园区能源的定制电力解决方案

2021-01-06吴兰旭宋小松董中凯舒鹏宋志春陈酉玫

分布式能源 2020年6期

吴兰旭宋小松董中凯舒鹏宋志春陈酉玫

(1.远光软件股份有限公司,广东珠海519000;2.国网电子商务有限公司 (国网金融科技集团),北京丰台100073)

0 引言

在“十三五”战略规划影响下,伴随着电力体制改革和“互联网+”智慧综合能源的发展,园区成为综合能源重点应用区域。传统园区电力供应主要以供电公司单向供给为主,文献[1]提出了热电耦合、尖峰电价、需求响应等业务层面的用户互动机制,未提及针对单纯电力供应的用户定制与互动。在综合能源服务背景下,供电公司与用户的单一供用关系被打破,用户可能既是用能侧,也是电源侧,并且对用电需求由传统能源供给提高为能源服务层面,总体关系逐渐呈现身份多变、按需定制,多维服务等特性[2]。文献[3]提出一种面向园区微网的综合能源系统多目标优化设计,通过“以热定电”、“以电定热”不同的运行策略,进行了综合能源多种维度的优化与对比分析。在综合能源服务背景及新电改影响下,文献[4]提出考虑以多能互补和源-网-荷协同的园区配电供应容量优化方法并仿真验证。文献[5]考虑综合能源服务特性,提出一种从组织架构和服务方式层面调节的供电服务方式。文献[6]基于本体和云模型的电能质量信息状态监测平台,建立了供电侧电能质量信息状态监测的领域本体,借助领域本体可以实现被监测点电能质量信息的快速检索,该方法主要集中于供给侧,未提及与需求侧用户互动。文献[7]提出一种现代标准的供电质量系统架构,应用于供给侧解决不同设备与系统的通讯标准等问题,未提及用户侧定制电力互动的策略内容。

本文提出一种园区综合能源的定制电力解决方案,以用户供用电需求为中心,从电能质量与电力能源交易两个层面满足园区内不同用户的供用电需求,从而实现电力服务的按需供给,利用多点计量与区块链的共识机制、不可篡改和高安全等特性结合,支撑园区内定制电力服务与交易结算。本方案不仅能具有综合能源的用户服务特性,而且可以实现园区的资源优化从而节约投资以及提高分布式能源利用率。

1 综合能源背景下园区定制电力系统概述

1.1 定制电力概述

定制电力是指利用先进的电力电子装置和计算机控制技术结合并应用于配电系统中,通过改善电能质量问题,为供电要求高于国家标准的特殊用户提供电力供应服务,国内早期也有针对定制电力相关的技术导则研究[8-9]。

优质电力园区是定制电力在园区的应用实例,文献[10]针对国内外定制电力园区实例,从供电方式、采用定制电力装置的补偿能力和拓扑结构等方面做了详细分析。从电能质量治理角度研究定制电力应用,需要考虑谐波治理、电压暂降、无功补偿等多种问题,文献[11-15]从定制电力装置协调性以及供电拓扑结构等方面分别做了研究以及仿真,从不同角度验证了定制电力方案的可行性。

1.2 综合能源服务下的园区定制电力存在问题

在能源互联网快速发展背景下,用户对能源的供应要求更加精细,清楚用能、省心用能、经济用能、优化用能、智慧用能是用户对当前综合能源服务提出的新要求。目前,各种园区内分布式光伏、储能等新能源的广泛接入,一方面缓解了用户配电侧供给压力,同时也给配电电能质量带来一些的不稳定因素。针对不同用电用户,要满足按需、清楚、省心、经济、优化、智慧等方面用电要求,传统园区定制电力存在不足,主要表现如下:

(1)用户互动机制层面。传统园区电力供给,大多基于事前调研并决策,在制定供电方案后,用户对于电力供给过程缺乏参与、对供给前后改善电能质量过程缺乏了解、在用电过程中新的改善诉求缺乏有效的沟通渠道。

(2)成本控制策略层面。文献[16]从分布式电源发、配、售以及运营角度分析,并构建面向多主体的园区综合能源系统投资收益分析模型。针对园区现有资源,包括大量光伏/储能变流器、无功补偿、谐波治理、晃电治理、动态电压恢复器,缺乏资源整合和高效利用以及节约成本的研究。

(3)控制精度层面。针对园区定制电力电压控制,文献[17]分别就固态切换开关、动态电压恢复器等工作原理和定制电力应用分别作了描述,文献[18]通过仿真验证了动态恢复器优化控制算法,对于短时电压恢复控制以及用户定制有一定参考意义。针对于特殊敏感用户,3～10 m内迅速快速识别与响应未见提及,未提及中。

2 园区定制电力系统设计

2.1 园区定制电力架构设计

本文提出园区能源定制电力解决方案,架构如图1所示,以电网输入满足国家标准的电能为基础,通过定制电力互动平台、园区边缘控制器、终端设备集成实现园区电力线路的定制输出。互动平台主要完成数据分析、计量管理、能量管理、运行策略优化以及用户互动服务;边缘控制器一方面向平台提供用于分析的数据源,另一方面通过调节园区的光伏/储能变流器、无功补偿、谐波治理、晃电治理、动态电压恢复器等核心设备电压、频率、功率来实现平台的策略执行。其中晃电治理和动态电压恢复器设备自带基于涡流驱动的快速切换开关,可实现3 ms响应10 ms执行的快速切换,用于敏感企业通过不同电源间的无缝切换要求,解决用户电压暂降问题,实现高精度电能质量供给;系统通过平台互动和边缘控制,利用无功补偿、谐波治理、储能变流器设备的硬件拓扑相似性,通过虚拟同步调节技术,实现无功补偿、谐波治理、储能变流器资源复用和新能源发电的效率最大化,例如某线路企业夜间生产功率因数偏低,系统自动决策启用夜间闲置储能变流器作为无功补偿装置。

图1 园区定制电力架构图Fig.1 Customized power structure figure

2.2 园区定制电力互动平台

在定制解决方案中,园区用户可通过定制电力互动平台完成定制电力服务,如图2所示,服务开始时,通过区块链签订智能合约,合约约束包括电压指标、三相不平衡指标、谐波指标、暂态事件指标、频率指标、闪变指标等。在实际供用电过程中,系统利用区块链自动记录园区、用户、电网所有开关动作以及新能源设备并离网动作,为后续电能质量事件溯源、园区内服务结算、系统评价等提供数据支撑[18-19]。

图2 定制电力结算流程Fig.2 Customized power settlement process

互动平台最后通过供电合约、用户侧电能质量数据、电网侧电能质量数据、计量数据和园区电力运行记录数据等生成定制电力服务凭证和结算账单,用户对账单和凭证记录验证后进行支付结算并进行用电质量评价。

2.3 定制电力边缘控制器

整个解决方案中,边缘控制器是系统的核心部分,如图3所示,边缘控制器分为信息控制层和功率控制层,功率控制层通过脉冲信号与逆变器等装置保持同步,保证基于虚拟同步的逆变器在数字信息处理控制的基础上,采用基于瞬时无功功率理论和快速傅里叶变换的检测技术,实时检测谐波电流,通过瞬时电流快速跟踪控制技术,实现动态快速补偿。当系统某条线路供电质量达不到智能合约需求时,边缘控制器通过脉冲信号等控制并联设备输出补偿电流、反向谐波和实现线路毫秒级切换等,根据系统的谐波量动态地准确变化,并控制过补偿、过载保护功能,当出现系统的谐波量大于滤波器容量时,边缘控制器可自动限制变流设备在100%额定容量输出,不会发生过载。既可补偿谐波,也可同时补偿基波无功功率,提高功率因数,并可设置功能的优先次序。

图3 定制电力控制器Fig.3 Customized power controller

信息控制层面保证云端分析结果和策略的接收,并结合边缘端的资源隔离、网络适配等特性完成就地调度与云端命令的执行。通过协调变流设备控制模式的灵活调节,保证园区功率、电压、频率的稳定。

3 关键技术

3.1 基于园区定制电力的供给策略

解决方案在考虑稳定供给电力的同时最大程度保证资源复用,资源复用策略是实现资源节约和减少投资的关键。如表1资源时间复用策略,光伏储能变流器可在白天光照较好情况下支持光伏发电,夜晚或光照较差情况下,将光伏储能变流器调度为无功补偿装置、谐波治理装置为其他用电用户提供电能治理服务。根据用户定制电能质量指标差异(如表2所示),解决方案将园区电力供应分为4条专线输出,按照用户定制电力需求,边缘控制器执行控制策略,专线1输出可专供半导体、芯片、精密仪器等制造类企业,其中电压波动与波动闪变指标可优于国家标准;专线2除电压跌路深度指标要求低于专线1外,其余与专线1相同,专供责普通工业自动化控制生产线;专线3负责普通场馆、楼宇以及普通生产线;专线4为普通办公与生活区提供电力服务。系统可保证所有用户可以通过定制电力互动平台以及边缘控制器实现定制电力的申请和执行。

表1 资源复用时间策略Table 1 Resource reuse time strategy

表2 资源复用控制策略Table 2 Resource reuse control strategy

3.2 基于电压暂降的毫秒级切换保障技术应用

考虑敏感用户定制电力的特性需要,本方案在1号、2号专线加装基于涡流电流驱动的快速切换开关和超级电容的晃电治理快速切换系统,如图4,结合软件控制算法,能在短路电流上升2 ms内完成对短路电流、母线电压的计算,判断内外网短路及电压凹陷,并发出动作信号。电源电压突然下降至额定值的10%～90%,时间超过20 ms以上的电压陡降,即所谓“晃电”或短时停电(停电时间≤2 s、5 s)时,会造成电动机转速下降或停转、变频器停机、交流接触器断开、继电保护动作,导致生产波动。轻者造成产品质量事故,造成几十万、几百万经济损失。重者甚至引起重大安全事故。对于有电动机的支路,控制器立即发出分闸信号和切换信号,在第1个周波的过零点切断短路电流,在30 ms内完成将敏感负载从短路系统中切开、并切换到备用电源的操作。对于有变频器的支路,由于系统电压下降到低于变频器电容电压,输入电流为0,开关可在15 ms内完成将变频器从短路系统切开、并切换到备用电源上的操作[20-21]。

图4 毫秒级切换示意图Fig.4 Schematic diagram of millisecond switching

3.3 基于资源复用拓扑结构

在解决方案中,所有储能变流器、谐波治理、无功补偿以及晃电治理的逆变单元全部采用采用三相全桥电压型脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)通用拓扑结构,结构中通过绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)控制开关器件的通断实现对交、直流侧的控制,通用拓扑结构如图5所示。ES表示交流电源,负载可假设谐波源,产生谐波并消耗无功。通用拓扑结构由两大部分组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号,产生实际的补偿电流,由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成最终通过数字信号处理(digital signal processing,DSP)软件控制实现交直流逆变、滤波或补偿。

图5 基于资源复用的逆变器架构Fig.5 Inverter architecture based on resource reuse

通用结构作为谐波治理设备,通过外部电流互感器CT实时采集负载电流信号,通过内部检测电路分离出其中的谐波部分,通过控制PWM逆变器的开关状态,产生与系统的谐波大小相等、相位相反的补偿电流,以抵消负载所产生的谐波分量,实现滤波功能。

通用结构作为无功补偿时,系统自动计算补偿目标值,边缘计算控制器根据系统计算的无功功率,通过PWM逆变器产生容性或感性的基波电流,实现动态无功补偿,在整个补偿过程中,系统自动均衡功率、电压和电流,确保不会出现过补偿,且保证补偿平滑,不会对负载和电网产生涌流冲击。

4 园区定制电力系统建设实例

本文所述解决方案在远光软件园区综合能源系统中得到了全面应用,系统采用了国网电商数字物联实验室的物联通讯设备,通过云端互动平台与边缘控制器协同,将园区光伏系统、储能系统、存量无功补偿等系统设备与电网配电系统融合,实现了用户参与互动的定制电力系统。园区定制电力系统如图6所示。其中1号专线负责园区数据中心敏感专线供电;2号专线保证部分计算机与自动化控制系统的稳定运营;3号、4号线负责园区办公以及展厅演示系统等。目前,系统运行1年多,在解决方案应用的基础上,用户多次通过平台进行不同指标的电力定制,通过物联数据采集和电能质量数据分析验证了园区电力能源的按需供应的过程,系统体现优势如下。