園區(qū)能源的定制電力解決方案

吳蘭旭宋小松董中凱舒 鵬宋志春陳酉玫

(1.遠(yuǎn)光軟件股份有限公司,廣東珠海519000;2.國(guó)網(wǎng)電子商務(wù)有限公司 (國(guó)網(wǎng)金融科技集團(tuán)),北京 豐臺(tái)100073)

0 引言

在“十三五”戰(zhàn)略規(guī)劃影響下,伴隨著電力體制改革和“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧綜合能源的發(fā)展,園區(qū)成為綜合能源重點(diǎn)應(yīng)用區(qū)域。傳統(tǒng)園區(qū)電力供應(yīng)主要以供電公司單向供給為主,文獻(xiàn)[1]提出了熱電耦合、尖峰電價(jià)、需求響應(yīng)等業(yè)務(wù)層面的用戶互動(dòng)機(jī)制,未提及針對(duì)單純電力供應(yīng)的用戶定制與互動(dòng)。在綜合能源服務(wù)背景下,供電公司與用戶的單一供用關(guān)系被打破,用戶可能既是用能側(cè),也是電源側(cè),并且對(duì)用電需求由傳統(tǒng)能源供給提高為能源服務(wù)層面,總體關(guān)系逐漸呈現(xiàn)身份多變、按需定制,多維服務(wù)等特性[2]。文獻(xiàn)[3]提出一種面向園區(qū)微網(wǎng)的綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)“以熱定電”、“以電定熱”不同的運(yùn)行策略,進(jìn)行了綜合能源多種維度的優(yōu)化與對(duì)比分析。在綜合能源服務(wù)背景及新電改影響下,文獻(xiàn)[4]提出考慮以多能互補(bǔ)和源-網(wǎng)-荷協(xié)同的園區(qū)配電供應(yīng)容量?jī)?yōu)化方法并仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[5]考慮綜合能源服務(wù)特性,提出一種從組織架構(gòu)和服務(wù)方式層面調(diào)節(jié)的供電服務(wù)方式。文獻(xiàn)[6]基于本體和云模型的電能質(zhì)量信息狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái),建立了供電側(cè)電能質(zhì)量信息狀態(tài)監(jiān)測(cè)的領(lǐng)域本體,借助領(lǐng)域本體可以實(shí)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)電能質(zhì)量信息的快速檢索,該方法主要集中于供給側(cè),未提及與需求側(cè)用戶互動(dòng)。文獻(xiàn)[7]提出一種現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)的供電質(zhì)量系統(tǒng)架構(gòu),應(yīng)用于供給側(cè)解決不同設(shè)備與系統(tǒng)的通訊標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題,未提及用戶側(cè)定制電力互動(dòng)的策略內(nèi)容。

本文提出一種園區(qū)綜合能源的定制電力解決方案,以用戶供用電需求為中心,從電能質(zhì)量與電力能源交易兩個(gè)層面滿足園區(qū)內(nèi)不同用戶的供用電需求,從而實(shí)現(xiàn)電力服務(wù)的按需供給,利用多點(diǎn)計(jì)量與區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制、不可篡改和高安全等特性結(jié)合,支撐園區(qū)內(nèi)定制電力服務(wù)與交易結(jié)算。本方案不僅能具有綜合能源的用戶服務(wù)特性,而且可以實(shí)現(xiàn)園區(qū)的資源優(yōu)化從而節(jié)約投資以及提高分布式能源利用率。

1 綜合能源背景下園區(qū)定制電力系統(tǒng)概述

1.1 定制電力概述

定制電力是指利用先進(jìn)的電力電子裝置和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用于配電系統(tǒng)中,通過(guò)改善電能質(zhì)量問(wèn)題,為供電要求高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的特殊用戶提供電力供應(yīng)服務(wù),國(guó)內(nèi)早期也有針對(duì)定制電力相關(guān)的技術(shù)導(dǎo)則研究[8-9]。

優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)是定制電力在園區(qū)的應(yīng)用實(shí)例,文獻(xiàn)[10]針對(duì)國(guó)內(nèi)外定制電力園區(qū)實(shí)例,從供電方式、采用定制電力裝置的補(bǔ)償能力和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面做了詳細(xì)分析。從電能質(zhì)量治理角度研究定制電力應(yīng)用,需要考慮諧波治理、電壓暫降、無(wú)功補(bǔ)償?shù)榷喾N問(wèn)題,文獻(xiàn)[11-15]從定制電力裝置協(xié)調(diào)性以及供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面分別做了研究以及仿真,從不同角度驗(yàn)證了定制電力方案的可行性。

1.2 綜合能源服務(wù)下的園區(qū)定制電力存在問(wèn)題

在能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展背景下,用戶對(duì)能源的供應(yīng)要求更加精細(xì),清楚用能、省心用能、經(jīng)濟(jì)用能、優(yōu)化用能、智慧用能是用戶對(duì)當(dāng)前綜合能源服務(wù)提出的新要求。目前,各種園區(qū)內(nèi)分布式光伏、儲(chǔ)能等新能源的廣泛接入,一方面緩解了用戶配電側(cè)供給壓力,同時(shí)也給配電電能質(zhì)量帶來(lái)一些的不穩(wěn)定因素。針對(duì)不同用電用戶,要滿足按需、清楚、省心、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)化、智慧等方面用電要求,傳統(tǒng)園區(qū)定制電力存在不足,主要表現(xiàn)如下:

(1)用戶互動(dòng)機(jī)制層面。傳統(tǒng)園區(qū)電力供給,大多基于事前調(diào)研并決策,在制定供電方案后,用戶對(duì)于電力供給過(guò)程缺乏參與、對(duì)供給前后改善電能質(zhì)量過(guò)程缺乏了解、在用電過(guò)程中新的改善訴求缺乏有效的溝通渠道。

(2)成本控制策略層面。文獻(xiàn)[16]從分布式電源發(fā)、配、售以及運(yùn)營(yíng)角度分析,并構(gòu)建面向多主體的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)投資收益分析模型。針對(duì)園區(qū)現(xiàn)有資源,包括大量光伏/儲(chǔ)能變流器、無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理、晃電治理、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器,缺乏資源整合和高效利用以及節(jié)約成本的研究。

(3)控制精度層面。針對(duì)園區(qū)定制電力電壓控制,文獻(xiàn)[17]分別就固態(tài)切換開(kāi)關(guān)、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等工作原理和定制電力應(yīng)用分別作了描述,文獻(xiàn)[18]通過(guò)仿真驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)恢復(fù)器優(yōu)化控制算法,對(duì)于短時(shí)電壓恢復(fù)控制以及用戶定制有一定參考意義。針對(duì)于特殊敏感用戶,3～10 m內(nèi)迅速快速識(shí)別與響應(yīng)未見(jiàn)提及,未提及中。

2 園區(qū)定制電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 園區(qū)定制電力架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出園區(qū)能源定制電力解決方案,架構(gòu)如圖1所示,以電網(wǎng)輸入滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的電能為基礎(chǔ),通過(guò)定制電力互動(dòng)平臺(tái)、園區(qū)邊緣控制器、終端設(shè)備集成實(shí)現(xiàn)園區(qū)電力線路的定制輸出?；?dòng)平臺(tái)主要完成數(shù)據(jù)分析、計(jì)量管理、能量管理、運(yùn)行策略優(yōu)化以及用戶互動(dòng)服務(wù);邊緣控制器一方面向平臺(tái)提供用于分析的數(shù)據(jù)源,另一方面通過(guò)調(diào)節(jié)園區(qū)的光伏/儲(chǔ)能變流器、無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理、晃電治理、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等核心設(shè)備電壓、頻率、功率來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的策略執(zhí)行。其中晃電治理和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器設(shè)備自帶基于渦流驅(qū)動(dòng)的快速切換開(kāi)關(guān),可實(shí)現(xiàn)3 ms響應(yīng)10 ms執(zhí)行的快速切換,用于敏感企業(yè)通過(guò)不同電源間的無(wú)縫切換要求,解決用戶電壓暫降問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)高精度電能質(zhì)量供給;系統(tǒng)通過(guò)平臺(tái)互動(dòng)和邊緣控制,利用無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理、儲(chǔ)能變流器設(shè)備的硬件拓?fù)湎嗨菩?通過(guò)虛擬同步調(diào)節(jié)技術(shù),實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理、儲(chǔ)能變流器資源復(fù)用和新能源發(fā)電的效率最大化,例如某線路企業(yè)夜間生產(chǎn)功率因數(shù)偏低,系統(tǒng)自動(dòng)決策啟用夜間閑置儲(chǔ)能變流器作為無(wú)功補(bǔ)償裝置。

圖1 園區(qū)定制電力架構(gòu)圖Fig.1 Customized power structure figure

2.2 園區(qū)定制電力互動(dòng)平臺(tái)

在定制解決方案中,園區(qū)用戶可通過(guò)定制電力互動(dòng)平臺(tái)完成定制電力服務(wù),如圖2所示,服務(wù)開(kāi)始時(shí),通過(guò)區(qū)塊鏈簽訂智能合約,合約約束包括電壓指標(biāo)、三相不平衡指標(biāo)、諧波指標(biāo)、暫態(tài)事件指標(biāo)、頻率指標(biāo)、閃變指標(biāo)等。在實(shí)際供用電過(guò)程中,系統(tǒng)利用區(qū)塊鏈自動(dòng)記錄園區(qū)、用戶、電網(wǎng)所有開(kāi)關(guān)動(dòng)作以及新能源設(shè)備并離網(wǎng)動(dòng)作,為后續(xù)電能質(zhì)量事件溯源、園區(qū)內(nèi)服務(wù)結(jié)算、系統(tǒng)評(píng)價(jià)等提供數(shù)據(jù)支撐[18-19]。

圖2 定制電力結(jié)算流程Fig.2 Customized power settlement process

互動(dòng)平臺(tái)最后通過(guò)供電合約、用戶側(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)、電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)、計(jì)量數(shù)據(jù)和園區(qū)電力運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)等生成定制電力服務(wù)憑證和結(jié)算賬單,用戶對(duì)賬單和憑證記錄驗(yàn)證后進(jìn)行支付結(jié)算并進(jìn)行用電質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2.3 定制電力邊緣控制器

整個(gè)解決方案中,邊緣控制器是系統(tǒng)的核心部分,如圖3所示,邊緣控制器分為信息控制層和功率控制層,功率控制層通過(guò)脈沖信號(hào)與逆變器等裝置保持同步,保證基于虛擬同步的逆變器在數(shù)字信息處理控制的基礎(chǔ)上,采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論和快速傅里葉變換的檢測(cè)技術(shù),實(shí)時(shí)檢測(cè)諧波電流,通過(guò)瞬時(shí)電流快速跟蹤控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)快速補(bǔ)償。當(dāng)系統(tǒng)某條線路供電質(zhì)量達(dá)不到智能合約需求時(shí),邊緣控制器通過(guò)脈沖信號(hào)等控制并聯(lián)設(shè)備輸出補(bǔ)償電流、反向諧波和實(shí)現(xiàn)線路毫秒級(jí)切換等,根據(jù)系統(tǒng)的諧波量動(dòng)態(tài)地準(zhǔn)確變化,并控制過(guò)補(bǔ)償、過(guò)載保護(hù)功能,當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)的諧波量大于濾波器容量時(shí),邊緣控制器可自動(dòng)限制變流設(shè)備在100%額定容量輸出,不會(huì)發(fā)生過(guò)載。既可補(bǔ)償諧波,也可同時(shí)補(bǔ)償基波無(wú)功功率,提高功率因數(shù),并可設(shè)置功能的優(yōu)先次序。

圖3 定制電力控制器Fig.3 Customized power controller

信息控制層面保證云端分析結(jié)果和策略的接收,并結(jié)合邊緣端的資源隔離、網(wǎng)絡(luò)適配等特性完成就地調(diào)度與云端命令的執(zhí)行。通過(guò)協(xié)調(diào)變流設(shè)備控制模式的靈活調(diào)節(jié),保證園區(qū)功率、電壓、頻率的穩(wěn)定。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于園區(qū)定制電力的供給策略

解決方案在考慮穩(wěn)定供給電力的同時(shí)最大程度保證資源復(fù)用,資源復(fù)用策略是實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約和減少投資的關(guān)鍵。如表1資源時(shí)間復(fù)用策略,光伏儲(chǔ)能變流器可在白天光照較好情況下支持光伏發(fā)電,夜晚或光照較差情況下,將光伏儲(chǔ)能變流器調(diào)度為無(wú)功補(bǔ)償裝置、諧波治理裝置為其他用電用戶提供電能治理服務(wù)。根據(jù)用戶定制電能質(zhì)量指標(biāo)差異(如表2所示),解決方案將園區(qū)電力供應(yīng)分為4條專線輸出,按照用戶定制電力需求,邊緣控制器執(zhí)行控制策略,專線1輸出可專供半導(dǎo)體、芯片、精密儀器等制造類企業(yè),其中電壓波動(dòng)與波動(dòng)閃變指標(biāo)可優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);專線2除電壓跌路深度指標(biāo)要求低于專線1外,其余與專線1相同,專供責(zé)普通工業(yè)自動(dòng)化控制生產(chǎn)線;專線3負(fù)責(zé)普通場(chǎng)館、樓宇以及普通生產(chǎn)線;專線4為普通辦公與生活區(qū)提供電力服務(wù)。系統(tǒng)可保證所有用戶可以通過(guò)定制電力互動(dòng)平臺(tái)以及邊緣控制器實(shí)現(xiàn)定制電力的申請(qǐng)和執(zhí)行。

表1 資源復(fù)用時(shí)間策略Table 1 Resource reuse time strategy

表2 資源復(fù)用控制策略Table 2 Resource reuse control strategy

3.2 基于電壓暫降的毫秒級(jí)切換保障技術(shù)應(yīng)用

考慮敏感用戶定制電力的特性需要,本方案在1號(hào)、2號(hào)專線加裝基于渦流電流驅(qū)動(dòng)的快速切換開(kāi)關(guān)和超級(jí)電容的晃電治理快速切換系統(tǒng),如圖4,結(jié)合軟件控制算法,能在短路電流上升2 ms內(nèi)完成對(duì)短路電流、母線電壓的計(jì)算,判斷內(nèi)外網(wǎng)短路及電壓凹陷,并發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。電源電壓突然下降至額定值的10%～90%,時(shí)間超過(guò)20 ms以上的電壓陡降,即所謂“晃電”或短時(shí)停電(停電時(shí)間≤2 s、5 s)時(shí),會(huì)造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降或停轉(zhuǎn)、變頻器停機(jī)、交流接觸器斷開(kāi)、繼電保護(hù)動(dòng)作,導(dǎo)致生產(chǎn)波動(dòng)。輕者造成產(chǎn)品質(zhì)量事故,造成幾十萬(wàn)、幾百萬(wàn)經(jīng)濟(jì)損失。重者甚至引起重大安全事故。對(duì)于有電動(dòng)機(jī)的支路,控制器立即發(fā)出分閘信號(hào)和切換信號(hào),在第1個(gè)周波的過(guò)零點(diǎn)切斷短路電流,在30 ms內(nèi)完成將敏感負(fù)載從短路系統(tǒng)中切開(kāi)、并切換到備用電源的操作。對(duì)于有變頻器的支路,由于系統(tǒng)電壓下降到低于變頻器電容電壓,輸入電流為0,開(kāi)關(guān)可在15 ms內(nèi)完成將變頻器從短路系統(tǒng)切開(kāi)、并切換到備用電源上的操作[20-21]。

圖4 毫秒級(jí)切換示意圖Fig.4 Schematic diagram of millisecond switching

3.3 基于資源復(fù)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在解決方案中,所有儲(chǔ)能變流器、諧波治理、無(wú)功補(bǔ)償以及晃電治理的逆變單元全部采用采用三相全橋電壓型脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)中通過(guò)絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)交、直流側(cè)的控制,通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。ES表示交流電源,負(fù)載可假設(shè)諧波源,產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功。通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩大部分組成,即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功電流分量。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào),產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流,由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三個(gè)部分構(gòu)成最終通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing,DSP)軟件控制實(shí)現(xiàn)交直流逆變、濾波或補(bǔ)償。

圖5 基于資源復(fù)用的逆變器架構(gòu)Fig.5 Inverter architecture based on resource reuse

通用結(jié)構(gòu)作為諧波治理設(shè)備,通過(guò)外部電流互感器CT實(shí)時(shí)采集負(fù)載電流信號(hào),通過(guò)內(nèi)部檢測(cè)電路分離出其中的諧波部分,通過(guò)控制PWM逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài),產(chǎn)生與系統(tǒng)的諧波大小相等、相位相反的補(bǔ)償電流,以抵消負(fù)載所產(chǎn)生的諧波分量,實(shí)現(xiàn)濾波功能。

通用結(jié)構(gòu)作為無(wú)功補(bǔ)償時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償目標(biāo)值,邊緣計(jì)算控制器根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算的無(wú)功功率,通過(guò)PWM逆變器產(chǎn)生容性或感性的基波電流,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償,在整個(gè)補(bǔ)償過(guò)程中,系統(tǒng)自動(dòng)均衡功率、電壓和電流,確保不會(huì)出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償,且保證補(bǔ)償平滑,不會(huì)對(duì)負(fù)載和電網(wǎng)產(chǎn)生涌流沖擊。

4 園區(qū)定制電力系統(tǒng)建設(shè)實(shí)例

本文所述解決方案在遠(yuǎn)光軟件園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中得到了全面應(yīng)用,系統(tǒng)采用了國(guó)網(wǎng)電商數(shù)字物聯(lián)實(shí)驗(yàn)室的物聯(lián)通訊設(shè)備,通過(guò)云端互動(dòng)平臺(tái)與邊緣控制器協(xié)同,將園區(qū)光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、存量無(wú)功補(bǔ)償?shù)认到y(tǒng)設(shè)備與電網(wǎng)配電系統(tǒng)融合,實(shí)現(xiàn)了用戶參與互動(dòng)的定制電力系統(tǒng)。園區(qū)定制電力系統(tǒng)如圖6所示。其中1號(hào)專線負(fù)責(zé)園區(qū)數(shù)據(jù)中心敏感專線供電;2號(hào)專線保證部分計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng);3號(hào)、4號(hào)線負(fù)責(zé)園區(qū)辦公以及展廳演示系統(tǒng)等。目前,系統(tǒng)運(yùn)行1年多,在解決方案應(yīng)用的基礎(chǔ)上,用戶多次通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行不同指標(biāo)的電力定制,通過(guò)物聯(lián)數(shù)據(jù)采集和電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了園區(qū)電力能源的按需供應(yīng)的過(guò)程,系統(tǒng)體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)如下。

圖6 園區(qū)定制電力首頁(yè)Fig.6 Home page of customized power for park energy

(1)用戶互動(dòng)。與用戶互動(dòng)并定制不同的電能質(zhì)量指標(biāo),增加用戶體驗(yàn)感和用戶粘性。

(2)資源復(fù)用。利用儲(chǔ)能變流器、無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理等設(shè)備相似架構(gòu),通過(guò)運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)資源高效利用,減少系統(tǒng)投資。

(3)快速切換技術(shù)應(yīng)用。采用3～20 ms切換開(kāi)關(guān)技術(shù)治理電壓暫降,針對(duì)傳統(tǒng)在線式不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS)成本更少,功耗更低。

(4)區(qū)塊鏈的應(yīng)用。區(qū)塊鏈技術(shù)在用戶供電合約和計(jì)量計(jì)費(fèi)過(guò)程得到廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文提出的園區(qū)能源定制電力解決方案,符合綜合能源的用戶服務(wù)理念,在減少電能質(zhì)量治理設(shè)備投入的基礎(chǔ)上,通過(guò)與用戶互動(dòng)實(shí)現(xiàn)電力定制與按需供給,提高新能源消納能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了新能源設(shè)備資源的高效利用,為園區(qū)能源電力供給與源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同控制提供了決策參考。