李瑞生

(許繼集團(tuán)研發(fā)中心，河南 許昌 461000)

云—層—端三層架構(gòu)體系的隨機(jī)性電源即插即用構(gòu)想

李瑞生

(許繼集團(tuán)研發(fā)中心，河南 許昌 461000)

分析了分布式發(fā)電到分布式電源及微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)的共性問(wèn)題。將光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車(chē)統(tǒng)一按“隨機(jī)性電源”考慮。從應(yīng)用場(chǎng)景專(zhuān)用設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用功率匹配、對(duì)外接口端子、兩電平與三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、過(guò)電壓異常響應(yīng)、監(jiān)視、控制和運(yùn)維、并網(wǎng)及孤島防護(hù)、滲透率及有效發(fā)電量滲透率等方面，分析隨機(jī)性電源接入配電網(wǎng)存在的問(wèn)題，提出了即插即用隨機(jī)性電源的云—層—端三層體系架構(gòu)。云運(yùn)維實(shí)現(xiàn)運(yùn)行維護(hù)即插即用，層控制實(shí)現(xiàn)有序控制即插即用，端互聯(lián)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景、工程應(yīng)用功率匹配、安全并網(wǎng)、信息互聯(lián)、最大發(fā)電量滲透率接入配電網(wǎng)的即插即用。

隨機(jī)性電源；即插即用；云運(yùn)維；層控制；端互聯(lián)

0 引言

分布式發(fā)電(Distributed generation，DG)可充分利用各種可用的分散存在的光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電等接入配電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)可再生能源充分利用。文獻(xiàn)[1-3]分析了分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)的作用及對(duì)配電網(wǎng)的影響。分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)，配電網(wǎng)潮流由傳統(tǒng)的單向流動(dòng)變?yōu)殡p向流動(dòng)，配電網(wǎng)由被動(dòng)配電網(wǎng)(Passive distribution network，PDN)變?yōu)橹鲃?dòng)配電網(wǎng)(Active distribution network，AND)。文獻(xiàn)[4-5]介紹了架空線路及電纜線路主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)解決方案。光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)及用戶使用者來(lái)說(shuō)具有隨機(jī)性，屬于典型的間歇性電源。DG配備儲(chǔ)能裝置(Energy Storage，ES)構(gòu)成的分布式電源(Distributed Resources，DR)，可實(shí)現(xiàn)把電能儲(chǔ)存起來(lái)，在配電網(wǎng)需要時(shí)供給配電網(wǎng)，配電網(wǎng)不需要時(shí)儲(chǔ)存多余的電能，有效改善分布式發(fā)電的間歇性，把間歇性的分布式發(fā)電變成穩(wěn)定的分布式電源。在分布式電源規(guī)劃研究上，文獻(xiàn)[6]建立了面向促進(jìn)間歇性分布式電源高效利用的ADN雙層場(chǎng)景規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[7]利用蓄電池和超級(jí)電容器的互補(bǔ)特性，提出了一種以?xún)?yōu)化蓄電池工作狀態(tài)為原則，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的能量管理策略；文獻(xiàn)[8]研究了在無(wú)功補(bǔ)償電容器的安裝容量和位置不確定的情況下無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)規(guī)劃方案。在分布式電源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)上，文獻(xiàn)[9]研究了儲(chǔ)能作為核心承載的多能互補(bǔ)技術(shù)和互動(dòng)技術(shù)的技術(shù)趨勢(shì)。但DR接入配電網(wǎng)時(shí)，同DG一樣，靠配電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓及頻率支撐才能運(yùn)行，離開(kāi)配電網(wǎng)提供的電壓及頻率支撐，DR及DG均無(wú)法運(yùn)行。DR配備就近消納的負(fù)荷，再配備相應(yīng)的控制裝置接入配電網(wǎng)，構(gòu)成的微電網(wǎng)(Micro-Grid，MG)既可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的分布式電源特性，又可實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行，在配電網(wǎng)故障或無(wú)法供給電力時(shí)，不依賴(lài)配電網(wǎng)的電壓頻率支撐，依靠自主電源的電壓頻率支撐，通過(guò)離網(wǎng)運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行能量平衡及電壓頻率的穩(wěn)定，給負(fù)荷供電。MG并網(wǎng)運(yùn)行依靠配電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓頻率支撐才能運(yùn)行，這方面特性同DG及DR；離網(wǎng)運(yùn)行靠自主電源支撐電壓頻率，這一特點(diǎn)是與DG及DR的差異。MG另一特點(diǎn)是并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換到離網(wǎng)運(yùn)行或離網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換到并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要模式切換，而DG及DR接入不需要模式切換。DG及DR接入一直工作在P/Q模式；MG接入時(shí)，模式控制及連接電池的雙向儲(chǔ)能變流器構(gòu)成能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(Power Conversion System，PCS)，MG模式切換過(guò)程中，PCS需要從P/Q到V/f模式之間切換，同時(shí)帶來(lái)了并網(wǎng)到離網(wǎng)時(shí)的“縫隙”，即短暫的停電間隔，盡管可以盡量小地縮短“縫隙”，但不能根本地消除“縫隙”。從DG到DR改善了電源間歇性，從DR到MG改善了不需要配電網(wǎng)支撐局部電源的供電問(wèn)題?？梢哉f(shuō)，是技術(shù)上使得間歇性電源得到了充分的利用，但是不論是DG、DR還是MG，接入配電網(wǎng)共同的特征是：由于接入的電源提供有功，在發(fā)電突然增大，或就近負(fù)荷突然減少，或配電網(wǎng)重構(gòu)過(guò)程中負(fù)荷的突然轉(zhuǎn)移，使得接入點(diǎn)的電壓突然升高，出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓現(xiàn)象，電壓升高到配電網(wǎng)允許電壓上限時(shí)，嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，這時(shí)不得不讓DG(DR或MG)退出運(yùn)行。DG(DR或MG)頻繁的投入/退出運(yùn)行，對(duì)配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，影響配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，對(duì)可再生能源來(lái)說(shuō)，影響新能源的利用率。

可再生能源代替石化能源是一種趨勢(shì)，以電代油的電動(dòng)汽車(chē)在交通領(lǐng)域發(fā)展也是一種必然。目前電動(dòng)汽車(chē)不僅作為交通工具，電動(dòng)汽車(chē)的V2G (Vehicle-to-grid，V2G)特性可將電動(dòng)汽車(chē)的電能輸送到電網(wǎng)，使電動(dòng)汽車(chē)具備雙向可控負(fù)荷(Controllable Load，CL)特征，可作為配電網(wǎng)的有效可調(diào)負(fù)荷使用。電動(dòng)汽車(chē)充電站的充電設(shè)備，同儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)能變流器，也可歸屬于隨機(jī)性電源一類(lèi)，接入配電網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)的影響與DG相同。本文把光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車(chē)統(tǒng)一按“隨機(jī)性電源”考慮，從不同類(lèi)型隨機(jī)性電源接入配電網(wǎng)的工程應(yīng)用、外接口端子、功率模塊并聯(lián)、監(jiān)視控制運(yùn)行維護(hù)、發(fā)電量滲透率、安全并網(wǎng)及信息互聯(lián)等不同角度出發(fā)，系統(tǒng)考慮隨機(jī)性電源接入配電網(wǎng)需要的系統(tǒng)及裝置設(shè)計(jì)問(wèn)題，真正做到隨機(jī)性電源即插即用。

1 隨機(jī)性電源的共性問(wèn)題

1.1 應(yīng)用場(chǎng)景專(zhuān)用設(shè)計(jì)

不論是光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電，還是儲(chǔ)能裝置，電動(dòng)汽車(chē)接入配電網(wǎng)均需要不同類(lèi)型的電源相互轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有采用一級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也有采用兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)電源之間的轉(zhuǎn)換。由于應(yīng)用場(chǎng)景的不同，又把本質(zhì)相同的電力電子電源轉(zhuǎn)換裝置區(qū)分成光伏逆變器，風(fēng)機(jī)變流器，充電機(jī)，儲(chǔ)能變流器。由于根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，帶來(lái)的問(wèn)題是：1) 交流側(cè)電壓(升壓變壓器一次側(cè))自行定義，無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，例如有290VAC，380VAC等；2) 直流側(cè)電壓，輸入范圍不統(tǒng)一，差異很大。接入配電網(wǎng)后，即使相同功率的電力電子轉(zhuǎn)換裝置，由于輸出電感不同，對(duì)配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓，諧波等電能質(zhì)量影響不一。

圖 1 隨機(jī)性電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 Topology of random power supply

1.2 工程應(yīng)用功率匹配

隨機(jī)性電源除了需要滿足電源轉(zhuǎn)換功能外，還需要功率匹配，實(shí)際工程中電源轉(zhuǎn)換又不可能把所有功率段全覆蓋。工程應(yīng)用中，需要功率匹配時(shí)，選擇接近的較大的功率規(guī)格。如：峰瓦90 kW的光伏最好匹配90 kW的光伏逆變器，由于沒(méi)有90 kW逆變器規(guī)格，工程選型時(shí)按大于并接近90 kW逆變器選擇，實(shí)際選擇100 kW逆變器。這樣的工程選型又會(huì)帶來(lái)逆變器不是最佳的工作狀態(tài)，按NB/T 32004-2013《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》最苛刻的型式試驗(yàn)III級(jí)要求，逆變器在額定功率30%以下時(shí)，諧波和波形畸變不再考核。原因是逆變器在額定功率30%以下時(shí)，諧波和波形畸變?cè)龃?。工程選型的大馬拉小車(chē)功率不匹配現(xiàn)象，會(huì)給配電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來(lái)影響。

1.3 對(duì)外接口端子

隨機(jī)性電源對(duì)外接口分為強(qiáng)電連接的電氣接口，弱電連接的通信接口。由于沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，目前設(shè)備廠家自行定義各自產(chǎn)品接口形式，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，種類(lèi)繁多，工程應(yīng)用復(fù)雜。如圖2是不同應(yīng)用場(chǎng)景隨機(jī)性電源的強(qiáng)電連接的電氣接口端子。接口端子種類(lèi)繁多，造成工程應(yīng)用不得不針對(duì)性地專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，以及后續(xù)的維護(hù)困難。弱電連接的通信接口，物理接口采用以太網(wǎng)/RS485/CAN，通信規(guī)約Modbus/IPModbus/IEC61850/私有規(guī)約，造成系統(tǒng)應(yīng)用需要通信規(guī)約轉(zhuǎn)換接口裝置，解析不同的通信規(guī)約，系統(tǒng)連接可靠性降低。

圖2 隨機(jī)性電源電氣接口端子Fig. 2 Electrical interface terminal of random power supply

1.4 兩電平與三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換采用成熟的兩電平技術(shù)，需要對(duì)輸出進(jìn)行LC濾波設(shè)計(jì)；多電平技術(shù)在超過(guò)10個(gè)電平以后，可以不需要濾波輸出工頻交流。多電平技術(shù)在高壓直流輸電應(yīng)用很成熟，一個(gè)模塊1.6 kV構(gòu)成多電平工頻輸出，不需要專(zhuān)門(mén)濾波設(shè)計(jì)，如：浙江舟山±200 kV五端柔性直流輸電科技示范工程，采用264電平。隨機(jī)性電源由于要考慮成本問(wèn)題，采用超過(guò)三電平以上的多電平技術(shù)沒(méi)有成本優(yōu)勢(shì)。但可以采用最少的多電平技術(shù)——三電平技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是：接近正弦波的輸出，諧波含量小，轉(zhuǎn)換效率高，濾波電感小，對(duì)系統(tǒng)影響小。三電平技術(shù)的濾波電感小，可以降低成本，整機(jī)體積重量較小，功率密度高。針對(duì)三電平光伏逆變器仿真研究表明[10-11]，采用三電平實(shí)現(xiàn)電力電子電源轉(zhuǎn)換可行并且優(yōu)勢(shì)明顯，文獻(xiàn)[12-15]介紹了不同應(yīng)用場(chǎng)景的控制方法及研制出的相應(yīng)裝置。如圖3是兩電平與三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與波形輸出，從圖3(d)中可以看出，三電平輸出接近正弦波，簡(jiǎn)單的濾波可以得到很好的交流輸出。

圖3 兩電平與三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電壓波形Fig. 3 Two-level and three-level topology and voltage waveform

兩電平技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)模組化設(shè)計(jì)，造成電源轉(zhuǎn)換規(guī)格多，種類(lèi)多，功率組合不靈活，擴(kuò)容、運(yùn)輸、維護(hù)升級(jí)均不方便，三電平技術(shù)可實(shí)現(xiàn)功率模塊并聯(lián)，擴(kuò)容方便，產(chǎn)品規(guī)格減少，維護(hù)方便。

1.5 過(guò)電壓異常響應(yīng)

DG接入配電網(wǎng)，注入有功功率會(huì)引起節(jié)點(diǎn)電壓升高，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電壓異常響應(yīng)DG脫網(wǎng)時(shí)間，見(jiàn)表1，為國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)電壓異常響應(yīng)要求。從相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，DG接入配電網(wǎng)，對(duì)電壓異常響應(yīng)要求非?？量?，過(guò)電壓超過(guò)1.1Un，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)要求DG脫網(wǎng)，其中表1中標(biāo)準(zhǔn)[1-2]最嚴(yán)格，1.1Un

表1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)電壓異常響應(yīng)要求Table 1 Over voltage response requirements for related standards

1.6 監(jiān)視、控制、運(yùn)維

隨機(jī)性電源的特點(diǎn)是分散廣、地處偏遠(yuǎn)、運(yùn)行環(huán)境惡劣、設(shè)備可靠性不高、運(yùn)維工作量大。設(shè)備故障無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，影響發(fā)電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)隨機(jī)性電源運(yùn)行效率缺乏分析優(yōu)化，達(dá)不到最優(yōu)化運(yùn)行。目前對(duì)分布式隨機(jī)性電源監(jiān)視、控制、運(yùn)維采用的方案，既有歷史原因繼承下來(lái)的通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)上送的信息，也有通過(guò)專(zhuān)用的并網(wǎng)接口裝置上送的信息。監(jiān)控及其運(yùn)維系統(tǒng)形式多樣，接入系統(tǒng)架構(gòu)不統(tǒng)一，對(duì)運(yùn)維的要求、系統(tǒng)的配置要求都不規(guī)范，帶來(lái)隨機(jī)性電源控制困難，同時(shí)也沒(méi)有更多地考慮控制、運(yùn)行維護(hù)需求。

1.7 并網(wǎng)及孤島防護(hù)

為滿足隨機(jī)性電源安全并網(wǎng)要求，需要隨機(jī)性電源具備主動(dòng)式防孤島保護(hù)，逆變器主動(dòng)式孤島保護(hù)采用功率擾動(dòng)、頻率相位偏移等方法，在多逆變器并聯(lián)，尤其多逆變器功率差異較大時(shí)，其檢測(cè)可靠性降低。為防止逆變器主動(dòng)式孤島保護(hù)失效，在并網(wǎng)點(diǎn)加裝檢修人員手動(dòng)操作的反孤島裝置。同時(shí)在并網(wǎng)點(diǎn)對(duì)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行改造，通常設(shè)置專(zhuān)用并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，要求并網(wǎng)開(kāi)關(guān)具備失壓跳閘及檢有壓合閘功能。加裝并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，還需要上一級(jí)開(kāi)關(guān)，不然手動(dòng)操作分閘時(shí)，有壓合閘會(huì)再次合上，無(wú)法隔離。在有的場(chǎng)合還需要加裝不同功能的保護(hù)控制裝置，如：保護(hù)測(cè)控裝置、并網(wǎng)接口裝置、并離網(wǎng)切換裝置、故障解列裝置等，功能繁雜重復(fù)、維護(hù)不便。這些保護(hù)控制裝置，控制方式不盡相同，難以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)對(duì)多種隨機(jī)性電源的靈活控制和管理。

1.8 滲透率及有效發(fā)電量

目前提出的考核分布式電源接入配電網(wǎng)利用的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)——滲透率：DG接入總?cè)萘颗c系統(tǒng)總負(fù)荷之比，即滲透率(Capacity Penetration, CP)。但是滲透率僅僅是從發(fā)電容量尺度考慮DG的利用，沒(méi)有從可接入運(yùn)行時(shí)間尺度考慮，如果滲透率很高，但有效運(yùn)行時(shí)間很少，也就是說(shuō)發(fā)電量很少，并不能代表新能源的有效利用。采用“發(fā)電量滲透率(Generating Capacity Penetration, GCP)” 更合理，發(fā)電量滲透率為：DG發(fā)電量與總負(fù)荷用電量之比。

采用GCP從容量及時(shí)間兩個(gè)尺度考慮了DG的有效利用。即使目前采用CP考核DG的利用情況，由于配電網(wǎng)架構(gòu)的差異，標(biāo)準(zhǔn)很難提出CP的具體指標(biāo)，可能在有些配電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)CP的100%接入，有些配電網(wǎng)連CP的10%都達(dá)不到。這也是到目前為止，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有對(duì)CP給出具體指標(biāo)的原因，同時(shí)國(guó)際上的標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有給出具體指標(biāo)。如何保證接入配電網(wǎng)更長(zhǎng)的有效運(yùn)行時(shí)間，更多的有效發(fā)電量，是隨機(jī)性電源更應(yīng)該考慮的問(wèn)題。

隨機(jī)性電源存在的應(yīng)用場(chǎng)景不同、功率轉(zhuǎn)換設(shè)備規(guī)格多樣、對(duì)外接口種類(lèi)繁多、主電路拓?fù)洳町悺⒖刂铺匦圆町?、運(yùn)行維護(hù)困難等共性問(wèn)題，造成即插即用的困難。

2 隨機(jī)性電源云—層—端三層體系架構(gòu)

系統(tǒng)考慮隨機(jī)性電源接入配電網(wǎng)，從運(yùn)行維護(hù)的方便性，調(diào)度控制可靠性、接入系統(tǒng)的即插即用角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)功率流及信息流的標(biāo)準(zhǔn)化。采用“金字塔”(Pyramid)型的云—層—端三層體系架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 云—層—端三層體系架構(gòu)Fig. 4 Cloud-layer-terminal three architecture

2.1 云—云運(yùn)維

針對(duì)大量隨機(jī)性電源分散接入配電網(wǎng)帶來(lái)的運(yùn)行、管理、維護(hù)分散等難題，隨機(jī)性電源運(yùn)行維護(hù)采用集中管理的方式，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行維護(hù)即插即用。集中化管理體現(xiàn)在：區(qū)域級(jí)的所有隨機(jī)性電源的電氣設(shè)備運(yùn)行維護(hù)統(tǒng)一規(guī)劃，采用同一個(gè)監(jiān)控平臺(tái)，分散的全景數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入，所有運(yùn)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)視，故障報(bào)警集中式處理。云運(yùn)維架構(gòu)如圖5所示，隨機(jī)性電源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)電力數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)到云運(yùn)維中心，云運(yùn)維中心通過(guò)防火墻接互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)移動(dòng)終端實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程訪問(wèn)區(qū)域級(jí)分散的隨機(jī)性電源運(yùn)行狀況，其主要滿足：1) 隨機(jī)性電源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息的監(jiān)控；2) 大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析；3) 故障預(yù)警及歷史告警查詢(xún)；4) 根據(jù)運(yùn)行維護(hù)流程設(shè)計(jì)運(yùn)行維護(hù)工作任務(wù)和工作票，以統(tǒng)一規(guī)范的方式有序開(kāi)展運(yùn)行維護(hù)工作。

圖5 云運(yùn)維架構(gòu)Fig. 5 Cloud operation and maintenance architecture

2.2 層—層控制

DG接入配電網(wǎng)后，如何實(shí)現(xiàn)既要盡可能多地接納新能源，又要保障配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，這本身就是相互矛盾的問(wèn)題。從配電網(wǎng)角度出發(fā)，如何使隨機(jī)性電源對(duì)配電網(wǎng)影響小，使隨機(jī)性電源從無(wú)序到有序；從DG角度出發(fā)，從限制或固定接入到即插即用接入，使新能源發(fā)電效率最大化。為解決這一矛盾問(wèn)題，設(shè)置一個(gè)控制層，也稱(chēng)“層控制中心”，其功能是實(shí)現(xiàn)有序計(jì)劃發(fā)電控制，有序計(jì)劃優(yōu)化調(diào)度。層控制架構(gòu)類(lèi)似高壓線路保護(hù)裝置，如：高壓線路保護(hù)裝置按功能分為縱聯(lián)、距離、零序、重合閘。層控制思想是按功能插件的形式植入控制層系統(tǒng)，僅僅是按照軟件功能插件，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景需求，植入控制層系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性電源控制的即插即用，如圖6(a)所示。

“層控制中心”可以作為配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，或植入配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，其有序控制按接入不同隨機(jī)性電源類(lèi)型的功能插件植入層控制系統(tǒng)，功能插件包括：光伏發(fā)電控制、風(fēng)力發(fā)電控制、儲(chǔ)能控制、充電機(jī)控制。層控制實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性電源的限制或固定接入到即插即用接入，從無(wú)序到有序控制，如圖6(b)是有序控制框圖。輸入是發(fā)電預(yù)測(cè)及負(fù)荷預(yù)測(cè)，從配電網(wǎng)角度考慮配電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，從DG接入角度考慮發(fā)電效率最大化，輸出是有序控制結(jié)果。通過(guò)調(diào)節(jié)DG出力及可控負(fù)荷(充電機(jī))保證配電網(wǎng)安全；通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能及可控負(fù)荷(充電機(jī))提高DG接納能力；通過(guò)調(diào)節(jié)DG及儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖6 層控制架構(gòu)及有序控制Fig. 6 Layer control architecture and control in order

云—層—端三層體系架構(gòu)中，隨機(jī)性電源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)既匯總到云運(yùn)維中心，又匯總到層控制中心，把云運(yùn)維中心與層控制中心分別設(shè)置，主要根據(jù)功能定位不同。層控制中心是考慮一個(gè)配電網(wǎng)區(qū)域分布式發(fā)電控制，作為配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，云運(yùn)維中心是考慮多個(gè)配電網(wǎng)區(qū)域分布式發(fā)電運(yùn)行維護(hù)。

云運(yùn)維中心與層控制中心是兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，它們之間信息不進(jìn)行交互，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以采用云—端、層—端兩層體系架構(gòu)、云—層—端三層體系架構(gòu)。采用云—端體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性電源運(yùn)維即插即用，采用層—端體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性電源控制即插即用，采用云—層—端體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性電源運(yùn)維、控制即插即用。

2.3 端—端互聯(lián)

隨機(jī)性電源接入配電網(wǎng)，電力電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換，把所有的接入電氣設(shè)備統(tǒng)稱(chēng)為電氣設(shè)備端 ，如圖7。這些端設(shè)備包括：1) 功率轉(zhuǎn)換設(shè)備：實(shí)現(xiàn)電源之間轉(zhuǎn)換，包括逆變器、變流器、充電機(jī)等。功率轉(zhuǎn)換設(shè)備采用可并聯(lián)的功率模塊，方便組成不同容量隨機(jī)性電源，做到功率匹配即插即用。2) 安全并網(wǎng)裝置：實(shí)現(xiàn)保護(hù)及安全隔離。滿足電氣互聯(lián)，方便接入配電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)接入配電網(wǎng)即插即用。3)信息互聯(lián)裝置：滿足實(shí)時(shí)運(yùn)行設(shè)備信息上送，實(shí)現(xiàn)控制及運(yùn)維即插即用。

2.3.1 功率模塊單元

a) 標(biāo)準(zhǔn)功率模塊

包含光伏逆變、風(fēng)機(jī)變流、儲(chǔ)能變流、電動(dòng)車(chē)充電機(jī)等設(shè)備，這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)DC/DC或DC/AC轉(zhuǎn)換。DC/AC功率模塊采用三電平技術(shù)，采用強(qiáng)弱電一體可插拔端子，如圖8，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景即插即用。

功率模塊規(guī)格采用10 kW，20 kW，50 kW三種不同容量的功率模塊，10 kW高度2U，20 kW高度4U，50 kW高度6U標(biāo)準(zhǔn)尺寸機(jī)箱，如圖9所示，其規(guī)格如同我們?nèi)粘Ｊ褂玫腻X(qián)幣組合，是用最少的組合，組成不同容量的逆變或變流設(shè)備，實(shí)現(xiàn)功率匹配即插即用。

圖7 端互聯(lián)架構(gòu)Fig. 7 Terminal interconnection architecture

圖8 強(qiáng)弱電一體可插拔端子Fig. 8 HV/LV integrated plug terminal

圖9 10 kW、20 kW和50 kW功率模塊Fig. 9 Power module of 10 kW、20 kW and 50 kW

b) 功率模塊并聯(lián)

功率模塊并聯(lián)是實(shí)現(xiàn)DC/DC并聯(lián)及DC/AC并聯(lián)。功率模塊并聯(lián)可根據(jù)功率需要，任意增減不同功率模塊，組成不同容量的DG，使DG標(biāo)準(zhǔn)化，運(yùn)行維護(hù)方便，同時(shí)模塊并聯(lián)實(shí)現(xiàn)源荷功率均分，降低模塊內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力，提高DG使用壽命。

c) 高效率三電平

前面介紹了傳統(tǒng)的兩電平及發(fā)展方向的三電平，采用直流電壓利用率高，開(kāi)關(guān)損耗小，整機(jī)效率高的三電平技術(shù)?！叭娖健奔夹g(shù)所需的開(kāi)關(guān)頻率較兩電平更低，輸出接近正弦波，所需的電抗器體積小，易于模組化，設(shè)備的重量體積都更小，便于運(yùn)輸維護(hù)。

2.3.2 安全并網(wǎng)裝置

分布式電源接入配電網(wǎng)的互聯(lián)，包括互聯(lián)設(shè)備及互聯(lián)系統(tǒng)，也稱(chēng)為并網(wǎng)?；ヂ?lián)設(shè)備是接入的單個(gè)或多個(gè)逆變器互聯(lián)部分；互聯(lián)系統(tǒng)是完成互聯(lián)功能的控制系統(tǒng)，包括：系統(tǒng)控制、系統(tǒng)保護(hù)、自動(dòng)化通信、同期計(jì)量等裝置。設(shè)置安全并網(wǎng)裝置，集成開(kāi)關(guān)、保護(hù)、測(cè)控、通信等功能。實(shí)現(xiàn)分布式電源接入的主動(dòng)式孤島、自動(dòng)安全并網(wǎng)。

a) 主動(dòng)式孤島

采用不依賴(lài)于DG的孤島主動(dòng)式檢測(cè)，其方法是采用50 W小功率模塊，20 Hz電源注入方式，實(shí)現(xiàn)100%主動(dòng)式孤島保護(hù)，該方法是借鑒發(fā)電機(jī)保護(hù)的外加20 Hz電源實(shí)現(xiàn)定子接地保護(hù)檢測(cè)，不依賴(lài)DG，不依賴(lài)通信，在并網(wǎng)點(diǎn)獨(dú)立實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式孤島檢測(cè)，確保DG接入安全性。

b) 自動(dòng)安全并網(wǎng)

安全并網(wǎng)裝置為保證安全，在電網(wǎng)側(cè)有壓，內(nèi)部開(kāi)關(guān)根據(jù)具體情況決定是否合閘，主要是區(qū)分手動(dòng)分閘及故障自動(dòng)分閘情況。手動(dòng)分閘，閉鎖合閘，DG不能并網(wǎng)發(fā)電，確保手動(dòng)分閘成功；故障時(shí)失壓，自動(dòng)分閘，故障清除后，網(wǎng)側(cè)有壓，自動(dòng)合閘，確保DG并網(wǎng)發(fā)電。

2.3.3 信息互聯(lián)裝置

分布式電源接入配電網(wǎng)需要相應(yīng)的互聯(lián)設(shè)備，互聯(lián)設(shè)備信息眾多，規(guī)約類(lèi)型多樣。信息互聯(lián)裝置不僅實(shí)現(xiàn)DG的通信匯集，其信息接口還實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)(BMS)等外部智能設(shè)備的接入與信息轉(zhuǎn)發(fā)，支持IEC104、IEC61850、Modbus規(guī)約，支持串口、以太網(wǎng)通信方式采集數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)口上送至層控制中心及云運(yùn)維控制中心，實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)即插即用。

信息互聯(lián)技術(shù)特征是“隨機(jī)性電源+互聯(lián)網(wǎng)”，信息互聯(lián)裝置的另一功能是Wi-Fi及二維碼識(shí)別。通過(guò)移動(dòng)終端掃描電氣接入設(shè)備二維碼，實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)試整定，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視。采用移動(dòng)終端對(duì)電氣設(shè)備調(diào)試整定，實(shí)現(xiàn)了非接觸式的安裝、調(diào)試、運(yùn)維檢查、診斷，更能保證人身設(shè)備的安全，對(duì)安裝在高處的電氣設(shè)備，如柱上測(cè)控終端設(shè)備，免除了爬高、接觸強(qiáng)電風(fēng)險(xiǎn)，更安全，更有優(yōu)勢(shì)。

3 最大發(fā)電量滲透率控制特性

DG接入配電網(wǎng)因過(guò)電壓而導(dǎo)致滲透率低，采用發(fā)電量滲透率能更好體現(xiàn)DG有效利用水平，DG工作在P/Q模式時(shí)，采用P/U下垂調(diào)節(jié)方法[16]；解決由于DG發(fā)出有功過(guò)多引起電壓升高，使DG退出運(yùn)行，不能有效發(fā)電問(wèn)題，避免DG因過(guò)電壓而退出運(yùn)行，電壓恢復(fù)正常后，自動(dòng)恢復(fù)DG正常運(yùn)行特性，保證DG更多時(shí)間接入，發(fā)電量最大，發(fā)電量滲透率最大，實(shí)現(xiàn)按最大發(fā)電量滲透率即插即用。

P/U下垂調(diào)節(jié)按照如下公式進(jìn)行調(diào)節(jié)。

式中：Plimit為調(diào)節(jié)后功率限值；Pref為當(dāng)前功率輸出；Upcc為DG接入點(diǎn)電壓；ku為下垂調(diào)節(jié)系數(shù)。

對(duì)于ku值選取，根據(jù)式(2)中的值，采用多段折線，ku取值越大，保證DG在表1的電壓異常響應(yīng)在要求時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)到電壓正常范圍，不讓DG因電壓異常脫網(wǎng)停機(jī)。

4 小結(jié)

(1) 分析了分布式發(fā)電到分布式電源及微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)共性問(wèn)題，把光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車(chē)統(tǒng)一按“隨機(jī)性電源”考慮。

(2) 從應(yīng)用場(chǎng)景專(zhuān)用設(shè)計(jì)，工程應(yīng)用功率匹配，對(duì)外接口端子，兩電平與三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，過(guò)電壓異常響應(yīng)，監(jiān)視、控制、運(yùn)維，并網(wǎng)及孤島防護(hù)，滲透率及有效發(fā)電量滲透率等方面，分析隨機(jī)性電源接入配電網(wǎng)存在的問(wèn)題。

(3) 從實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性電源即插即用出發(fā)，介紹了隨機(jī)性電源的云—層—端三層體系架構(gòu)：云運(yùn)維實(shí)現(xiàn)運(yùn)行維護(hù)即插即用，層控制實(shí)現(xiàn)有序控制即插即用，端互聯(lián)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景、工程應(yīng)用功率匹配、安全并網(wǎng)、信息互聯(lián)、最大發(fā)電量滲透率接入配電網(wǎng)的即插即用。

(4) 層控制借用繼電保護(hù)裝置思路，按功能插件的形式，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景需求，植入控制層系統(tǒng)的層控制架構(gòu)。

(5) 端互聯(lián)設(shè)置功率模塊單元、安全并網(wǎng)裝置、信息互聯(lián)裝置，實(shí)現(xiàn)功率模塊并聯(lián)、20 Hz電源注入式主動(dòng)式孤島保護(hù)、隨機(jī)性電源+互聯(lián)網(wǎng)、最大發(fā)電量滲透率控制。

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Idea of random power supply plug and play based on cloud-layer-terminal three layer architecture

LI Ruisheng
(XJ Group Research and Development Center, Xuchang 461000, China)

The common problem of distributed generation and microgrid accessing to distribution network is analyzed. Photovoltaic generation, wind generation, energy storage devices and electric cars are considered as random power supply. From special design for application scene, power matching for engineering application, external interface terminal, two-level and three-level topology, abnormal over voltage response, monitoring control and operation and maintenance, grid-connected and island protection, capacity penetration and generating capacity penetration and so on, the problem of random power supply accessing to distribution network is analyzed, cloud-layer-terminal three-layer architecture of plug and play random power supply is put forward. It achieves the goals of cloud-operation and maintenance plug and play, layer-orderly control plug and play, terminal-application scene, power matching for engineering application, grid security, information interconnection and maximum generating capacity penetration plug and play.

random power supply; plug and play; cloud operation and maintenance; layer control; terminal interconnection

10.7667/PSPC151029

2015-06-19；

2015-10-26

李瑞生(1966-)，男，碩士，教授級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)、分布式發(fā)電接入及微電網(wǎng)穩(wěn)定控制運(yùn)行等。E-mail: ruishengl@139.com

(編輯 葛艷娜)

國(guó)家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范(NY20150302)