分布式電源即插即用接入裝置的研究及應(yīng)用

王春梅，于建成，楊宇全

（1．北京國電通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京　100070；2.國網(wǎng)天津市電力公司，天津　300010）

分布式電源即插即用接入裝置的研究及應(yīng)用

王春梅1，于建成2，楊宇全2

（1．北京國電通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京100070；2.國網(wǎng)天津市電力公司，天津300010）

研制光伏發(fā)電即插即用一體化裝置，該裝置安裝于分布式光伏發(fā)電與電網(wǎng)公共連接點接口處，集逆變裝置、計量裝置、保護(hù)裝置、濾波裝置、通信模塊于一體，采用載波、WIFI等通信方式，實現(xiàn)與智慧家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，實現(xiàn)發(fā)電電量信息、身份認(rèn)證、電量計費等信息的傳輸。裝置基于非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測與分解技術(shù)，在非侵入狀態(tài)下可以分析得到負(fù)荷集群中分布式電源出力的運行情況等信息。

分布式電源；即插即用；信息集成；非侵入式

1　分布式光伏發(fā)電的現(xiàn)狀

1.1現(xiàn)狀分析

隨著新能源在國內(nèi)市場的大規(guī)模開發(fā)和利用，光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)逐步趨于成熟和完善。分布式光伏發(fā)電對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動節(jié)能減排、實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近年來，分布式光伏發(fā)電憑借其容量小、電壓等級低、接近負(fù)荷、對電網(wǎng)影響小、環(huán)保效益突出等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房、公共建筑以及居民屋頂［1-2］。

1.2問題分析

分布式光伏發(fā)電能夠充分利用太陽能廣泛存在的特點，避免集中建設(shè)的場地限制因素，但分布式電源無序的分散式接入對電網(wǎng)運行管理、補(bǔ)貼發(fā)放、線路運維檢修、電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測帶來嚴(yán)重的管理問題。在電網(wǎng)側(cè)由于有大量分布式電源接入，電網(wǎng)實現(xiàn)精細(xì)化管理缺乏數(shù)據(jù)支撐，電網(wǎng)對新能源的接入只能被動接納，無法實現(xiàn)積極的有效利用，同時新能源接入電網(wǎng)系統(tǒng)后可能會出現(xiàn)諸如光伏騙補(bǔ)等管理盲區(qū)；在用戶側(cè)由于分布式電源接入標(biāo)準(zhǔn)缺乏對應(yīng)裝置配套，現(xiàn)階段使用多設(shè)備配合實現(xiàn)，不利管理，同時分布式電源接入的配套裝置間存在功能重疊，浪費現(xiàn)象嚴(yán)重［3-4］。

為了解決以上問題，本文研制了分布式電源即插即用裝置，利用公共連接點接口處加裝即插即用設(shè)備，該設(shè)備基于穩(wěn)態(tài)電流分解，可以分析得到負(fù)荷集群中分布式電源出力的運行情況［5］。傳統(tǒng)分布式電源監(jiān)測主要利用每個分布式電源矩陣增加監(jiān)測硬件裝置，并通過各自信息傳輸鏈路進(jìn)行信息上傳，在安裝、運行方面需要花費大量的時間和費用，分布式電源即插即用裝置友好地解決了分散、單點問題，通過變壓器下端總電源出口進(jìn)行監(jiān)測，有效解決了整條線路分布式電源處理及檢測情況。另一方面，目前常規(guī)低壓線路尚不存在分布式電源接入占比預(yù)警及新能源啟停監(jiān)測功能，線路電源出口增加即插即用裝置將有效解決上述問題［6］。

2　裝置功能及設(shè)計原理

分布式電源即插即用裝置功能包括假出力檢測、能源ID唯一性、自適應(yīng)孤島檢測、自適應(yīng)電能質(zhì)量、檢同期、、逆功率、功率因數(shù)門限報警、保護(hù)功能等，運用非侵入式技術(shù)，精確分析光伏特性，提高能效管理。

分布式電源即插即用接入裝置集逆變裝置、計量裝置、保護(hù)裝置、濾波裝置、通信模塊于一體，裝置主要組成包括輔助電源、逆變器、EMI濾波器、DSP控制器、MPPT控制器等，如圖1所示。

圖1　分布式電源即插即用設(shè)備原理圖Fig.1　Schematic diagram of a PNP DG device

3　研究方法

3.1非侵入式負(fù)荷分解方法

目前，對于非侵入式負(fù)載檢測方法主要依據(jù)負(fù)載啟動時，不同負(fù)載具有其不同特點（有功、無功及諧波），導(dǎo)致整個電力負(fù)載波形發(fā)生變化，利用功率變化信息特點，實現(xiàn)負(fù)載的識別，監(jiān)測系統(tǒng)利用單個負(fù)載投入、切除時對電力供給入口處系統(tǒng)產(chǎn)生的信號變化進(jìn)行負(fù)載判斷。此方法具有識別速度快、單個小系統(tǒng)內(nèi)識別準(zhǔn)確的特點，但對大系統(tǒng)內(nèi)單一設(shè)備識別不夠精確。分布式電源監(jiān)測裝置利用非侵入式特點結(jié)合FFT算法實現(xiàn)檢測，分布式電源即插即用監(jiān)測裝置安裝在用戶側(cè)變壓器受總柜下端，通過CT電流互感器進(jìn)行用戶側(cè)電流檢測，通過對分布式穩(wěn)態(tài)電流（基波和諧波）分解，結(jié)合光伏發(fā)電量的中長期、短期以及實時的出力評估，建立分布式光伏出力的多時間尺度計算模型，通過分布式光伏發(fā)電對穩(wěn)態(tài)電流的沖擊影響，利用時域轉(zhuǎn)換成頻域分析方法，對分布式光伏出力進(jìn)行計算［7-8］。

基礎(chǔ)傅里葉級數(shù)分析（FFT），根據(jù)采集到變壓器下口電流值進(jìn)行采樣計算，利用快速傅里葉變換最終得到所需的諧波。利用傅里葉級數(shù)對非正弦連續(xù)時間周期函數(shù)進(jìn)行分析時，把連續(xù)時間信號的一個周期T等分成N個點，在等分點進(jìn)行采樣得到一系列離散時間信號，然后采用FFT進(jìn)行諧波分析，最終得出所需要的各次諧波電流的幅值、頻率和相位。測量時間是信號周期的整數(shù)倍或采樣頻率大于最低允許的抽樣率（是帶限信號頻率寬度的2倍）頻率時，頻率圖像更為清晰。

得到

式中：Iak為工作電流中第k次諧波分量的幅值；kw為工作電流中第k次諧波分量的角頻率。

在分布式電源模型搭建方面，進(jìn)行分布式光伏輸出電流進(jìn)行仿真，首先得到各類分布式光伏發(fā)電的典型電流波形，利用電流采樣裝置按照一定的采樣頻率（如每周波采樣256個點）對某個分布式光伏正常工作及各類天氣情況下的運行情況的電流（包含諧波）進(jìn)行大量采樣，然后對這些電流樣本進(jìn)行統(tǒng)計篩選，得到能夠反映分布式光伏系統(tǒng)設(shè)備正常工作時狀態(tài)下的電流（包含諧波）信息，最終利用規(guī)律性分布式光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)沖擊的諧波電流進(jìn)行高次比對，通過諧波電量算法進(jìn)行分布式光伏啟停監(jiān)測及功率發(fā)電計算功能［9-10］。

3.2光伏組件狀態(tài)分析方法

光伏組件的運行狀態(tài)分為5種，即正常狀態(tài)、輕微短路狀態(tài)、輕微老化狀態(tài)、嚴(yán)重短路狀態(tài)和嚴(yán)重老化狀態(tài)，主要是通過光伏發(fā)電組件優(yōu)化裝置采集的電池板信息，引入故障因子比較判據(jù)和填充因子的比較判據(jù)的設(shè)備狀態(tài)診斷方法，量化得到當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)。

3.2.1短路故障診斷策略

通過光伏組件特性分析可知，當(dāng)組件處于短路和異常老化狀態(tài)時，發(fā)生變化的3個輸出參數(shù)分別是Uoc、Um和Im。本文中引入故障類型因子K判斷光伏組件短路故障，K值定義如下：

式中：K值實際上就是組件最大功率點到開路電壓點連線斜率的絕對值。

當(dāng)光伏組件存在異常老化時，Um和Im值會隨老化程度的增加而非線性減小，Uoc保持不變，K值在組件老化時會相應(yīng)減小。由此，通過故障類型因子K值的大小即可判斷故障類型：當(dāng)K值大于正常值時，組件處于短路故障；當(dāng)K值小于正常值時，組件處于異常老化故障。

I-U曲線從右到左分別為組件在STC條件下處于正常、3塊電池短路、異常老化（1 Ω等效電阻）時的曲線。K1、K2、K3為故障類型因子。從圖2中可以看到：|K2|＞|K1|，|K3|＜|K1|，符合理論分析。

圖2　同故障類型下的K值Fig.2　K value under different fault circumstances

識別光伏組件運行狀態(tài)，首先需要判斷組件短路與否，之后再判斷組件中電池短路的塊數(shù)。本文利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法將2個步驟進(jìn)行合并，比較實際得到的電壓值和由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的電壓值即可判斷電池短路的塊數(shù)，從而獲得短路故障程度信息，當(dāng)判斷得到電池短路塊數(shù)為0，說明組件處于正常狀態(tài)。

由前面分析可知，組件發(fā)生短路故障時，其Uoc和Um值隨電池短路塊數(shù)的增加而減少，其Im和Isc值基本不變，因此可得到下式為：

式中：Um和Isc為組件短路時的最大功率點電壓值和開路電壓值；Im和Isc為組件短路時的最大功率點電流和短路電流值；Uoc和Um為組件正常工作時的開路電壓和最大功率點電壓。

由于短路時，Uoc和Um值隨短路數(shù)量變化呈現(xiàn)的規(guī)律相同，所以有：

式中：U′m、U′oc分別為光伏組件短路后的最大電壓和開路電壓值。

3.2.2異常老化故障診斷策略

組件存在異常老化情況時，可分2種情況進(jìn)行考慮：老化程度較大，即串聯(lián)電阻阻值較大的情況；老化程度較小，即串聯(lián)電阻阻值較小的情況。

在理想情況下，組件老化只影響最大功率點電壓和電流。但在實際情況下，還會影響短路電流當(dāng)模擬老化的串聯(lián)阻值增加時，短路電流會相應(yīng)的減小。當(dāng)串聯(lián)阻值增加到一定程度時會影響計算得到的光照強(qiáng)度值的準(zhǔn)確性，需要其他方法來判斷組件老化程度較高的情況。

本文利用組件的填充因子σFF來表示組件的老化程度，計算公式為：

組件的填充因子表示為Im和Um的乘積與Uoc和Isc的乘積之比，而組件老化主要影響的輸出參數(shù)是Im和Um，所以可以利用σFF來判斷組件老化程度。

分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，組件在老化程度較嚴(yán)重時，若串聯(lián)4 Ω電阻，其Im/Isc值小于0.7；串聯(lián)3 Ω時，其Im/ Isc值大多數(shù)也小于0.7，在光照強(qiáng)度較高的情況下，尤其如此。在組件正常工作時，其Im/Isc值基本大于0.7。由于組件短路時不影響其輸出電流，所以可以利用填充因子值判斷組件是否處于嚴(yán)重老化故障。

3.2.3引入故障因子和填充因子的微網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)診斷方法

引入故障因子和填充因子的設(shè)備狀態(tài)診斷方法分別對短路故障現(xiàn)象和設(shè)備老化現(xiàn)象進(jìn)行診斷，得到光伏組件的運行狀態(tài)，圖4為引入故障因子和填充因子的設(shè)備狀態(tài)診斷流程。

引入故障因子和填充因子的狀態(tài)診斷方法可總結(jié)為：1）如果σFF小于0.7，則判定組件處于嚴(yán)重的老化狀態(tài)；2）將K值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，小于標(biāo)準(zhǔn)值下限為輕微老化故障，大于標(biāo)準(zhǔn)值上限為嚴(yán)重短路故障，在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)時，組件可能處于2種狀態(tài)：正常和輕微短路故障。

圖3　不同光照強(qiáng)度和溫度時的填充因子變化Fig.3　FF value changes under different illumination intensities and temperatures

圖4　引入故障因子和填充因子的設(shè)備狀態(tài)診斷流程Fig.4　Device status diagnosis procedure considering failure and fill factors

4　裝置信息集成

分布式電源加插即用接入裝置與智慧家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，實現(xiàn)發(fā)電電量信息、身份認(rèn)證、電量計費等信息的傳輸，實現(xiàn)與家庭服務(wù)平臺實時通信，實時傳送發(fā)電設(shè)備接入時的設(shè)備信息、關(guān)鍵電參量、設(shè)備運行狀態(tài)、計量計費等信息，實現(xiàn)對分布式光伏發(fā)電狀態(tài)的實時監(jiān)控，裝置解決了并網(wǎng)逆變器容易產(chǎn)生諧波、備用容量調(diào)節(jié)、電網(wǎng)自動化信息交互等問題。

圖5　分布式電源加插即用信息集成Fig.5　Information integration of a PNP DG system

5　裝置應(yīng)用

所研制的分布式電源即插即用裝置成功應(yīng)用于中新天津生態(tài)城智能電網(wǎng)創(chuàng)新示范區(qū)，通過建設(shè)屋頂光伏工程，示范應(yīng)用分布式光伏發(fā)電即插即用接口裝置，完成10項3 kW屋頂光伏示范建設(shè)。分布式電源即插即用裝置具備網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和并網(wǎng)功能，實現(xiàn)與智慧家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，實現(xiàn)發(fā)電電量信息、身份認(rèn)證、電量計費等信息的傳輸。

5.1用戶側(cè)新建、改造工程

安裝在并網(wǎng)點，即插即用，實現(xiàn)孤島檢測、即插即用、電能質(zhì)量監(jiān)測、保護(hù)、數(shù)據(jù)采集、通信等功能?？梢慌_產(chǎn)品替代保護(hù)、電能質(zhì)量監(jiān)測、DTU等多臺產(chǎn)品。

圖6　分布式電源即插即用裝置用戶側(cè)應(yīng)用Fig.6　Demand-side application of a PNP DG system

5.2電網(wǎng)側(cè)新建、改造工程

安裝在公共接入點，即插即用，實現(xiàn)騙補(bǔ)監(jiān)測、能源ID、光伏特性分析、電能質(zhì)量監(jiān)測、保護(hù)、數(shù)據(jù)采集、通訊等功能。一體化設(shè)計，可一臺產(chǎn)品替代保護(hù)、電能質(zhì)量監(jiān)測、DTU等多臺產(chǎn)品。對于改造工程，通過即插即用方式，充分利用系統(tǒng)的已有功能，平滑切入騙補(bǔ)監(jiān)測、能源ID以及光伏特性分析等新增功能。

圖7　分布式電源即插即用裝置電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用Fig.7　Grid-side application of a PNP DG system

6　展望

目前根據(jù)國網(wǎng)公司《分布式光伏發(fā)電接入系統(tǒng)典型設(shè)計》的規(guī)定，采用380 V接入的分布式光伏發(fā)電僅需向電網(wǎng)公司上傳電量信息，缺乏有效的輔助測量信息，使得分布式發(fā)電系統(tǒng)的上網(wǎng)電量的監(jiān)管變得困難［11］。因此，開展分布式電源即插即用監(jiān)測裝置推廣，可為電力公司提供光伏發(fā)電業(yè)分布式光伏應(yīng)用、用電指導(dǎo)、電力增值服務(wù)提供必要手段，同時通過分布式光伏功率計算可有效獲得分布式出力情況，有效降低用戶采用不法手段騙取補(bǔ)貼、竊電的風(fēng)險，切實維護(hù)電力公司自身利益。同時在行業(yè)內(nèi)部通過非侵入式方式的分布式光伏監(jiān)測，實現(xiàn)了利用用戶電表監(jiān)測室內(nèi)用電設(shè)備的運行情況，為用戶用電指導(dǎo)、經(jīng)濟(jì)用電分析及相關(guān)增值服務(wù)提供支撐。

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（編輯黃晶）

Application and Research of a Plug and Play Access Device for Distributed Generation

WANG Chunmei1，YU Jiancheng2，YANG Yuquan2
（1.Beijing Guodian Communication Network Technology Co.，Ltd.，Beijing 100070，China；2.State Grid Tianjin Electric Power Corporation，Tianjing 300010，China）

This paper introduces the development of a plug and play integrated PV generator control and measure system，which is deployed between the PV generation site and the point of common coupling in power grid.The system integrates the power inverter，measurement，protection and wave filter systems with the communication module.Through power line carrier signaling or WIFI communication the system makes power generation，ID verification and billing information displayable and operable on the smart home network.The system analyzes and gives the operation information of the distributed power generators in load clusters at non-intrusion situation by using non-intrusive power load monitoring and decomposition method.

distributed generation；plug and play；information integration；nonintrusive

1674-3814（2015）11-0112-05

MT615

A

2015-05-20。

王春梅（1980—），女，碩士，研究方向為智能配電網(wǎng)、智慧城市；

于建成（1977—），男，博士，研究方向為智能配電網(wǎng)、電力系統(tǒng)自動化。

國家電網(wǎng)公司總部科技項目（SGTJDK00DWJS 1500097）。

Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Headquarters（SGTJDK00DWJS 1500097）.