技能和问题解决能力；

l 引导学生理解微电网在实现碳中和目标中的作用，增强环保与可持续发展意识。

l 鼓励学生探索新能源微电网前沿技术，培养自主学习和探索新知识的能力。

（二）实验项目设置

1．基础性实验：新能源发电模块认知实验，让学生观察风力发电单元、光伏单元和电解氢燃料电池实验装置的结构，了解各部件功能及工作原理，掌握基本操作方法。储能模块原理验证实验，通过操作相变储能实验系统和逆变器实验单元，验证储能原理，学习储能过程中的能量转换和存储特性测量方法。

2．综合性实验：智能微电网系统集成实验，指导学生搭建智能微电网系统拓扑结构，模拟孤岛运行和并网运行，分析系统潮流、电压和频率变化，综合运用多模块知识解决实际问题。系统控制与调度实验，引导学生开发智能控制系统，设计调度算法并在实验平台上验证，培养系统控制和优化能力。

3．创新性实验：新能源技术应用拓展实验，鼓励学生自主设计实验，探索新型新能源材料或技术在微电网中的应用，如新型光伏组件效率测试、新型储能介质性能研究等。微电网优化策略研究实验，支持学生基于实际需求，研究改进微电网的控制和调度策略，如基于人工智能算法的能源管理策略研究。

（三）教学方法

采用理论讲解与实践操作相结合的方式，先通过课堂讲授、多媒体演示等方式让学生掌握理论知识，再在实验室进行实验操作。实行小组合作学习，学生分组完成实验项目，培养团队协作能力。教师在实验过程中进行指导和答疑，引导学生自主思考和解决问题。

三、系统功能

（一）新能源发电模块实验

光伏发电实验

l 模拟单晶硅、多晶硅、薄膜光伏组件等不同类型光伏组件的发电过程。

l 实操展示光伏组件的安装、调试、维护流程。

l 设置常见故障模拟场景（如线路接触不良、组件损坏等），开展故障排除实验。

l 基于地理位置、时间、光照强度等参数，精确计算光伏电站发电量。

风力发电实验

l 解析风力发电机组结构与工作原理。

l 模拟不同风速、风向条件下风机运行状态。

l 设置风机安装、检修实操场景，开展故障处理实验（如设备异常停机、部件损坏修复等）。

电解氢燃料电池实验

l 模拟电解氢燃料电池工作过程，探究其在微电网中的应用方式。

l 测试不同环境条件（温度、压力等）下设备性能表现，分析运行参数变化。

（二）储能模块实验

相变储能系统实验

l 与热泵、太阳能光热系统搭配，模拟自然能源的收集、存储与利用过程。

l 实验研究不同工况下，系统如何高效存储太阳能转化的热能。

l 分析相变材料在热泵辅助下，对热量存储与释放的优化效果。

l 评估系统整体应对太阳能间歇性的能力。

逆变器储电系统实验

l 模拟可再生能源发电并入电网的过程。

l 测试逆变器在不同光照强度、风速下的转化效率。

l 研究储电系统对不稳定电能的存储特性。

l 验证多种可再生能源协同供电时，电能的高效管理与稳定输出。

（三）智能微电网系统集成实验

l 搭建智能微电网系统拓扑结构，模拟孤岛运行、并网运行及切换过程。

l 开展系统潮流计算、电压调节、频率控制等实验，分析电网运行特性。

（四）系统控制与调度实验

l 开发智能控制系统，实现微电网各设备集中监控与远程操作。

l 设计优化调度算法实验（基于功率平衡、经济成本、环境效益的调度策略），验证算法在实际微电网场景中的应用效果。

（五）半开放式及扩展采集功能实验

l 系统接口与协议‌：提供开放的接口和协议，方便高校根据自身研究需求，自主开发或接入第三方设备与软件。

l ‌扩展采集功能‌：支持高校使用已有的采集设备进行数据采集，系统具备良好的兼容性，能够与不同品牌、型号的采集设备进行无缝对接。例如，高校可将已有的高精度温度传感器、功率传感器等设备接入系统，实现对更多实验数据的采集和分析。

l ‌接入自研设备与算法‌：高校可接入自研的能源管理算法模块，对微电网的能源分配进行个性化优化；也可接入新型的储能设备，测试其在系统中的性能表现。

（六）负载模块扩展功能

负载模块支持接入高校已有的实验设备，如：

l ‌太阳能热水器‌：作为热源，与热泵系统结合，进行热能转换效率实验。

l ‌风力发电机模拟负载‌：用于测试风力发电机在不同负载条件下的性能。

l ‌储能电池组‌：作为备用电源或测试对象，接入系统验证储能设备的性能。

l ‌电解水制氢设备‌：与燃料电池系统形成闭环，探究氢能利用的综合效益。

l ‌光伏-储能联合系统‌：结合光伏发电和储能技术，进行综合能源管理实验。