李耐心,王建偉,李振成,王高海,張智焜,崔 磊

(1.國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司,河北 唐山063000;2.東方電子股份有限公司,山東 煙臺264011)

0 引言

光伏發(fā)電系統(tǒng)在日常運(yùn)行中,受外界因素影響較為嚴(yán)重,在陰雨天氣尤為明顯,云層遮擋減少了光伏太陽能電池板獲得光照的輻射強(qiáng)度和時間長度,對光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓以及輸出功率造成較大波動[1]。另外,在光照輻射強(qiáng)度較為強(qiáng)烈時,輸出功率的增大會加大短路電流,對光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)保護(hù)控制有較大影響。因此,需要利用儲能技術(shù)對波動性的光伏發(fā)電進(jìn)行相應(yīng)控制,根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀況,對功率進(jìn)行釋放和儲存,確保光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的可靠性。

目前,針對光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量管控,文獻(xiàn)[2]分析了新能源并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響;文獻(xiàn)[3]提出了分布式光伏電能質(zhì)量問題的影響及治理方法;文獻(xiàn)[4]分析了分布式光伏接入對系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響;文獻(xiàn)[5]提出了基于太陽能發(fā)電的微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制策略;文獻(xiàn)[6]研究了基于深度學(xué)習(xí)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)諧波預(yù)測;文獻(xiàn)[7]分析了風(fēng)光儲微電網(wǎng)并網(wǎng)對系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響。

由此可見,目前針對光伏并網(wǎng)的模型分析較多,但針對儲能型光伏對電能質(zhì)量的控制方案研究仍存在不足。

為解決上述問題,本文建立了分布式儲能光伏并網(wǎng)的電壓質(zhì)量管理模型和架構(gòu),針對相應(yīng)的系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計,提升光伏并網(wǎng)過程中各項(xiàng)參數(shù)的在線監(jiān)測和實(shí)時管控。

1 分布式儲能型光伏并網(wǎng)研究

1.1 新能源調(diào)度特征

光伏電池的輸出特性與光照輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度有關(guān)[8],在正常環(huán)境中,光伏陣列周圍樹木或建筑物會影響光伏輸出功率,同時,考慮到日照輻射強(qiáng)度的波動性,利用儲能系統(tǒng)穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓,能夠平抑新能源發(fā)電的波動。一般利用蓄電池作為儲能裝置,通過雙向DC/DC變換器,確定儲能蓄電池的充放電策略。光伏儲能并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 并網(wǎng)構(gòu)架

從圖1中可以看出,通過光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,并根據(jù)功率跟蹤裝置確定輸出功率的數(shù)值大小,通過儲能裝置對光伏系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,在光照充足時進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娔艽鎯?通過蓄電池的放電對電能進(jìn)行實(shí)時平衡。

其中,逆變器主要針對光伏發(fā)電系統(tǒng)以及電網(wǎng)系統(tǒng)之間的有效連接,直流電需要通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電,與電網(wǎng)同壓同頻、同相才能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要部分,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制參數(shù)和控制策略直接影響并網(wǎng)后的電能質(zhì)量結(jié)果[9]。

1.2 光伏發(fā)電電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

如圖2所示,光伏太陽能發(fā)電電能質(zhì)量的監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)獲取部分、數(shù)據(jù)分析平臺以及顯示屏等。根據(jù)光照輻射強(qiáng)度以及環(huán)境溫度等參數(shù)形成的傳感器數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)獲取過程,除傳感器以外的數(shù)據(jù)還包括測量表計的讀數(shù),由直流部分和交流部分共同組成。獲取的數(shù)據(jù)以電壓、電流、光照輻射強(qiáng)度和溫度的形式發(fā)送至分析平臺,將有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、諧波含有量和頻率等結(jié)果以表格或圖形的方式呈現(xiàn)。

圖2 光伏發(fā)電電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

2 臺區(qū)融合終端電能治理方案

2.1 融合終端配合儲能系統(tǒng)電能質(zhì)量治理架構(gòu)

融合終端配合儲能系統(tǒng)進(jìn)行臺區(qū)電能質(zhì)量治理應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成及組網(wǎng)如圖3所示。

圖3 融合終端配合儲能系統(tǒng)構(gòu)成及組網(wǎng)

在該系統(tǒng)中,融合終端采集臺區(qū)內(nèi)各點(diǎn)電壓,綜合研判臺區(qū)電壓超限范圍和電池荷電狀態(tài)值,實(shí)時動態(tài)調(diào)整儲能變流器 (power conversion system,PCS)輸出或吸收無功功率和有功功率,實(shí)現(xiàn)臺區(qū)高電壓治理。

2.2 融合終端配合儲能PCS電能質(zhì)量治理架構(gòu)

融合終端配合儲能PCS進(jìn)行臺區(qū)電能質(zhì)量治理應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成及組網(wǎng)如圖4所示。

圖4 融合終端配合儲能PCS電能質(zhì)量治理架構(gòu)

在圖4所示系統(tǒng)中,通過融合終端采集臺區(qū)內(nèi)各點(diǎn)電壓,綜合研判臺區(qū)電壓超限范圍,實(shí)時動態(tài)調(diào)整PCS輸出或吸收無功功率,實(shí)現(xiàn)臺區(qū)高電壓治理。

2.3 融合終端配合智能光伏隔離開關(guān)電能質(zhì)量治理

使用融合終端通過智能光伏隔離開關(guān)調(diào)節(jié)光伏逆變器進(jìn)行臺區(qū)電能質(zhì)量治理應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成及組網(wǎng)如圖5所示。

圖5 融合終端配合智能光伏隔離開關(guān)電能質(zhì)量

在該系統(tǒng)中,融合終端采集臺區(qū)內(nèi)各點(diǎn)電壓,綜合研判臺區(qū)電壓超限范圍,經(jīng)過智能光伏隔離開關(guān)向逆變器下達(dá)無功或有功調(diào)節(jié)指令,實(shí)現(xiàn)臺區(qū)高電壓治理。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 電池儲能PCS系統(tǒng)

儲能PCS系統(tǒng)主要由儲能PCS機(jī)柜和儲能PCS功率模塊組成,其在儲能系統(tǒng)中的位置及組成如圖6所示。

圖6 電池儲能PCS系統(tǒng)

PCS功率模塊主要完成PCS的功率控制功能,具備豐富的通信接口(RS485、CAN、RS232),具備脫離PCS機(jī)柜獨(dú)立與EMS、中央控制器、BMS通信運(yùn)行的能力。也支持熱插拔裝入PCS機(jī)柜內(nèi)并機(jī)運(yùn)行的能力,此時PCS系統(tǒng)與EMS、中央控制器、BMS通信由PCS機(jī)柜內(nèi)的HMI實(shí)現(xiàn),PCS功率模塊與HMI板通過CAN總線通信,實(shí)現(xiàn)控制指令的下發(fā)。

儲能PCS機(jī)柜主要由直流EMI濾波器、直流繼電器、交流斷路器以及HMI板組成,主要實(shí)現(xiàn)PCS功率模塊的并機(jī)功能。機(jī)柜結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電池儲能PCS機(jī)柜結(jié)構(gòu)

3.2 智能光伏隔離開關(guān)技術(shù)方案

智能光伏隔離開關(guān)系統(tǒng)主要由開關(guān)本體、殼體、一次互感器、電源板、LCD板、北斗板和控制板構(gòu)成。其電氣原理如圖8所示。

圖8 智能光伏隔離開關(guān)原理

其中控制板的主要功能和特點(diǎn)如下:

a.主控板以ARM作為主控芯片,通過SPI掛接Flash和FRAM以提供大容量、快速數(shù)據(jù)存儲支持。

b.ARM通過UART分別連接藍(lán)牙、2路隔離485和載波通信模塊,實(shí)現(xiàn)各種通信需求。

c.采用計量芯片,集成7路二階 sigma-delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路,能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量及無功能量,同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角和頻率等參數(shù),充分滿足三相復(fù)費(fèi)率多功能電能表的需求。 ARM通過SPI接口訪問計量芯片,可進(jìn)行校表參數(shù)設(shè)定、計量數(shù)據(jù)和電流電壓采樣值讀取。

d.新增單獨(dú)的北斗板,內(nèi)置北斗定位對時模塊,采用串口方式與MCU通信,采集位置信息和時間信息。

3.3 融合終端APP設(shè)計

終端微應(yīng)用總體架構(gòu)如圖9所示。主要包括如下部分:

圖9 終端微應(yīng)用總體架構(gòu)

a.基礎(chǔ)平臺部分,包含操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境。

b.資源虛擬化部分,由容器和硬件抽象層組成。

c.微應(yīng)用部分,具備完成具體業(yè)務(wù)的功能,包括基礎(chǔ)微應(yīng)用與業(yè)務(wù)微應(yīng)用。

d.數(shù)據(jù)交互總線部分,基于容器間IP化技術(shù)與MQTT協(xié)議,實(shí)現(xiàn)跨容器的信息交互。

e.信息安全部分,包含數(shù)據(jù)采集安全、數(shù)據(jù)存儲安全、數(shù)據(jù)訪問安全及數(shù)據(jù)上行通信安全。

4 應(yīng)用分析

4.1 測試系統(tǒng)說明

選擇某地區(qū)電網(wǎng)為對象進(jìn)行分析,臺區(qū)總?cè)萘繛?00 kV·A,光伏裝機(jī)總?cè)萘繛?96 kV·A,居民光伏數(shù)量為49戶,全部為單相光伏,逆變器型號為錦浪GCI-1P6K-4G,每5戶1組匯聚到桿下電表箱,通過用戶光伏電表和三相斷路器連接到380 V線路上。系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 試點(diǎn)臺區(qū)系統(tǒng)

根據(jù)臺區(qū)總?cè)萘?考慮系統(tǒng)造價及研究效果,選擇儲能PCS容量為200 kV·A,儲能電池組為34 kW·h。

在臺區(qū)變壓器附近安裝有融合終端,并將新安裝儲能系統(tǒng)(包括PCS和電池組),在光伏并網(wǎng)點(diǎn)安裝智能光伏隔離開關(guān),在用戶光伏表前端安裝智能微斷,以實(shí)現(xiàn)臺區(qū)過電壓治理、光伏保護(hù)及運(yùn)維安全,并能夠?qū)嵤┍O(jiān)測每個光伏用戶的發(fā)電情況,實(shí)現(xiàn)智能臺區(qū)和數(shù)字透明化臺區(qū)建設(shè)。

4.2 測試系統(tǒng)配置

儲能系統(tǒng)通過臺區(qū)JP柜內(nèi)的斷路器接入臺區(qū)380 V電網(wǎng),具體如圖11所示。

圖11 智能終端配置

智能光伏隔離開關(guān)通過RS485與所屬智能微斷通信,采集每個光伏用戶的發(fā)電電量信息(電壓、功率、功率因數(shù)和發(fā)電量等)數(shù)據(jù),融合終端通過高速電力線載波(high power line communication,HPLC)與光伏并網(wǎng)點(diǎn)的智能光伏隔離開關(guān)通信,采集光伏隔離開關(guān)的并網(wǎng)點(diǎn)電量信息(電壓、功率、功率因數(shù)、總發(fā)電量和保護(hù)狀態(tài)等)和各光伏用戶電量信息,并在需要的時候?qū)χ悄芄夥綦x開關(guān)和智能微斷進(jìn)行遙控操作。

融合終端通過RS485與本地的儲能系統(tǒng)PCS控制器通信,采集PCS和電池信息,并根據(jù)需要對PCS進(jìn)行運(yùn)行控制設(shè)置。光伏并網(wǎng)箱安裝如圖12所示。

圖12 光伏并網(wǎng)箱

4.3 測試結(jié)果分析

得到本文系統(tǒng)應(yīng)用后電壓合格率的變化如表1和表2所示。

表1 節(jié)點(diǎn)電壓合格率 %

表2 電壓總諧波畸變率 %

可以看出,本文提出的融合終端配置能夠有效改善光伏并網(wǎng)點(diǎn)的電壓合格率、總諧波畸變率,分別平均改善6%和38%。說明了本文系統(tǒng)相比治理前的有效性。

另外,在功率輸出方面,應(yīng)用前后的最大功率輸出結(jié)果如表3所示。

表3 最大功率輸出 kW

治理后的光伏最大功率輸出有較大改善,能夠在滿足出力要求的條件下實(shí)現(xiàn)可靠并網(wǎng)。

5 結(jié)束語

本文建立了基于臺區(qū)融合終端的分布式儲能光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量分析模型。設(shè)計了相應(yīng)的系統(tǒng)硬件,給出了3種臺區(qū)融合終端電能治理方案。通過實(shí)際應(yīng)用,說明本文系統(tǒng)通過智能終端的配置和光伏并網(wǎng)箱的配置,能夠提升臺區(qū)并網(wǎng)電能質(zhì)量水平,解決電壓監(jiān)測、功率監(jiān)測的問題。