吳蘭旭董中凱宋志春

(遠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、風電、潮汐電站、各類儲能系統(tǒng)(電化學儲能)、大功率充放電設施的廣泛接入,供用電各個領域都面臨能源互聯(lián)網(wǎng)點對點服務帶來電能質量擾動來源多樣、關聯(lián)復雜化等新問題,微電網(wǎng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)重要組成部分,其電能質量的實時控制與調節(jié)是微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的關鍵,文獻[1]提出了微電網(wǎng)電能質量控制過程繁瑣、難度大的解決方法。文獻[2]考慮了能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電能質量服務體系構建思路。面臨電能質量數(shù)據(jù)多元化、服務需求多樣化等需求,文獻[3]提出了一種基于按照用戶需求定制電力解決方案。文獻[4]提出了風光儲微電網(wǎng)電能質量的影響分析,數(shù)據(jù)采集設備靈活多樣、邊緣計算常規(guī)化、開放兼容的電能質量控制系統(tǒng)是未來微電網(wǎng)電能質量控制的方向,文獻[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)定運行,必須具備“協(xié)調參與”和“自我治愈”2項基本功能,參與的分散安裝的清潔能源(光伏、風能等)、可控負荷以及既是電源也是負荷的儲能系統(tǒng)[6],都對電能質量有著自身的要求,如負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、電壓加以嚴格限制[7],否則也會出現(xiàn)內部電能質量事故,通過控制電能質量協(xié)調參與微電網(wǎng)控制是不可或缺的手段[8]。

在微電網(wǎng)運行過程中,并離網(wǎng)供電或結合虛擬電廠參與電力市場交易過程中,供電質量同樣有電能質量指標要求[9];當在運行過程中發(fā)現(xiàn)電能質量問題,影響電力交易或者負荷運行時,實現(xiàn)自我治愈的功能是評估一個微電網(wǎng)可靠性的重要標準[10]。

1 基于邊緣計算的微電網(wǎng)電能質量控制系統(tǒng)實現(xiàn)

1.1 邊緣計算原理與特征概述

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

邊緣計算能力在微電網(wǎng)的運行與控制中,應充分考慮光伏、儲能、充電站、電網(wǎng)等主體的優(yōu)勢互補、高效消納和調度運行效率[14-15]。通過邊緣計算完成微電網(wǎng)發(fā)電量預測和發(fā)行為控制并調節(jié)電能質量實現(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)電能質量控制系統(tǒng)設計

微電網(wǎng)電能質量控制系統(tǒng)架構(見圖1)主要包含光伏逆變器(power conversion system,PCS)、儲能變流器、其他負荷以及電能質量邊緣控制器。其中電能質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 的主要作用是負責數(shù)據(jù)的采集與轉發(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,實現(xiàn)各個儲能PCS、光伏PCS運行策略調節(jié),資源分配等。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System structure diagram

電能質量邊緣控制器的DSP 采樣控制在系統(tǒng)所有公共連接點(point of common coupling,PCC)實時采取國標規(guī)定的6項電能質量指標信息[14],其中暫態(tài)事件要求每周波256個采樣點,穩(wěn)態(tài)記錄信息保存周期為1s,能支撐邊緣計算框架和MCU 進行詳細的電能質量實時分析和控制。

1.3 電能質量邊緣控制器

電能質量邊緣控制器的核心作用是完成微電網(wǎng)電能質量的實時采集、分析、決策和動態(tài)調節(jié),其原理如圖2所示。DSP 采樣控制器負責完成微電網(wǎng)中各PCC節(jié)點數(shù)據(jù)的A/D 采樣和轉換;MCU 分析模塊對采樣數(shù)據(jù)進行初步處理和分類,一方面進行常規(guī)的電壓和頻率判斷,如有偏離按照預設需求生成運行策略調節(jié)光伏PCS或儲能PCS,另一方面將電能質量暫態(tài)事件數(shù)據(jù)和錄波數(shù)據(jù)推送至邊緣計算框架。

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

邊緣計算框架保證了數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡通信及安全機制的實現(xiàn)[17],是電能質量邊緣控制器關鍵組成部分,一方面面向電能質量邊緣計算場景,實現(xiàn)了如實時暫態(tài)分析,支撐微電網(wǎng)電能質量與能量管理的協(xié)同,包括邊云之間的電能質量治理應用協(xié)同、設備資源互動協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同等能力,完整打通電能質量邊緣計算中云、邊、設備協(xié)同的場景,另一方面整合了高性能計算和MemCache(分布式的高速緩存系統(tǒng))實時數(shù)據(jù)存儲資源,內置系統(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。算法與模型具備關聯(lián)屬性,能快速實現(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)電能質量控制關鍵技術方案

2.1 微電網(wǎng)電能質量指標邊緣控制

電能質量邊緣控制流程核心包括微電網(wǎng)電能質量信息采集、指標判斷、邊緣計算(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轉換后的各節(jié)點的基本電能質量數(shù)據(jù)是否偏離基準范圍,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 轉換后的各節(jié)點的綜合電能質量數(shù)據(jù)是否異常,若有異常,邊緣計算模塊基于內置算法模型,結合采樣暫態(tài)事件波形、諧波、三相不平衡指標、實時相位相角等數(shù)據(jù)和微電網(wǎng)開關動作信息,快速確定暫態(tài)事件的干擾來源,并處理得到暫態(tài)事件的診斷結果。處理暫態(tài)事件原則是優(yōu)先分析調節(jié)本地逆變器PCS、儲能變流器PCS運行策略實現(xiàn)實時治理,該種方法可以優(yōu)先利用資源;當本地資源不足時,將邊緣計算結果上傳至云端申請外部采取如隔離、補償、快速切換等資源,此種處理方法能保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行,當外部資源不足以支撐時,最后可以考慮分批切除非重要負荷以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

圖3 電能質量指標邊緣控制流程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/變流器控制是實現(xiàn)微電網(wǎng)電能質量控制的核心保障。如圖4所示,整個控制過程通過數(shù)字信號控制、電平脈沖信號控制、物理保護控制3種。數(shù)字信號控制主要通過數(shù)字信號采集、計算實現(xiàn)監(jiān)視、告警以及非毫秒級的控制調節(jié),數(shù)字信號的采集內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)字信號并計算生成的控制指令,通過DSP產(chǎn)生一系列脈沖調制信號,驅動雙向變流單元工作,使逆變器/變流器并網(wǎng)時具有較高的穩(wěn)態(tài)充放電控制性能;作為微網(wǎng)主電源運行時,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;物理保護控制主要通過例如交流熔斷器、直流熔斷器實現(xiàn)逆變器/變流器的過流、過壓、過溫、短路等保護以實現(xiàn)設備的安全保障。

圖4 電能質量指標控制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)電能質量的邊緣控制對計算能力和響應速度都有較高要求,數(shù)字信號處理系統(tǒng)的選型是關鍵,不僅帶有兼具DSP 和MCU 優(yōu)點的內核,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制器、模數(shù)轉換器、定時器、直接存儲器訪問(direct memory access,DMA)、內部模塊互聯(lián)單元,通信外設,和片內Flash和均方根值存儲器等專用外設模塊。同時,MC56F84789的高分辨率脈寬調制(eFlexPWM)模塊提供了非常靈活的配置功能,是實現(xiàn)微電網(wǎng)電能質量高效控制的關鍵。該eFlexPWM 模塊還能在中心對齊模式下產(chǎn)生非對稱的脈沖調制信號輸出,是實現(xiàn)微電網(wǎng)電能質量的邊緣的實時控制與調節(jié)核心。

3 結論

文章闡述了在傳統(tǒng)電能質量監(jiān)測與微電網(wǎng)能量管理的基礎上,通過軟硬件協(xié)同并優(yōu)化微電網(wǎng)運行控制策略,結合并具備一定的邊緣計算能力的邊緣控制器,將傳統(tǒng)電能質量采集、分析、控制這3個過程就地集成為一體,實現(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)領域電能質量達到可就地監(jiān)測、就地分析、就地控制,在保證微電網(wǎng)電能質量的同時提升了微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行效益。