基于邊緣計(jì)算的微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制

吳蘭旭董中凱宋志春

(遠(yuǎn)光軟件股份有限公司,廣東省 珠海市 519000)

0 引言

在能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的背景下,隨著分布式光伏、風(fēng)電、潮汐電站、各類儲能系統(tǒng)(電化學(xué)儲能)、大功率充放電設(shè)施的廣泛接入,供用電各個(gè)領(lǐng)域都面臨能源互聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)帶來電能質(zhì)量擾動來源多樣、關(guān)聯(lián)復(fù)雜化等新問題,微電網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)重要組成部分,其電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制與調(diào)節(jié)是微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵,文獻(xiàn)[1]提出了微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制過程繁瑣、難度大的解決方法。文獻(xiàn)[2]考慮了能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電能質(zhì)量服務(wù)體系構(gòu)建思路。面臨電能質(zhì)量數(shù)據(jù)多元化、服務(wù)需求多樣化等需求,文獻(xiàn)[3]提出了一種基于按照用戶需求定制電力解決方案。文獻(xiàn)[4]提出了風(fēng)光儲微電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析,數(shù)據(jù)采集設(shè)備靈活多樣、邊緣計(jì)算常規(guī)化、開放兼容的電能質(zhì)量控制系統(tǒng)是未來微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制的方向,文獻(xiàn)[5]考慮了微電網(wǎng)靈活資源屬性的配置規(guī)劃。

微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,必須具備“協(xié)調(diào)參與”和“自我治愈”2項(xiàng)基本功能,參與的分散安裝的清潔能源(光伏、風(fēng)能等)、可控負(fù)荷以及既是電源也是負(fù)荷的儲能系統(tǒng)[6],都對電能質(zhì)量有著自身的要求,如負(fù)荷對供電電壓的連續(xù)性、穩(wěn)定性和頻率偏差都有要求;儲能系統(tǒng)對頻率、電壓、電流都有要求,清潔能源的出力必須要對頻率、相位、相角、電壓加以嚴(yán)格限制[7],否則也會出現(xiàn)內(nèi)部電能質(zhì)量事故,通過控制電能質(zhì)量協(xié)調(diào)參與微電網(wǎng)控制是不可或缺的手段[8]。

在微電網(wǎng)運(yùn)行過程中,并離網(wǎng)供電或結(jié)合虛擬電廠參與電力市場交易過程中,供電質(zhì)量同樣有電能質(zhì)量指標(biāo)要求[9];當(dāng)在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量問題,影響電力交易或者負(fù)荷運(yùn)行時(shí),實(shí)現(xiàn)自我治愈的功能是評估一個(gè)微電網(wǎng)可靠性的重要標(biāo)準(zhǔn)[10]。

1 基于邊緣計(jì)算的微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.1 邊緣計(jì)算原理與特征概述

邊緣計(jì)算是在云服務(wù)和末端物聯(lián)數(shù)據(jù)源中間層執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模型[11],邊緣計(jì)算的邊緣包含從數(shù)據(jù)源到云計(jì)算中心之間的任意計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源[12],邊緣計(jì)算不僅要接收來自云服務(wù)的下行數(shù)據(jù),也會接收來自末端物聯(lián)的上行數(shù)據(jù),接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同時(shí)具備數(shù)據(jù)識別、數(shù)據(jù)分析、預(yù)測優(yōu)化以及智能處理等功能[13]。典型的邊緣計(jì)算具備開放式體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)預(yù)處理和過濾、邊緣分析、分布式應(yīng)用、合并的工作量、可擴(kuò)展的部署/管理、安全連接等特征。

邊緣計(jì)算能力在微電網(wǎng)的運(yùn)行與控制中,應(yīng)充分考慮光伏、儲能、充電站、電網(wǎng)等主體的優(yōu)勢互補(bǔ)、高效消納和調(diào)度運(yùn)行效率[14-15]。通過邊緣計(jì)算完成微電網(wǎng)發(fā)電量預(yù)測和發(fā)行為控制并調(diào)節(jié)電能質(zhì)量實(shí)現(xiàn)供需互動,保證微網(wǎng)在供需平衡條件下的成本最優(yōu)、效率最高[16]。

1.2 微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制系統(tǒng)架構(gòu)(見圖1)主要包含光伏逆變器(power conversion system,PCS)、儲能變流器、其他負(fù)荷以及電能質(zhì)量邊緣控制器。其中電能質(zhì)量邊緣控制器是系統(tǒng)核心工作部件,包含數(shù)據(jù)集中器(data transfer unit,DTU)、儲能控制器、光伏控制器、邊緣計(jì)算框架、數(shù)字信號采樣處理(digital signal processing,DSP)、微控制分析 (micro controller unit,MCU)等模塊。DTU 的主要作用是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)發(fā),本身不具備數(shù)據(jù)高級分析和智能處理能力;儲能控制器和光伏控制器分別通過電平脈沖信號、數(shù)字通信信號連接控制并聯(lián)的儲能PCS和光伏PCS,實(shí)現(xiàn)各個(gè)儲能PCS、光伏PCS運(yùn)行策略調(diào)節(jié),資源分配等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

電能質(zhì)量邊緣控制器的DSP 采樣控制在系統(tǒng)所有公共連接點(diǎn)(point of common coupling,PCC)實(shí)時(shí)采取國標(biāo)規(guī)定的6項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)信息[14],其中暫態(tài)事件要求每周波256個(gè)采樣點(diǎn),穩(wěn)態(tài)記錄信息保存周期為1s,能支撐邊緣計(jì)算框架和MCU 進(jìn)行詳細(xì)的電能質(zhì)量實(shí)時(shí)分析和控制。

1.3 電能質(zhì)量邊緣控制器

電能質(zhì)量邊緣控制器的核心作用是完成微電網(wǎng)電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)采集、分析、決策和動態(tài)調(diào)節(jié),其原理如圖2所示。DSP 采樣控制器負(fù)責(zé)完成微電網(wǎng)中各PCC節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的A/D 采樣和轉(zhuǎn)換;MCU 分析模塊對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和分類,一方面進(jìn)行常規(guī)的電壓和頻率判斷,如有偏離按照預(yù)設(shè)需求生成運(yùn)行策略調(diào)節(jié)光伏PCS或儲能PCS,另一方面將電能質(zhì)量暫態(tài)事件數(shù)據(jù)和錄波數(shù)據(jù)推送至邊緣計(jì)算框架。

圖2 電能質(zhì)量邊緣控制器原理Fig.2 Principle of power quality edge controller

邊緣計(jì)算框架保證了數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信及安全機(jī)制的實(shí)現(xiàn)[17],是電能質(zhì)量邊緣控制器關(guān)鍵組成部分,一方面面向電能質(zhì)量邊緣計(jì)算場景,實(shí)現(xiàn)了如實(shí)時(shí)暫態(tài)分析,支撐微電網(wǎng)電能質(zhì)量與能量管理的協(xié)同,包括邊云之間的電能質(zhì)量治理應(yīng)用協(xié)同、設(shè)備資源互動協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同等能力,完整打通電能質(zhì)量邊緣計(jì)算中云、邊、設(shè)備協(xié)同的場景,另一方面整合了高性能計(jì)算和MemCache(分布式的高速緩存系統(tǒng))實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲資源,內(nèi)置系統(tǒng)拓模型、暫態(tài)數(shù)據(jù)分析模型、暫態(tài)事件決策模型以及新能源功率變動引起電網(wǎng)電壓有效值異常事件的識別算法等。算法與模型具備關(guān)聯(lián)屬性,能快速實(shí)現(xiàn)擾動類型識別、暫降源定位、微電網(wǎng)治理決策支撐。

2 微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)方案

2.1 微電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)邊緣控制

電能質(zhì)量邊緣控制流程核心包括微電網(wǎng)電能質(zhì)量信息采集、指標(biāo)判斷、邊緣計(jì)算(暫態(tài)分析與治理決策)。如圖3所示,MCU 分析模塊判斷經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的各節(jié)點(diǎn)的基本電能質(zhì)量數(shù)據(jù)是否偏離基準(zhǔn)范圍,若偏離,根據(jù)偏離程度生成控制逆變器的工作狀態(tài)的控制指令;若不偏離,判斷經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的各節(jié)點(diǎn)的綜合電能質(zhì)量數(shù)據(jù)是否異常,若有異常,邊緣計(jì)算模塊基于內(nèi)置算法模型,結(jié)合采樣暫態(tài)事件波形、諧波、三相不平衡指標(biāo)、實(shí)時(shí)相位相角等數(shù)據(jù)和微電網(wǎng)開關(guān)動作信息,快速確定暫態(tài)事件的干擾來源,并處理得到暫態(tài)事件的診斷結(jié)果。處理暫態(tài)事件原則是優(yōu)先分析調(diào)節(jié)本地逆變器PCS、儲能變流器PCS運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)治理,該種方法可以優(yōu)先利用資源;當(dāng)本地資源不足時(shí),將邊緣計(jì)算結(jié)果上傳至云端申請外部采取如隔離、補(bǔ)償、快速切換等資源,此種處理方法能保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,當(dāng)外部資源不足以支撐時(shí),最后可以考慮分批切除非重要負(fù)荷以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 電能質(zhì)量指標(biāo)邊緣控制流程Fig.3 Edge control flow of power quality index

2.2 微電網(wǎng)逆變器/變流器控制

微電網(wǎng)逆變器/變流器控制是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制的核心保障。如圖4所示,整個(gè)控制過程通過數(shù)字信號控制、電平脈沖信號控制、物理保護(hù)控制3種。數(shù)字信號控制主要通過數(shù)字信號采集、計(jì)算實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、告警以及非毫秒級的控制調(diào)節(jié),數(shù)字信號的采集內(nèi)容包括交流與直流的輸入輸出信號,主要包含電壓偏差、頻率偏差、波動與閃變以及暫態(tài)事件等;電平與脈沖信號控制是指通過采集數(shù)字信號并計(jì)算生成的控制指令,通過DSP產(chǎn)生一系列脈沖調(diào)制信號,驅(qū)動雙向變流單元工作,使逆變器/變流器并網(wǎng)時(shí)具有較高的穩(wěn)態(tài)充放電控制性能;作為微網(wǎng)主電源運(yùn)行時(shí),能提供穩(wěn)定的電壓和頻率;采用功率環(huán)、電壓環(huán)和電流環(huán)的3 環(huán)控制策略,保證P-Q控制和U-f控制2種控制方式之間的快速平滑切換;物理保護(hù)控制主要通過例如交流熔斷器、直流熔斷器實(shí)現(xiàn)逆變器/變流器的過流、過壓、過溫、短路等保護(hù)以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全保障。

圖4 電能質(zhì)量指標(biāo)控制Fig.4 Power quality index control

2.3 數(shù)字信號控制器的選型方案

微電網(wǎng)電能質(zhì)量的邊緣控制對計(jì)算能力和響應(yīng)速度都有較高要求,數(shù)字信號處理系統(tǒng)的選型是關(guān)鍵,不僅帶有兼具DSP 和MCU 優(yōu)點(diǎn)的內(nèi)核,本方案采用飛思卡爾MC56F84789數(shù)字信號控制器,如表1所描述。

表1 數(shù)字信號控制器集成選型Table 1 Integrated selection of digital signal controller

該控制器集成了諸多如脈寬調(diào)制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、直接存儲器訪問(direct memory access,DMA)、內(nèi)部模塊互聯(lián)單元,通信外設(shè),和片內(nèi)Flash和均方根值存儲器等專用外設(shè)模塊。同時(shí),MC56F84789的高分辨率脈寬調(diào)制(eFlexPWM)模塊提供了非常靈活的配置功能,是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電能質(zhì)量高效控制的關(guān)鍵。該eFlexPWM 模塊還能在中心對齊模式下產(chǎn)生非對稱的脈沖調(diào)制信號輸出,是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電能質(zhì)量的邊緣的實(shí)時(shí)控制與調(diào)節(jié)核心。

3 結(jié)論

文章闡述了在傳統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測與微電網(wǎng)能量管理的基礎(chǔ)上,通過軟硬件協(xié)同并優(yōu)化微電網(wǎng)運(yùn)行控制策略,結(jié)合并具備一定的邊緣計(jì)算能力的邊緣控制器,將傳統(tǒng)電能質(zhì)量采集、分析、控制這3個(gè)過程就地集成為一體,實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)就地資源靈活控制。提高了光伏逆變器、儲能變流器等的利用效率,使光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)等新能源微電網(wǎng)領(lǐng)域電能質(zhì)量達(dá)到可就地監(jiān)測、就地分析、就地控制,在保證微電網(wǎng)電能質(zhì)量的同時(shí)提升了微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行效益。