針對(duì)邊緣地區(qū)用電特色的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)研究

國(guó)網(wǎng)上海市電力公司金山供電公司 湯 衡 曹 春 駱國(guó)連 徐建國(guó) 劉楊名 上海電力實(shí)業(yè)有限公司 唐建忠

1 引言

1.1 背景介紹

邊緣地區(qū)的電網(wǎng)建設(shè)一直存在著許多問題，首先是地廣人稀，造成配電網(wǎng)供電距離長(zhǎng)、負(fù)荷分布分散，并且因?yàn)榻煌l件差，導(dǎo)致故障查找、定位難度大，運(yùn)維成本較高[1]。然后因?yàn)樽詣?dòng)化和智能化水平不足，故障率要高于中心地區(qū)，更是加大了運(yùn)維的難度[2]。最后因?yàn)檫吘壍貐^(qū)有勞作的特點(diǎn)，所以用電的季節(jié)性變化較大，使電網(wǎng)的供電規(guī)劃更加困難。

但是邊緣地區(qū)的空間、日照充足，且光伏能源的接入可以減少電網(wǎng)供電負(fù)擔(dān)，所以適合在邊緣地區(qū)光伏接入的技術(shù)推廣使用[3]。

1.2 研究目的及意義

如果使用好光伏能源，不僅可以減少對(duì)化石能源的依賴，還可以提高邊緣地區(qū)的資源利用[4]。但是由于可再生能源的不確定性，以及光伏能源使用時(shí)會(huì)使電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的諧波，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。所以光伏能源的逐漸深度開發(fā)是當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的途徑之一，它是電力安全的需要，可緩解環(huán)境、電網(wǎng)調(diào)峰的壓力，提高能源利用效率[5]。并且，本文的研究也對(duì)邊緣地區(qū)的電網(wǎng)建設(shè)提供了許多幫助，推動(dòng)電力行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)了用戶用上了可靠的電力[6]。

1.3 現(xiàn)有技術(shù)及難點(diǎn)

從目前的光伏接入技術(shù)情況來看，光伏能源的使用地區(qū)較為分散，并且缺少能源接入的監(jiān)測(cè)裝置，導(dǎo)致電能接入后當(dāng)?shù)氐挠秒娦实拖耓7]。并且當(dāng)諧波電流過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電容器過負(fù)荷、過熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生諧振燒毀電容器[8]。另一方面，系統(tǒng)中的大量諧波對(duì)機(jī)電設(shè)備也會(huì)造成很大危害，同時(shí)影響到其他較為敏感的電子設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)可能造成設(shè)備失靈、程序錯(cuò)誤、產(chǎn)生誤動(dòng)作等情況發(fā)生[9]。

除此之外，還有增加線路和設(shè)備損耗、改變?cè)O(shè)備性能、加速電容器老化、測(cè)量結(jié)果失真等情況[10]。并且由于光伏適用于各地邊緣地區(qū)，還面臨著電力設(shè)施不夠完善、設(shè)備環(huán)境惡劣等外界因素的影響[11]。所以本文根據(jù)上述問題，提出了一種針對(duì)光伏能源接入的電能治理方案。

2 針對(duì)邊緣地區(qū)的微網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 微網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

本文根據(jù)邊緣地區(qū)特點(diǎn)，采取光伏微網(wǎng)的方式展開研究，主要將微網(wǎng)控制技術(shù)分為光伏發(fā)電系統(tǒng)、電能治理系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及能耗分析系統(tǒng)四個(gè)模塊。四個(gè)模塊各司其職，實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)一體化供電的優(yōu)質(zhì)供電。

在本技術(shù)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)采用現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的光伏組件，配合逆變器匯集逆變后接入400V母線，傳輸?shù)诫娔苤卫硐到y(tǒng)進(jìn)行處理。

電能治理系統(tǒng)核心部分為無(wú)功補(bǔ)償以及諧波的治理，無(wú)功就地補(bǔ)償容量可以根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式確定：

Q≤UI0

式中：Q——無(wú)功補(bǔ)償容量（kvar）；U——電動(dòng)機(jī)的額定電壓（V）；Ι0——電動(dòng)機(jī)空載電流（A）。按照安裝方式和接線方法可分為：高壓集中補(bǔ)償、低壓分組補(bǔ)償和低壓就地補(bǔ)償，但是實(shí)際上采用無(wú)功補(bǔ)償裝置前還要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合來確定。

諧波治理主要使用有源濾波器，不僅可以使建設(shè)的系統(tǒng)更加安全可靠，還可以很方便的實(shí)現(xiàn)末端治理，提高供電可靠性和節(jié)能效率。

而在實(shí)際應(yīng)用中，分布式電源并網(wǎng)接口處的最大電壓波動(dòng)率rmax可按下式計(jì)算：

rmax=ΔU/U≈ΔSncos（φ+θ）/SA≤ΔSn/Sk

式中：ΔSn為分布式電源的最大注入功率變化；Sk為分布式電源接入點(diǎn)處的短路容量；θ為分布式電源功率因數(shù)角；φ為電網(wǎng)阻抗角。

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能變流器模塊和儲(chǔ)能電池模塊。變流器部分包括了并網(wǎng)開關(guān)、隔離變壓器、交流接觸器、直流開關(guān)、直流接觸器等設(shè)備，負(fù)責(zé)儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)的能量交換。

整體來說，儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入不僅可以將太陽(yáng)電池陣列產(chǎn)生的直流電能逆變后輸向電網(wǎng)或向蓄電池充電，還可以在應(yīng)急時(shí)作為不間斷電源使用，根據(jù)運(yùn)行需要自由確定并網(wǎng)電流的大小，向電網(wǎng)饋送同頻同向的正弦波電能，抵消有害的高次諧波分量，用于補(bǔ)償電網(wǎng)的無(wú)功分量以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。幫助系統(tǒng)整體共同進(jìn)行電能治理。

能耗分析系統(tǒng)用來對(duì)微網(wǎng)整體進(jìn)行智能控制和自動(dòng)調(diào)度決策，可以提高系統(tǒng)整體的效率。主要工作方式為通過采集分布式發(fā)電電源點(diǎn)、線路、配電網(wǎng)、負(fù)荷等實(shí)時(shí)信息，形成整個(gè)微電網(wǎng)潮流的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行約束和能量平衡約束，實(shí)時(shí)調(diào)度調(diào)整微電網(wǎng)的運(yùn)行。

所以總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是將裝置集成安裝于一個(gè)小型定制電氣柜內(nèi)，方便安裝使用，留有市電、光伏兩個(gè)接入方式，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 應(yīng)用模式

因?yàn)楣夥茉吹牟杉泻艽蟮牟淮_定性，所以必須使用適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的控制策略，才能避免系統(tǒng)的低效運(yùn)行。一般的光伏電池可以看做是一個(gè)恒電流源與一個(gè)正向二極管并聯(lián)而成，并且從光伏電池的輸出特性可以看出來，光伏電池的輸出功率會(huì)同時(shí)受到光照強(qiáng)度和溫度的影響，當(dāng)這兩個(gè)因素不變時(shí)，輸出功率隨著輸出電壓的增大而先增大后減小，這就導(dǎo)致其輸出的功率會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極大值。所以如果可以高效地實(shí)現(xiàn)在光伏電池的功率極大值實(shí)時(shí)采集能量，便可以極大的提高電能穩(wěn)定性和使用效率。

所以本文選擇光伏電池后直接連接DC-DC變換模塊來實(shí)現(xiàn)，搭配Boost電路，以MPPT算法控制Boost的通斷，使其等效阻抗改變到匹配光伏電池內(nèi)阻抗，實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出。對(duì)于邊緣地區(qū)來說，用電有季節(jié)性的變化規(guī)律，所以這種高效率的應(yīng)用模式可以降低這些地區(qū)電能的浪費(fèi)，并且配合能耗分析系統(tǒng)，也可以解決邊緣地區(qū)長(zhǎng)距離線路故障排查困難的問題。

3 硬件裝置設(shè)計(jì)方案

3.1 裝置簡(jiǎn)介

根據(jù)技術(shù)架構(gòu)，配置相應(yīng)的硬件設(shè)備，硬件整體包括發(fā)電組件、儲(chǔ)能組件、電能治理裝置等，其中光伏發(fā)電所帶來的電能質(zhì)量問題主要由電能治理裝置負(fù)責(zé)解決，所以配置容量合適的有源濾波器、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、電流互感器、電涌保護(hù)器、取樣互感器等設(shè)備構(gòu)成。

3.2 裝置設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

首先，針對(duì)邊緣地區(qū)的特點(diǎn)，本裝置的硬件結(jié)構(gòu)需要小型化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化設(shè)備的運(yùn)輸安裝流程，這樣才便于大范圍、多點(diǎn)的應(yīng)用模式，減少電網(wǎng)的供電半徑。

儲(chǔ)能部分為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，主要使用磷酸鐵鋰電池，搭配BMS電池控制系統(tǒng)以及BMU電池管理單元，BMS可以提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長(zhǎng)電池使用壽命，監(jiān)控電池狀態(tài)；而BMU則是電池控制系統(tǒng)的單元組件，用于電池的物理參數(shù)監(jiān)測(cè)、采集電池的使用信息，使用內(nèi)can通信的方式完成控制流程。

電能治理設(shè)備方面，主要使用有源電力濾波器和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備結(jié)合的方式，有源電力濾波器安裝在微電網(wǎng)和電網(wǎng)接口處，主要用于治理微電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波的問題；無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備安裝在微電網(wǎng)負(fù)荷接口處，主要用于補(bǔ)償電網(wǎng)負(fù)荷的無(wú)功消耗。

裝置中將常用的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備直接并聯(lián)電容器或采用接觸器、負(fù)荷開關(guān)或晶閘管等方式投切電容器和電抗器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高負(fù)荷的功率因素和系統(tǒng)的電壓水平。在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功發(fā)生模塊和投切無(wú)功補(bǔ)償模塊的組合配置，從而大幅優(yōu)化成本和提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。然后在裝置中負(fù)荷分配的執(zhí)行元件選用動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)移裝置，首先通過電力電子變壓器將送電端交流380V電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓后升壓處理，電流輸送到用電端后再進(jìn)行降壓、逆變，還原成原有電壓，確保負(fù)荷轉(zhuǎn)移中的連續(xù)供電不受影響。

投切無(wú)功補(bǔ)償模塊成本較靜止無(wú)功發(fā)生模塊低很多，但靜止無(wú)功發(fā)生模塊的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能更好，所以需要在滿足電網(wǎng)所需動(dòng)態(tài)性能的前提下，將部分動(dòng)態(tài)無(wú)功發(fā)生模塊的無(wú)功補(bǔ)償容量用投切電容器模塊取代，并且在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)進(jìn)行最優(yōu)投切無(wú)功補(bǔ)償模塊和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償發(fā)生模塊的組合配置。

將SVG和換相開關(guān)相結(jié)合，安裝一個(gè)小型電壓相位跟蹤變換器，然后將換相開關(guān)設(shè)計(jì)成大電流負(fù)荷，使負(fù)荷電壓可以平滑的換相，連接PLC進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)控制，并與SVG和電容器組結(jié)合從而減少電網(wǎng)和配電變壓器的損耗以及硬件整體的大小。這樣就完成了裝置的小型化配置，比傳統(tǒng)的電氣柜所占空間縮小了許多，并且功能齊全。

系統(tǒng)初始模態(tài)為孤島運(yùn)行，從孤島切換至并網(wǎng)，孤島時(shí)光伏組件輸出功率小于本地負(fù)載功率，蓄電池放電，此時(shí)光伏組件與蓄電池共同為負(fù)載提供功率；切換到并網(wǎng)運(yùn)行后，蓄電池恒流充電，光伏組件不足以提供蓄電池充電功率，系統(tǒng)功率不足由電網(wǎng)補(bǔ)充，逆變器輸出電流反向。

3.3 裝置模擬及其應(yīng)用

裝置容量可分為50A/35kVar、75A/50kVar、100A/75kVar、150A/100kVar，各裝置可任意并聯(lián)組合運(yùn)行。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境可采取不同的接線方式，如濾波采樣電流互感器（CT）的安裝位置、電流互感器的安裝方向及相序：

在使用的通信設(shè)計(jì)上，裝置與控制屏之間使用modbus通訊，物理接口采用RS485串口，半雙工方式；通訊波特率為9600bps。

當(dāng)硬件完成安裝使用后，就可以配置能耗分析系統(tǒng)，使用軟件來保障硬件的正常運(yùn)行，提高硬件的使用效率。

4 能耗分析系統(tǒng)

在微網(wǎng)系統(tǒng)整體的架構(gòu)中，能耗分析系統(tǒng)也是對(duì)邊緣地區(qū)應(yīng)用十分重要的一部分，提高了微網(wǎng)的自動(dòng)化和智能化。它不僅可以監(jiān)控能耗數(shù)據(jù)，還可以從側(cè)面保護(hù)硬件裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，通過數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，減輕邊緣地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)維的工作負(fù)擔(dān)。

4.1 能耗分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

能耗分析系統(tǒng)是一套具有發(fā)電優(yōu)化調(diào)度、負(fù)荷管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能的能量管理軟件。通過采集分布式發(fā)電電源點(diǎn)、負(fù)荷、配電網(wǎng)、線路等實(shí)時(shí)信息，完成整個(gè)微電網(wǎng)潮流的實(shí)時(shí)監(jiān)視，并根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行約束和能量平衡約束，實(shí)時(shí)調(diào)度調(diào)整微電網(wǎng)的運(yùn)行。

整個(gè)系統(tǒng)可以按照功能和通信方式分為設(shè)備端、控制端、數(shù)據(jù)端三個(gè)模塊。最接近設(shè)備的首先就是設(shè)備端，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，主要通過利用數(shù)據(jù)采集終端，采集用戶關(guān)口負(fù)控終端。

數(shù)據(jù)采集終端功能：

數(shù)據(jù)采集為負(fù)控終端數(shù)據(jù)采集，終端提供2路抄表接口，可接電力負(fù)控終端485接口數(shù)據(jù)按設(shè)定參數(shù)值定時(shí)發(fā)送指令給485電表，并接收485電表的響應(yīng)數(shù)據(jù)回傳抄收內(nèi)容可通過參數(shù)設(shè)定。

參數(shù)設(shè)置為終端參數(shù)，通過維護(hù)接口可以設(shè)置和查詢?cè)O(shè)置參數(shù)。

數(shù)據(jù)傳輸分為與服務(wù)器通信，自動(dòng)與上端服務(wù)器發(fā)起連接，并通過身份驗(yàn)證按服務(wù)器要求發(fā)送數(shù)據(jù)；與負(fù)控終端通信，通過采集終端與負(fù)控終端通過解析規(guī)約通訊，通過485接口解析的規(guī)約抄負(fù)控終端數(shù)據(jù)。

本地功能分為本地狀態(tài)指示，具有電源、工作狀態(tài)、通信狀態(tài)等指示；本地維護(hù)接口，支持PC設(shè)備通過本地維護(hù)接口設(shè)置參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)抄讀電能量數(shù)據(jù)。

終端運(yùn)維分為自動(dòng)對(duì)時(shí)，采集終端定時(shí)與所抄電表對(duì)時(shí)，保證時(shí)鐘與電表同步，也可以根據(jù)服務(wù)器命令進(jìn)行遠(yuǎn)程對(duì)時(shí)；終端版本信息，終端能通過本地維護(hù)接口查詢終端版本信息。

發(fā)電系統(tǒng)和用戶側(cè)均為三相四線制，各選用一個(gè)智能檢測(cè)模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)，電流傳感器使用可分離式電流傳感器，避免傳統(tǒng)電流傳感器安裝和拆除工作量大的問題。

控制端將設(shè)備端采集到的信息經(jīng)PLC分類儲(chǔ)存后，再將部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到節(jié)能服務(wù)器，系統(tǒng)需要兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，以PLC的拓展模塊為主站，為能耗采集模塊建立遠(yuǎn)程設(shè)備站能耗采集自網(wǎng)絡(luò)：以節(jié)能服務(wù)器為主站，搭建本地能耗傳輸子網(wǎng)絡(luò)。

用戶可以通過控制端的各個(gè)模塊，查詢監(jiān)測(cè)單位管理、客戶端管理、采集器管理、系統(tǒng)管理、能耗管理等方面，采集器傳輸上來的數(shù)據(jù)信息。

對(duì)于本裝置來說，最重要的便是諧波分析模塊。根據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)可知，諧波分析最高次數(shù)和采樣點(diǎn)數(shù)有關(guān)，一般諧波分析到50次即可，而光伏發(fā)電系統(tǒng)開關(guān)頻率較高，應(yīng)提高諧波分析最高次數(shù)。本系統(tǒng)中諧波分析最高次數(shù)在程序中確定。在諧波分析模塊中，各個(gè)組件的功能介紹如下：

選擇目標(biāo)——選擇要計(jì)算的電壓或電流；輸入次數(shù)——輸入要計(jì)算諧波計(jì)算含有率的諧波次數(shù)；諧波含有率——顯示被選中目標(biāo)的諧波含有率值；THD（%）——一顯示選中目標(biāo)的總諧波畸變率；坐標(biāo)軸——依次顯示諧波分布圖；在顯示主面板的數(shù)據(jù)讀取的同時(shí)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的諧波計(jì)算，其直方圖幾乎與數(shù)據(jù)顯示圖同時(shí)出現(xiàn)。

當(dāng)讀入數(shù)據(jù)后，就會(huì)很快解析出對(duì)應(yīng)原始數(shù)據(jù)的諧波分布圖。同時(shí)，選擇要分析目標(biāo)和次數(shù)便可在諧波含有率文本框、總諧波畸變率文本框中看的具體的數(shù)值。

4.2 分析系統(tǒng)和裝置的結(jié)合設(shè)計(jì)

用戶支路采集利用廠家提供的接口規(guī)范，通過485總線的方式采集用戶支路開關(guān)上具有的多功能計(jì)量表；或者在無(wú)法解析支路多功能表或者支路開關(guān)采用舊時(shí)指針表的情況下，通過安裝DEP-640采集器直接再開關(guān)二次回路上讀取。通過集中器接收DEP-640采集器上報(bào)的數(shù)據(jù)。

DEP-640采集器與集中器之間，應(yīng)用了ZigBee網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)組網(wǎng)。ZigBee由多個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅可以作為監(jiān)控對(duì)象。

在集中器下轄的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，任何一個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)都可以作為路由中繼使用。當(dāng)察覺到安裝位置的無(wú)線信號(hào)較弱，可以考慮由其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼加強(qiáng)傳輸。

電網(wǎng)數(shù)據(jù)、能源站數(shù)據(jù)：電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、能源站數(shù)據(jù)采集通過開發(fā)與open2000系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口來實(shí)現(xiàn)。

接口技術(shù)：采用RESTful的Web Service接口，HTTPS安全協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)使用JSON格式。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)邊緣地區(qū)的用電特點(diǎn)，基于分布式能源的高效應(yīng)用研究，本文建立了軟硬件結(jié)合的微網(wǎng)系統(tǒng)，并針對(duì)分布式能源的電能質(zhì)量問題展開了研究，完成了相應(yīng)的電能治理裝置。用投切無(wú)功補(bǔ)償模塊和有源電力濾波器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高效的濾波工作，并添加了儲(chǔ)能模塊，在消納本地新能源的同時(shí)，還提供了額外的供電需求保障。最后加上了能耗分析系統(tǒng)，監(jiān)控微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行，提高了整體使用的可靠性。在此基礎(chǔ)上，可以研究更為先進(jìn)的電能治理技術(shù)，為以后邊緣地區(qū)的光伏能源發(fā)展建立了基礎(chǔ)。