吴兰旭董中凯宋志春

(远光软件股份有限公司,广东省 珠海市 519000)

0 引言

在能源互联网发展的背景下,随着分布式光伏、风电、潮汐电站、各类储能系统(电化学储能)、大功率充放电设施的广泛接入,供用电各个领域都面临能源互联网点对点服务带来电能质量扰动来源多样、关联复杂化等新问题,微电网作为能源互联网重要组成部分,其电能质量的实时控制与调节是微电网稳定运行的关键,文献[1]提出了微电网电能质量控制过程繁琐、难度大的解决方法。文献[2]考虑了能源互联网背景下电能质量服务体系构建思路。面临电能质量数据多元化、服务需求多样化等需求,文献[3]提出了一种基于按照用户需求定制电力解决方案。文献[4]提出了风光储微电网电能质量的影响分析,数据采集设备灵活多样、边缘计算常规化、开放兼容的电能质量控制系统是未来微电网电能质量控制的方向,文献[5]考虑了微电网灵活资源属性的配置规划。

微电网的安全稳定运行,必须具备“协调参与”和“自我治愈”2项基本功能,参与的分散安装的清洁能源(光伏、风能等)、可控负荷以及既是电源也是负荷的储能系统[6],都对电能质量有着自身的要求,如负荷对供电电压的连续性、稳定性和频率偏差都有要求;储能系统对频率、电压、电流都有要求,清洁能源的出力必须要对频率、相位、相角、电压加以严格限制[7],否则也会出现内部电能质量事故,通过控制电能质量协调参与微电网控制是不可或缺的手段[8]。

在微电网运行过程中,并离网供电或结合虚拟电厂参与电力市场交易过程中,供电质量同样有电能质量指标要求[9];当在运行过程中发现电能质量问题,影响电力交易或者负荷运行时,实现自我治愈的功能是评估一个微电网可靠性的重要标准[10]。

1 基于边缘计算的微电网电能质量控制系统实现

1.1 边缘计算原理与特征概述

边缘计算是在云服务和末端物联数据源中间层执行计算的一种新型计算模型[11],边缘计算的边缘包含从数据源到云计算中心之间的任意计算和网络资源[12],边缘计算不仅要接收来自云服务的下行数据,也会接收来自末端物联的上行数据,接收实时数据的同时具备数据识别、数据分析、预测优化以及智能处理等功能[13]。典型的边缘计算具备开放式体系结构、数据预处理和过滤、边缘分析、分布式应用、合并的工作量、可扩展的部署/管理、安全连接等特征。

边缘计算能力在微电网的运行与控制中,应充分考虑光伏、储能、充电站、电网等主体的优势互补、高效消纳和调度运行效率[14-15]。通过边缘计算完成微电网发电量预测和发行为控制并调节电能质量实现供需互动,保证微网在供需平衡条件下的成本最优、效率最高[16]。

1.2 微电网电能质量控制系统设计

微电网电能质量控制系统架构(见图1)主要包含光伏逆变器(power conversion system,PCS)、储能变流器、其他负荷以及电能质量边缘控制器。其中电能质量边缘控制器是系统核心工作部件,包含数据集中器(data transfer unit,DTU)、储能控制器、光伏控制器、边缘计算框架、数字信号采样处理(digital signal processing,DSP)、微控制分析 (micro controller unit,MCU)等模块。DTU 的主要作用是负责数据的采集与转发,本身不具备数据高级分析和智能处理能力;储能控制器和光伏控制器分别通过电平脉冲信号、数字通信信号连接控制并联的储能PCS和光伏PCS,实现各个储能PCS、光伏PCS运行策略调节,资源分配等。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

电能质量边缘控制器的DSP 采样控制在系统所有公共连接点(point of common coupling,PCC)实时采取国标规定的6项电能质量指标信息[14],其中暂态事件要求每周波256个采样点,稳态记录信息保存周期为1s,能支撑边缘计算框架和MCU 进行详细的电能质量实时分析和控制。

1.3 电能质量边缘控制器

电能质量边缘控制器的核心作用是完成微电网电能质量的实时采集、分析、决策和动态调节,其原理如图2所示。DSP 采样控制器负责完成微电网中各PCC节点数据的A/D 采样和转换;MCU 分析模块对采样数据进行初步处理和分类,一方面进行常规的电压和频率判断,如有偏离按照预设需求生成运行策略调节光伏PCS或储能PCS,另一方面将电能质量暂态事件数据和录波数据推送至边缘计算框架。

图2 电能质量边缘控制器原理Fig.2 Principle of power quality edge controller

边缘计算框架保证了数据处理、网络通信及安全机制的实现[17],是电能质量边缘控制器关键组成部分,一方面面向电能质量边缘计算场景,实现了如实时暂态分析,支撑微电网电能质量与能量管理的协同,包括边云之间的电能质量治理应用协同、设备资源互动协同、数据协同等能力,完整打通电能质量边缘计算中云、边、设备协同的场景,另一方面整合了高性能计算和MemCache(分布式的高速缓存系统)实时数据存储资源,内置系统拓模型、暂态数据分析模型、暂态事件决策模型以及新能源功率变动引起电网电压有效值异常事件的识别算法等。算法与模型具备关联属性,能快速实现扰动类型识别、暂降源定位、微电网治理决策支撑。

2 微电网电能质量控制关键技术方案

2.1 微电网电能质量指标边缘控制

电能质量边缘控制流程核心包括微电网电能质量信息采集、指标判断、边缘计算(暂态分析与治理决策)。如图3所示,MCU 分析模块判断经A/D转换后的各节点的基本电能质量数据是否偏离基准范围,若偏离,根据偏离程度生成控制逆变器的工作状态的控制指令;若不偏离,判断经A/D 转换后的各节点的综合电能质量数据是否异常,若有异常,边缘计算模块基于内置算法模型,结合采样暂态事件波形、谐波、三相不平衡指标、实时相位相角等数据和微电网开关动作信息,快速确定暂态事件的干扰来源,并处理得到暂态事件的诊断结果。处理暂态事件原则是优先分析调节本地逆变器PCS、储能变流器PCS运行策略实现实时治理,该种方法可以优先利用资源;当本地资源不足时,将边缘计算结果上传至云端申请外部采取如隔离、补偿、快速切换等资源,此种处理方法能保持系统稳定运行,当外部资源不足以支撑时,最后可以考虑分批切除非重要负荷以保证系统稳定运行。

图3 电能质量指标边缘控制流程Fig.3 Edge control flow of power quality index

2.2 微电网逆变器/变流器控制

微电网逆变器/变流器控制是实现微电网电能质量控制的核心保障。如图4所示,整个控制过程通过数字信号控制、电平脉冲信号控制、物理保护控制3种。数字信号控制主要通过数字信号采集、计算实现监视、告警以及非毫秒级的控制调节,数字信号的采集内容包括交流与直流的输入输出信号,主要包含电压偏差、频率偏差、波动与闪变以及暂态事件等;电平与脉冲信号控制是指通过采集数字信号并计算生成的控制指令,通过DSP产生一系列脉冲调制信号,驱动双向变流单元工作,使逆变器/变流器并网时具有较高的稳态充放电控制性能;作为微网主电源运行时,能提供稳定的电压和频率;采用功率环、电压环和电流环的3 环控制策略,保证P-Q控制和U-f控制2种控制方式之间的快速平滑切换;物理保护控制主要通过例如交流熔断器、直流熔断器实现逆变器/变流器的过流、过压、过温、短路等保护以实现设备的安全保障。

图4 电能质量指标控制Fig.4 Power quality index control

2.3 数字信号控制器的选型方案

微电网电能质量的边缘控制对计算能力和响应速度都有较高要求,数字信号处理系统的选型是关键,不仅带有兼具DSP 和MCU 优点的内核,本方案采用飞思卡尔MC56F84789数字信号控制器,如表1所描述。

表1 数字信号控制器集成选型Table 1 Integrated selection of digital signal controller

该控制器集成了诸多如脉宽调制器、模数转换器、定时器、直接存储器访问(direct memory access,DMA)、内部模块互联单元,通信外设,和片内Flash和均方根值存储器等专用外设模块。同时,MC56F84789的高分辨率脉宽调制(eFlexPWM)模块提供了非常灵活的配置功能,是实现微电网电能质量高效控制的关键。该eFlexPWM 模块还能在中心对齐模式下产生非对称的脉冲调制信号输出,是实现微电网电能质量的边缘的实时控制与调节核心。

3 结论

文章阐述了在传统电能质量监测与微电网能量管理的基础上,通过软硬件协同并优化微电网运行控制策略,结合并具备一定的边缘计算能力的边缘控制器,将传统电能质量采集、分析、控制这3个过程就地集成为一体,实现了微电网就地资源灵活控制。提高了光伏逆变器、储能变流器等的利用效率,使光伏发电、储能系统等新能源微电网领域电能质量达到可就地监测、就地分析、就地控制,在保证微电网电能质量的同时提升了微电网的安全稳定运行效益。