柔性配電網(wǎng)的雙向換流融合設備關鍵技術設計

任帥, 凡遠柱, 盧愷

(安徽南瑞繼遠電網(wǎng)技術有限公司, 安徽, 合肥 230088)

0 引言

國外狀況:根據(jù)歐洲的可再生能源計劃,截至2020年,預計歐盟27個成員國將有約47%的最終能源消耗用于供熱和制冷,其中42%用于住宅領域。這主要是因為大多數(shù)國家和地區(qū)屬于溫帶和寒帶氣候區(qū),因此對衛(wèi)生熱水和采暖的需求較高。這些需求占住宅總能耗的2/3左右[1-2]。

國內(nèi)狀況:我國能源結(jié)構(gòu)體系是以煤為主的,煤炭消費占比70%,能源使用效率低,單位GDP能耗是世界平均水平的2.5倍;此外,設備利用率低:輸電設備<50%,配電設備<30%[3-4]。新能源消納型式以“電”為主。

國內(nèi)外的研究主要集中于能源規(guī)劃模型的計算方法,強調(diào)分布式能源,特別是熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)在區(qū)域能源規(guī)劃的應用以及部分涉及區(qū)域可再生能源補充利用等,并未深入挖掘需求響應和用戶行為的不確定性對系統(tǒng)的多重影響,以及全生命周期內(nèi)設備性能退化對規(guī)劃影響方面的研究[5]。

1 柔性配電網(wǎng)協(xié)同控制架構(gòu)

為克服現(xiàn)有技術缺陷,本文主要研究柔性配電網(wǎng)協(xié)同控制架構(gòu),運行管理和優(yōu)化調(diào)度可由配網(wǎng)二次控制裝置實現(xiàn),協(xié)調(diào)控制需由PCS等變流裝置實現(xiàn)。運行控制系統(tǒng)由二次控制裝置、PCS、電力電子開關等構(gòu)成,以區(qū)域內(nèi)電壓穩(wěn)定、經(jīng)濟運行、可靠工作為目標,可通過區(qū)域間調(diào)度實現(xiàn)區(qū)域間、臺區(qū)間、源荷間的協(xié)調(diào)互動。檢測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 柔性配電網(wǎng)分層分區(qū)控制架構(gòu)示意圖

由圖1可知,本文系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理層、集中協(xié)控層和本地控制層。其中,系統(tǒng)管理層能夠?qū)崿F(xiàn)能量管理與運行控制、工作模式切換、源-網(wǎng)-荷儲協(xié)調(diào)控制(包括投切負荷或電源、電源出力調(diào)節(jié))、啟?？刂?、并/離網(wǎng)控制、單/多端控制。系統(tǒng)管理層主要任務就是實現(xiàn)更大空間尺度和時間尺度的系統(tǒng)級管理,以及為區(qū)域與區(qū)域之間協(xié)調(diào)調(diào)度提供輔助決策,對優(yōu)化調(diào)度層下發(fā)集中協(xié)控、就地自治等工作模式切換指令。運行管理層通過對區(qū)域內(nèi)歷史負荷數(shù)據(jù)分析,同時結(jié)合實時氣象條件,對系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)電單元和用電負荷進行調(diào)度管理[6-7],以實現(xiàn)系統(tǒng)級的可靠運行、經(jīng)濟運行和安全運行。

集中協(xié)控層主要包括配電網(wǎng)運行方式和變流設備(PCS)控制模式切換。優(yōu)化調(diào)度層的主要任務就是根據(jù)系統(tǒng)管理層的運行目標和協(xié)調(diào)控制層的上報狀態(tài),選擇最優(yōu)系統(tǒng)運行方式、變流設備控制模式進行快速切換,確定并下發(fā)各本地設備的控制指令,調(diào)整各本地設備的工作模式和控制指令,同時將各本地變流設備的實時狀態(tài)匯總并進行分析預判。優(yōu)化調(diào)度層側(cè)重于對各本地變流設備進行協(xié)調(diào)控制,當電網(wǎng)出現(xiàn)擾動或負荷需要支援時,優(yōu)化調(diào)度層向各本地變流設備下發(fā)控制指令,提供支撐功率或者穩(wěn)定交/直側(cè)電壓[8]。

本地控制層能夠協(xié)調(diào)控制層解析和具體執(zhí)行優(yōu)化調(diào)度層下發(fā)給各PCS的控制策略,并執(zhí)行優(yōu)化調(diào)度層下達的有功指令或電壓指令。各PCS的控制策略主要包括實現(xiàn)變流設備的恒電壓控制(Udc)、恒交流電壓控制(Uac)、恒有功及無功功率控制(PQ)、限功率運行等控制策略[9],協(xié)調(diào)控制層同時需上報各設備的運行狀態(tài)。

2 雙向換流器拓撲結(jié)構(gòu)及協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法

本文系統(tǒng)適用于模塊化的DC/DC雙向換流器和 AC/DC雙向換流器的主電路拓撲結(jié)構(gòu),建立雙向換流器數(shù)學模型,研究各雙向換流器的控制策略,實現(xiàn)換流設備的恒電壓控制(Udc)、恒交流電壓控制(Uac)、恒有功及無功功率控制(PQ)、限功率運行等控制策略[10]。

GPIB檢測技術如圖2所示。在協(xié)調(diào)控制中, GPIB檢測結(jié)構(gòu)作為自動檢測的關鍵技術,該結(jié)構(gòu)符合IEEE488標準的總線連接方式,能夠以較高速率檢測設備信息。在GPIB檢測過程中遵循的原理如圖3所示。

圖2 GPIB檢測技術框圖

圖3 GPIB檢測原理圖

GPIB檢測需要220 V交流電源,通過整流橋?qū)⒔涣麟妷鹤儞Q為直流電,為后續(xù)信號調(diào)制作準備,通過交變轉(zhuǎn)換將直流電信號轉(zhuǎn)化為所需檢測信號,以此完成能源控制器的狀態(tài)顯示。

3 能效可視化技術

最小生成樹的經(jīng)典算法有Prim算法和Kruskal算法2種,本文采用Prim算法,該算法能夠?qū)崿F(xiàn)多種不同數(shù)據(jù)節(jié)點或者數(shù)據(jù)信息的采集與交互。

3D-MST輸入:加權(quán)連通圖G(V,E);輸出:模型3D-MST=MST(Vnew,Enew)。BEJIN1) Vnew={vi},Enew=?2) While V-Vnew≠? do3) 在V-Vnew中選擇一個vj使得Vnew中頂點vi的權(quán)值最小的邊Eij4) Vnew←Vnew∪{vj},Enew←Enew∪{Eij}5) return MST(Vnew,Enew)END

通過生成最小生成樹,能夠?qū)崿F(xiàn)算法模型局部和整體優(yōu)化。像素的輸出值主要取決于鄰域像素值的加權(quán)值,計算公式為

(1)

距離濾波系數(shù)的表達式為

(2)

式(2)中,W(i,j)表示模型上vi、vj兩點之間的距離,σd表示空間幾何距離的標準差。

特征濾波系數(shù)的表達式為

(3)

式(3)中,Ti、Tj表示頂點vi、vj的體積,σr表示體積特征的標準差。

權(quán)重系數(shù)w=d×r可以寫成:

(4)

濾波后的特征為

(5)

式(5)中,ni表示頂點vi一環(huán)鄰域的頂點數(shù)目。

4 試驗結(jié)果與分析

區(qū)域能源系統(tǒng)設置區(qū)域能源站,配備集中供能系統(tǒng)的城市輸配設施和大型分布式能源生產(chǎn)設施,包括220 kV/110 kV變電站、次高壓/中壓調(diào)壓站、集中供熱設施、大型分布式發(fā)電設施等,接收、轉(zhuǎn)輸、轉(zhuǎn)換外部輸入清潔能源,為下級能源系統(tǒng)供應高溫熱水、冷凍水、10 kV電力及中壓燃氣。參數(shù)配置如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)與配置軟件

本文以企業(yè)級智慧能源運行管控系統(tǒng)運行作為試驗分析依據(jù),試驗架構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 試驗架構(gòu)示意圖

在應用時從系統(tǒng)中采集到的區(qū)域能源系統(tǒng)分區(qū)規(guī)劃圖如圖5所示。

圖5 采集的區(qū)域能源系統(tǒng)分區(qū)規(guī)劃圖

為了驗證本文系統(tǒng)的可行性,將本文方法與文獻[3]方法和文獻[4]方法進行比較分析,假設控制區(qū)域為圖5中的區(qū)域,以控制準確率為比較指標,得到的誤差對示意圖如圖6所示。

圖6 準確率比較示意圖

由圖6可知,在剛開始階段,3種方法控制的準確率都不高,但本文方法的準確率隨著時間的逐步延長越來越高,文獻[3]和文獻[4]方法的準確率雖然不分上下,但比起本文方法明顯低很多。采用本研究方法控制過程中,準確率逐步提高,直到運行穩(wěn)定后,準確率幾乎達到100%,說明本文方法控制準確率比較高。

進行可視化分析時,在圖4的應用層中獲取的可視化圖像如圖7所示。

圖7 可視化示意圖

通過可視化監(jiān)控,本文通過能源可視化實現(xiàn)用戶側(cè)供用能全景監(jiān)控、源荷預測、優(yōu)化調(diào)度、需求響應和能效分析等。可視化與常規(guī)的遠程視頻監(jiān)控在監(jiān)測靈敏度上的對比示意圖如圖8所示。

圖8 檢測結(jié)構(gòu)靈敏度分析

由圖8可知,可視化監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度呈現(xiàn)上升趨勢。當設備數(shù)量從0增加到50時,靈敏度增速達到2.8;當設備數(shù)量從50增加到103時,檢測靈敏度穩(wěn)定在140 dBm;在設備數(shù)量達到103臺時達到了最大值,為148 dBm。常規(guī)的遠程視頻監(jiān)控方法靈敏度增加較為平緩,最高達到125 dBm,明顯低于本文方法。

5 總結(jié)

本文以智慧園區(qū)多能綜合利用技術為背景,設計了研究柔性配電網(wǎng)的雙向換流融合。實現(xiàn)了電、冷、熱的高效生產(chǎn)、靈活控制以及可視化智能利用,達到了電、熱、冷多能協(xié)同運行、源網(wǎng)荷儲動態(tài)平衡的目標,整體上提高了終端能源的使用效率,降低了能源生產(chǎn)成本,減少了全社會碳排放量。