基于台区融合终端的分布式储能型光伏并网电能质量研究

李耐心,王建伟,李振成,王高海,张智焜,崔 磊

(1.国网冀北电力有限公司唐山供电公司,河北 唐山063000;2.东方电子股份有限公司,山东 烟台264011)

0 引言

光伏发电系统在日常运行中,受外界因素影响较为严重,在阴雨天气尤为明显,云层遮挡减少了光伏太阳能电池板获得光照的辐射强度和时间长度,对光伏发电系统输出电压以及输出功率造成较大波动[1]。另外,在光照辐射强度较为强烈时,输出功率的增大会加大短路电流,对光伏发电系统的系统保护控制有较大影响。因此,需要利用储能技术对波动性的光伏发电进行相应控制,根据电网的实际运行状况,对功率进行释放和储存,确保光伏发电系统并网的可靠性。

目前,针对光伏并网电能质量管控,文献[2]分析了新能源并网对电力系统电能质量的影响;文献[3]提出了分布式光伏电能质量问题的影响及治理方法;文献[4]分析了分布式光伏接入对系统电能质量的影响;文献[5]提出了基于太阳能发电的微电网电能质量控制策略;文献[6]研究了基于深度学习的光伏并网系统谐波预测;文献[7]分析了风光储微电网并网对系统电能质量的影响。

由此可见,目前针对光伏并网的模型分析较多,但针对储能型光伏对电能质量的控制方案研究仍存在不足。

为解决上述问题,本文建立了分布式储能光伏并网的电压质量管理模型和架构,针对相应的系统硬件进行设计,提升光伏并网过程中各项参数的在线监测和实时管控。

1 分布式储能型光伏并网研究

1.1 新能源调度特征

光伏电池的输出特性与光照辐射强度和环境温度有关[8],在正常环境中,光伏阵列周围树木或建筑物会影响光伏输出功率,同时,考虑到日照辐射强度的波动性,利用储能系统稳定直流侧母线电压,能够平抑新能源发电的波动。一般利用蓄电池作为储能装置,通过双向DC/DC变换器,确定储能蓄电池的充放电策略。光伏储能并网系统的结构如图1所示。

图1 并网构架

从图1中可以看出,通过光伏阵列将太阳能转化为电能,并根据功率跟踪装置确定输出功率的数值大小,通过储能装置对光伏系统的输出功率进行调节和控制,在光照充足时进行适当的电能存储,通过蓄电池的放电对电能进行实时平衡。

其中,逆变器主要针对光伏发电系统以及电网系统之间的有效连接,直流电需要通过逆变器转换为交流电,与电网同压同频、同相才能实现并网。逆变器是光伏发电系统中的重要部分,其拓扑结构、控制参数和控制策略直接影响并网后的电能质量结果[9]。

1.2 光伏发电电能质量监测系统

如图2所示,光伏太阳能发电电能质量的监测系统包括传感器、数据获取部分、数据分析平台以及显示屏等。根据光照辐射强度以及环境温度等参数形成的传感器数据。其中数据获取过程,除传感器以外的数据还包括测量表计的读数,由直流部分和交流部分共同组成。获取的数据以电压、电流、光照辐射强度和温度的形式发送至分析平台,将有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、谐波含有量和频率等结果以表格或图形的方式呈现。

图2 光伏发电电能质量监测系统

2 台区融合终端电能治理方案

2.1 融合终端配合储能系统电能质量治理架构

融合终端配合储能系统进行台区电能质量治理应用系统构成及组网如图3所示。

图3 融合终端配合储能系统构成及组网

在该系统中,融合终端采集台区内各点电压,综合研判台区电压超限范围和电池荷电状态值,实时动态调整储能变流器 (power conversion system,PCS)输出或吸收无功功率和有功功率,实现台区高电压治理。

2.2 融合终端配合储能PCS电能质量治理架构

融合终端配合储能PCS进行台区电能质量治理应用系统构成及组网如图4所示。

图4 融合终端配合储能PCS电能质量治理架构

在图4所示系统中,通过融合终端采集台区内各点电压,综合研判台区电压超限范围,实时动态调整PCS输出或吸收无功功率,实现台区高电压治理。

2.3 融合终端配合智能光伏隔离开关电能质量治理

使用融合终端通过智能光伏隔离开关调节光伏逆变器进行台区电能质量治理应用系统构成及组网如图5所示。

图5 融合终端配合智能光伏隔离开关电能质量

在该系统中,融合终端采集台区内各点电压,综合研判台区电压超限范围,经过智能光伏隔离开关向逆变器下达无功或有功调节指令,实现台区高电压治理。

3 系统硬件设计

3.1 电池储能PCS系统

储能PCS系统主要由储能PCS机柜和储能PCS功率模块组成,其在储能系统中的位置及组成如图6所示。

图6 电池储能PCS系统

PCS功率模块主要完成PCS的功率控制功能,具备丰富的通信接口(RS485、CAN、RS232),具备脱离PCS机柜独立与EMS、中央控制器、BMS通信运行的能力。也支持热插拔装入PCS机柜内并机运行的能力,此时PCS系统与EMS、中央控制器、BMS通信由PCS机柜内的HMI实现,PCS功率模块与HMI板通过CAN总线通信,实现控制指令的下发。

储能PCS机柜主要由直流EMI滤波器、直流继电器、交流断路器以及HMI板组成,主要实现PCS功率模块的并机功能。机柜结构如图7所示。

图7 电池储能PCS机柜结构

3.2 智能光伏隔离开关技术方案

智能光伏隔离开关系统主要由开关本体、壳体、一次互感器、电源板、LCD板、北斗板和控制板构成。其电气原理如图8所示。

图8 智能光伏隔离开关原理

其中控制板的主要功能和特点如下:

a.主控板以ARM作为主控芯片,通过SPI挂接Flash和FRAM以提供大容量、快速数据存储支持。

b.ARM通过UART分别连接蓝牙、2路隔离485和载波通信模块,实现各种通信需求。

c.采用计量芯片,集成7路二阶 sigma-delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理等电路,能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量,同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角和频率等参数,充分满足三相复费率多功能电能表的需求。 ARM通过SPI接口访问计量芯片,可进行校表参数设定、计量数据和电流电压采样值读取。

d.新增单独的北斗板,内置北斗定位对时模块,采用串口方式与MCU通信,采集位置信息和时间信息。

3.3 融合终端APP设计

终端微应用总体架构如图9所示。主要包括如下部分:

图9 终端微应用总体架构

a.基础平台部分,包含操作系统和基础运行环境。

b.资源虚拟化部分,由容器和硬件抽象层组成。

c.微应用部分,具备完成具体业务的功能,包括基础微应用与业务微应用。

d.数据交互总线部分,基于容器间IP化技术与MQTT协议,实现跨容器的信息交互。

e.信息安全部分,包含数据采集安全、数据存储安全、数据访问安全及数据上行通信安全。

4 应用分析

4.1 测试系统说明

选择某地区电网为对象进行分析,台区总容量为400 kV·A,光伏装机总容量为296 kV·A,居民光伏数量为49户,全部为单相光伏,逆变器型号为锦浪GCI-1P6K-4G,每5户1组汇聚到杆下电表箱,通过用户光伏电表和三相断路器连接到380 V线路上。系统如图10所示。

图10 试点台区系统

根据台区总容量,考虑系统造价及研究效果,选择储能PCS容量为200 kV·A,储能电池组为34 kW·h。

在台区变压器附近安装有融合终端,并将新安装储能系统(包括PCS和电池组),在光伏并网点安装智能光伏隔离开关,在用户光伏表前端安装智能微断,以实现台区过电压治理、光伏保护及运维安全,并能够实施监测每个光伏用户的发电情况,实现智能台区和数字透明化台区建设。

4.2 测试系统配置

储能系统通过台区JP柜内的断路器接入台区380 V电网,具体如图11所示。

图11 智能终端配置

智能光伏隔离开关通过RS485与所属智能微断通信,采集每个光伏用户的发电电量信息(电压、功率、功率因数和发电量等)数据,融合终端通过高速电力线载波(high power line communication,HPLC)与光伏并网点的智能光伏隔离开关通信,采集光伏隔离开关的并网点电量信息(电压、功率、功率因数、总发电量和保护状态等)和各光伏用户电量信息,并在需要的时候对智能光伏隔离开关和智能微断进行遥控操作。

融合终端通过RS485与本地的储能系统PCS控制器通信,采集PCS和电池信息,并根据需要对PCS进行运行控制设置。光伏并网箱安装如图12所示。

图12 光伏并网箱

4.3 测试结果分析

得到本文系统应用后电压合格率的变化如表1和表2所示。

表1 节点电压合格率 %

表2 电压总谐波畸变率 %

可以看出,本文提出的融合终端配置能够有效改善光伏并网点的电压合格率、总谐波畸变率,分别平均改善6%和38%。说明了本文系统相比治理前的有效性。

另外,在功率输出方面,应用前后的最大功率输出结果如表3所示。

表3 最大功率输出 kW

治理后的光伏最大功率输出有较大改善,能够在满足出力要求的条件下实现可靠并网。

5 结束语

本文建立了基于台区融合终端的分布式储能光伏并网电能质量分析模型。设计了相应的系统硬件,给出了3种台区融合终端电能治理方案。通过实际应用,说明本文系统通过智能终端的配置和光伏并网箱的配置,能够提升台区并网电能质量水平,解决电压监测、功率监测的问题。