国网上海市电力公司金山供电公司 汤 衡 曹 春 骆国连 徐建国 刘杨名 上海电力实业有限公司 唐建忠

1 引言

1.1 背景介绍

边缘地区的电网建设一直存在着许多问题，首先是地广人稀，造成配电网供电距离长、负荷分布分散，并且因为交通条件差，导致故障查找、定位难度大，运维成本较高[1]。然后因为自动化和智能化水平不足，故障率要高于中心地区，更是加大了运维的难度[2]。最后因为边缘地区有劳作的特点，所以用电的季节性变化较大，使电网的供电规划更加困难。

但是边缘地区的空间、日照充足，且光伏能源的接入可以减少电网供电负担，所以适合在边缘地区光伏接入的技术推广使用[3]。

1.2 研究目的及意义

如果使用好光伏能源，不仅可以减少对化石能源的依赖，还可以提高边缘地区的资源利用[4]。但是由于可再生能源的不确定性，以及光伏能源使用时会使电网中产生大量的谐波，严重影响了电网中的电能质量。所以光伏能源的逐渐深度开发是当今社会可持续发展的途径之一，它是电力安全的需要，可缓解环境、电网调峰的压力，提高能源利用效率[5]。并且，本文的研究也对边缘地区的电网建设提供了许多帮助，推动电力行业的发展，同时促进了用户用上了可靠的电力[6]。

1.3 现有技术及难点

从目前的光伏接入技术情况来看，光伏能源的使用地区较为分散，并且缺少能源接入的监测装置，导致电能接入后当地的用电效率低下[7]。并且当谐波电流过大时，会导致电容器过负荷、过热，严重时会发生谐振烧毁电容器[8]。另一方面，系统中的大量谐波对机电设备也会造成很大危害，同时影响到其他较为敏感的电子设备，严重时可能造成设备失灵、程序错误、产生误动作等情况发生[9]。

除此之外，还有增加线路和设备损耗、改变设备性能、加速电容器老化、测量结果失真等情况[10]。并且由于光伏适用于各地边缘地区，还面临着电力设施不够完善、设备环境恶劣等外界因素的影响[11]。所以本文根据上述问题，提出了一种针对光伏能源接入的电能治理方案。

2 针对边缘地区的微网设计

2.1 微网技术架构

本文根据边缘地区特点，采取光伏微网的方式展开研究，主要将微网控制技术分为光伏发电系统、电能治理系统、储能系统以及能耗分析系统四个模块。四个模块各司其职，实现光储一体化供电的优质供电。

在本技术中，光伏发电系统采用现在应用广泛的光伏组件，配合逆变器汇集逆变后接入400V母线，传输到电能治理系统进行处理。

电能治理系统核心部分为无功补偿以及谐波的治理，无功就地补偿容量可以根据以下经验公式确定：

Q≤UI0

式中：Q——无功补偿容量（kvar）；U——电动机的额定电压（V）；Ι0——电动机空载电流（A）。按照安装方式和接线方法可分为：高压集中补偿、低压分组补偿和低压就地补偿，但是实际上采用无功补偿装置前还要根据应用场合来确定。

谐波治理主要使用有源滤波器，不仅可以使建设的系统更加安全可靠，还可以很方便的实现末端治理，提高供电可靠性和节能效率。

而在实际应用中，分布式电源并网接口处的最大电压波动率rmax可按下式计算：

rmax=ΔU/U≈ΔSncos（φ+θ）/SA≤ΔSn/Sk

式中：ΔSn为分布式电源的最大注入功率变化；Sk为分布式电源接入点处的短路容量；θ为分布式电源功率因数角；φ为电网阻抗角。

储能系统主要包括储能变流器模块和储能电池模块。变流器部分包括了并网开关、隔离变压器、交流接触器、直流开关、直流接触器等设备，负责储能电池与电网的能量交换。

整体来说，储能系统的加入不仅可以将太阳电池阵列产生的直流电能逆变后输向电网或向蓄电池充电，还可以在应急时作为不间断电源使用，根据运行需要自由确定并网电流的大小，向电网馈送同频同向的正弦波电能，抵消有害的高次谐波分量，用于补偿电网的无功分量以稳定电网电压。帮助系统整体共同进行电能治理。

能耗分析系统用来对微网整体进行智能控制和自动调度决策，可以提高系统整体的效率。主要工作方式为通过采集分布式发电电源点、线路、配电网、负荷等实时信息，形成整个微电网潮流的实时监控，并根据微电网运行约束和能量平衡约束，实时调度调整微电网的运行。

所以总体结构设计主要是将装置集成安装于一个小型定制电气柜内，方便安装使用，留有市电、光伏两个接入方式，保障系统的稳定性。

2.2 应用模式

因为光伏能源的采集有很大的不确定性，所以必须使用适应当地环境的控制策略，才能避免系统的低效运行。一般的光伏电池可以看做是一个恒电流源与一个正向二极管并联而成，并且从光伏电池的输出特性可以看出来，光伏电池的输出功率会同时受到光照强度和温度的影响，当这两个因素不变时，输出功率随着输出电压的增大而先增大后减小，这就导致其输出的功率会产生一个极大值。所以如果可以高效地实现在光伏电池的功率极大值实时采集能量，便可以极大的提高电能稳定性和使用效率。

所以本文选择光伏电池后直接连接DC-DC变换模块来实现，搭配Boost电路，以MPPT算法控制Boost的通断，使其等效阻抗改变到匹配光伏电池内阻抗，实现光伏电池的最大功率输出。对于边缘地区来说，用电有季节性的变化规律，所以这种高效率的应用模式可以降低这些地区电能的浪费，并且配合能耗分析系统，也可以解决边缘地区长距离线路故障排查困难的问题。

3 硬件装置设计方案

3.1 装置简介

根据技术架构，配置相应的硬件设备，硬件整体包括发电组件、储能组件、电能治理装置等，其中光伏发电所带来的电能质量问题主要由电能治理装置负责解决，所以配置容量合适的有源滤波器、无功补偿设备、电流互感器、电涌保护器、取样互感器等设备构成。

3.2 装置设计与结构

首先，针对边缘地区的特点，本装置的硬件结构需要小型化设计，简化设备的运输安装流程，这样才便于大范围、多点的应用模式，减少电网的供电半径。

储能部分为保障系统的稳定运行，主要使用磷酸铁锂电池，搭配BMS电池控制系统以及BMU电池管理单元，BMS可以提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池使用寿命，监控电池状态；而BMU则是电池控制系统的单元组件，用于电池的物理参数监测、采集电池的使用信息，使用内can通信的方式完成控制流程。

电能治理设备方面，主要使用有源电力滤波器和无功补偿设备结合的方式，有源电力滤波器安装在微电网和电网接口处，主要用于治理微电网产生的谐波的问题；无功补偿设备安装在微电网负荷接口处，主要用于补偿电网负荷的无功消耗。

装置中将常用的无功补偿设备直接并联电容器或采用接触器、负荷开关或晶闸管等方式投切电容器和电抗器进行无功补偿，提高负荷的功率因素和系统的电压水平。在电网实际运行时进行动态无功发生模块和投切无功补偿模块的组合配置，从而大幅优化成本和提高系统运行的灵活性。然后在装置中负荷分配的执行元件选用动态负荷转移装置，首先通过电力电子变压器将送电端交流380V电压转换为直流电压后升压处理，电流输送到用电端后再进行降压、逆变，还原成原有电压，确保负荷转移中的连续供电不受影响。

投切无功补偿模块成本较静止无功发生模块低很多，但静止无功发生模块的动态补偿性能更好，所以需要在满足电网所需动态性能的前提下，将部分动态无功发生模块的无功补偿容量用投切电容器模块取代，并且在电网实际运行时进行最优投切无功补偿模块和动态无功补偿发生模块的组合配置。

将SVG和换相开关相结合，安装一个小型电压相位跟踪变换器，然后将换相开关设计成大电流负荷，使负荷电压可以平滑的换相，连接PLC进行通信网络控制，并与SVG和电容器组结合从而减少电网和配电变压器的损耗以及硬件整体的大小。这样就完成了装置的小型化配置，比传统的电气柜所占空间缩小了许多，并且功能齐全。

系统初始模态为孤岛运行，从孤岛切换至并网，孤岛时光伏组件输出功率小于本地负载功率，蓄电池放电，此时光伏组件与蓄电池共同为负载提供功率；切换到并网运行后，蓄电池恒流充电，光伏组件不足以提供蓄电池充电功率，系统功率不足由电网补充，逆变器输出电流反向。

3.3 装置模拟及其应用

装置容量可分为50A/35kVar、75A/50kVar、100A/75kVar、150A/100kVar，各装置可任意并联组合运行。

根据现场环境可采取不同的接线方式，如滤波采样电流互感器（CT）的安装位置、电流互感器的安装方向及相序：

在使用的通信设计上，装置与控制屏之间使用modbus通讯，物理接口采用RS485串口，半双工方式；通讯波特率为9600bps。

当硬件完成安装使用后，就可以配置能耗分析系统，使用软件来保障硬件的正常运行，提高硬件的使用效率。

4 能耗分析系统

在微网系统整体的架构中，能耗分析系统也是对边缘地区应用十分重要的一部分，提高了微网的自动化和智能化。它不仅可以监控能耗数据，还可以从侧面保护硬件装置的稳定运行，通过数据及时发现异常情况，减轻边缘地区电网运维的工作负担。

4.1 能耗分析系统设计

能耗分析系统是一套具有发电优化调度、负荷管理、实时监控等功能的能量管理软件。通过采集分布式发电电源点、负荷、配电网、线路等实时信息，完成整个微电网潮流的实时监视，并根据微电网运行约束和能量平衡约束，实时调度调整微电网的运行。

整个系统可以按照功能和通信方式分为设备端、控制端、数据端三个模块。最接近设备的首先就是设备端，负责现场能耗数据实时采集，主要通过利用数据采集终端，采集用户关口负控终端。

数据采集终端功能：

数据采集为负控终端数据采集，终端提供2路抄表接口，可接电力负控终端485接口数据按设定参数值定时发送指令给485电表，并接收485电表的响应数据回传抄收内容可通过参数设定。

参数设置为终端参数，通过维护接口可以设置和查询设置参数。

数据传输分为与服务器通信，自动与上端服务器发起连接，并通过身份验证按服务器要求发送数据；与负控终端通信，通过采集终端与负控终端通过解析规约通讯，通过485接口解析的规约抄负控终端数据。

本地功能分为本地状态指示，具有电源、工作状态、通信状态等指示；本地维护接口，支持PC设备通过本地维护接口设置参数和现场抄读电能量数据。

终端运维分为自动对时，采集终端定时与所抄电表对时，保证时钟与电表同步，也可以根据服务器命令进行远程对时；终端版本信息，终端能通过本地维护接口查询终端版本信息。

发电系统和用户侧均为三相四线制，各选用一个智能检测模块进行监测，电流传感器使用可分离式电流传感器，避免传统电流传感器安装和拆除工作量大的问题。

控制端将设备端采集到的信息经PLC分类储存后，再将部分数据发送到节能服务器，系统需要两个子网络，以PLC的拓展模块为主站，为能耗采集模块建立远程设备站能耗采集自网络：以节能服务器为主站，搭建本地能耗传输子网络。

用户可以通过控制端的各个模块，查询监测单位管理、客户端管理、采集器管理、系统管理、能耗管理等方面，采集器传输上来的数据信息。

对于本装置来说，最重要的便是谐波分析模块。根据分析经验可知，谐波分析最高次数和采样点数有关，一般谐波分析到50次即可，而光伏发电系统开关频率较高，应提高谐波分析最高次数。本系统中谐波分析最高次数在程序中确定。在谐波分析模块中，各个组件的功能介绍如下：

选择目标——选择要计算的电压或电流；输入次数——输入要计算谐波计算含有率的谐波次数；谐波含有率——显示被选中目标的谐波含有率值；THD（%）——一显示选中目标的总谐波畸变率；坐标轴——依次显示谐波分布图；在显示主面板的数据读取的同时会进行相应的谐波计算，其直方图几乎与数据显示图同时出现。

当读入数据后，就会很快解析出对应原始数据的谐波分布图。同时，选择要分析目标和次数便可在谐波含有率文本框、总谐波畸变率文本框中看的具体的数值。

4.2 分析系统和装置的结合设计

用户支路采集利用厂家提供的接口规范，通过485总线的方式采集用户支路开关上具有的多功能计量表；或者在无法解析支路多功能表或者支路开关采用旧时指针表的情况下，通过安装DEP-640采集器直接再开关二次回路上读取。通过集中器接收DEP-640采集器上报的数据。

DEP-640采集器与集中器之间，应用了ZigBee网络自适应组网。ZigBee由多个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，网络节点不仅可以作为监控对象。

在集中器下辖的网络范围内，任何一个Zigbee节点都可以作为路由中继使用。当察觉到安装位置的无线信号较弱，可以考虑由其它节点进行中继加强传输。

电网数据、能源站数据：电网运行数据采集、能源站数据采集通过开发与open2000系统的数据接口来实现。

接口技术：采用RESTful的Web Service接口，HTTPS安全协议，传输数据使用JSON格式。

5 结语

根据边缘地区的用电特点，基于分布式能源的高效应用研究，本文建立了软硬件结合的微网系统，并针对分布式能源的电能质量问题展开了研究，完成了相应的电能治理装置。用投切无功补偿模块和有源电力滤波器相结合，实现了高效的滤波工作，并添加了储能模块，在消纳本地新能源的同时，还提供了额外的供电需求保障。最后加上了能耗分析系统，监控微网系统的运行，提高了整体使用的可靠性。在此基础上，可以研究更为先进的电能治理技术，为以后边缘地区的光伏能源发展建立了基础。