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智慧微網 ——分布式能源系統級解決方案

隨著能源互聯網的興起,世界能源形勢正呈現低碳化、數字化和去中心化趨勢,分布式能源系統如光伏、風電受地理條件、天氣環境和設備特性等諸多隨機性因素的影響,其發電功率及發電量難以預測,從而使得電力系統調節能力不斷下降、抗擾能力不斷減弱且穩定風險不斷增加。由此,分布式能源的系統級解決方案——“智慧微網”應運而生。

在智能微網領域,特變電工以系列化多端口電能路由器為技術引領核心,以能量管理系統、模塊化儲能系統兩大關鍵產品為新業態市場驅動,針對工商業園區、數據中心、海島和無電地區等多應用場景,提供交流、直流和交直流混合等多技術場景以及需求響應、調度響應、孤島運行和低碳運行等多運行場景解決方案,形成了全生態鏈的智能微網解決方案。

圖1 智慧型微網四維度目標

特變電工智慧微網解決方案是基于能量轉換設備、監控保護裝置,由智能的能量管理系統通過優化協調分布式電源系統、儲能系統和需求側等促進可再生能源就近消納,實現系統最優、局域自治的系統級解決方案。如圖1所示,智慧微網可實現“經濟、技術、能源、環境”4個維度的多目標優化,處理系統運行成本優化與不同利益體之間的經濟沖突及“源─網─荷─儲”的能量流優化與功率協調,并且可處理一次能源的協調配置、二次能源的優化運行以及能源與環境矛盾沖突,實現能源與環境之間的優化協調。

智慧微網關鍵設備

1. 微網能管系統TEMSμ

特變電工秉承“微電網即服務”的理念,自主研發模塊化、定制化能量管理系統TEMSμ(如圖2所示),滿足不同客戶需求。

圖2? TEMSμ主界面圖

TEMSμ具備如下特點:

1)全景感知,精準預知。①實時采集與在線監視(分辨率1 s);②多算法自校正、混合模型多時間尺度發用電預測(24 h/4 h/15 min,準確度>80%)。

2)智能管理,精確控制。①多時間尺度智能調度(24 h/5 min);②多目標在線實時尋優(節能>5%);③多模式頻率電壓自適應調節(調頻誤差≤±0.05 Hz,調壓誤差≤3%)。

3)模塊軟件,定制服務。①需求響應、調度響應、孤島及低碳多運行模式定制;②分時電價管理、需量電費管理、輔助服務獎勵以及柴油替代多盈利模式服務。

TEMSμ集成了“兩大智能化軟件+兩大數字化平臺”,即功率預測軟件、優化調度軟件、SCADA系統以及云平臺。TEMSμ功率預測軟件使用粒子群優化SVM建立功率預測模型,支持微網中光伏發電、負荷功率預測。采用未來0~24 h短期預測與未來0~4 h滾動超短期預測相結合的預測技術,提升功率預測精度。時間分辨率15 min,預測精度>80%。光伏、負荷預測及其實時監測曲線如圖3所示。

圖3 光伏、負荷預測及其實時監測曲線

TEMSμ優化調度軟件按照“應用─決策─執行”的架構模塊化、定制化設計,如圖4所示。優化調度劃分為日前及實時優化調度,其中日前優化調度應用分段線性化的處理方法,使用混合整數線性規劃模型求解,提高計算的準確性和快速性。實時優化調度啟發式算法,基于包絡線原理對儲能進行模糊控制,快速完成調度計劃的控制實現。優化調度結合源荷功率預測,進行多時間尺度源荷儲能量管理與優化調度,從而實現經濟優化運行,提升微電網經濟效益。并且TEMSμ具備安全校核功能,可實現實時調度方案的潮流校驗等功能,保證微電網的安全性。

圖4 優化調度架構設計

TEMSμSCADA軟件平臺具備數據圖表和報表分析功能,可直觀地讓客戶了解系統運行情況,提升客戶滿意度。它集成了云平臺以及手機APP的大數據分析和跨平臺智能運維功能。云端智慧能源管理平臺通過物聯網、云計算及人工智能算法等實現以下功能:

1) 集團化運維:支持集團、區域和電站的多級運維管理,實現資源共享、優勢互補,從而節約成本、提高效率。

2) 全生態鏈管理:將電站涉及到的所有建設單位、設計單位、施工單位、設備生產商、設備供應商和運營單位納入管理體系,客觀公正地評價其產品和服務,促進各參與方的產品改進和服務提升。

3) 全生命周期管理:關注電站的整個生命周期,從規劃階段、建設階段再到運營階段,提供全方位的管理服務。

2. 電能路由器路由

電能路由器是交直流混合微電網的核心設備,以先進電能變換裝置為核心,集成了現代通信技術、電力電子變換技術、現代控制技術以及人工智能等技術,實現局域電網的能量智能路由、分布式能源的高效利用的一二次融合電力設備。其主要特點有:重量輕、體積小且無污染;實現多種形式電能變換與接口匹配——交/直流適配,高/低壓適配;實現電能質量隔離與補償——一二次側無功、諧波獨立且動態可調,輸出電壓穩定可控且與負載獨立;實現潮流多向,具備快速保護功能。

圖5? 特變電工電能路由器成套設備

特變電工電能路由器產品通過了科技成果鑒定,獲得“居于國際領先水平”的最高評價,圖5所示為特變電工研制的10 kV/1 MV·A電能路由器產品,整機采用6 m標準集裝箱式設計,最高效率高達98.2%,交流側可實現10 kV中壓直接并網,低壓側可構造800 V直流母線。

特變電工經過不斷研究和開發,突破了很多世界級技術難題,其中一項關鍵技術為模塊化低壓側并聯高壓側串聯拓撲結構及其均壓均流技術。電能路由器整機采用模塊化級聯技術,該方案具備模塊化、標準化設計,容量易擴展,方便維護等優點;同時系統采用高壓側模塊化串聯技術,具備多電平波形輸出能力,諧波含量低,無需大量濾波裝置,可節約成本和體積。另一方面,通過模塊的在線智能冗余技術可保證系統在不停機的狀態下,故障模塊自動在線切除,大大提高了系統的可靠性。

另一項關鍵技術是雙有源橋電路移相控制+占空比調制的多自由度軟開關技術。從根本上解決了雙有源橋電路輕載效率較低、峰值電流大及控制性能較差等技術難題。實現整機最大效率高達98.2%,輕載效率高于96%,中國效率達到97.4%,從而可以大大提高系統效率,減少微電網的投資回報周期。

此外,電能路由器采用特變電工自主研發的通用控制器,采用雙DSP+FPGA多核處理器、分層分級控制架構、多環多自由度協調控制策略、快速準確故障檢測方法以及友好人機交互界面,進而實現電能路由器的智能優化控制。

3. 儲能系統

電力系統儲能的本質是解決電源與負荷的功率/電量不平衡問題,主要有以下三種盈利模式:

1)發電側儲能:主要有“火電機組+儲能”聯合調頻和“光伏+儲能”兩種商業模式,其盈利點主要來自于提升火電機組Kp值獲得補償收益、解決棄光獲得電價收益。

2)用戶側儲能:工商業園區儲能、孤島及偏遠地區儲能兩種商業模式,其盈利點主要來自于峰谷電價差套利、需量電費管理、動態擴容、需求響應、提高新能源自用率以及替代柴油發電機等。

3)電網側儲能:電網調峰調頻。

特變電工提供“儲能電池+三級架構BMS+虛擬同步機PCS+集裝箱=整套集裝箱式儲能系統柔性解決方案”,如圖6所示。該解決方案可提供穩定性及經濟性兩方面的需求,穩定性方面可提供調頻支撐、慣量響應,提高高滲透率光伏系統穩定性,具備離并網穩定切換功能,提高供電可靠性,降低停電成本;經濟性方面,采用“削峰填谷+需求響應”技術賺取峰谷電價差、削減尖峰功率降低微網系統基準容量進而節省電度電費及容量電費,提升系統經濟性。

圖6 特變電工儲能系統解決方案

其中,PCS采用特變電工自主研發的具備虛擬同步機技術的儲能變流器,具備一次調頻、慣量響應等特性,可多機并聯,實現離/并網無縫切換,最大轉換效率≥98.5%,集成多種充放電模式,適配多種主流電池系統。

智慧微網解決方案

特變電工秉承“微網即服務”的理念,提供“規劃─設計─產品─施工─運維”的全生命周期微網服務。

規劃設計方面,特變電工提供資源評估、負荷測評、容量配置、網架設計、穩定性分析和經濟測算等多維度、多指標及多閉環的整套方案,真切地為客戶多角度規避投資風險、全方位提升經濟效益,規劃設計基本流程如圖7所示。

圖7 規劃設計流程

通過快速安裝部署無線數據采集裝置,建立項目數據庫,進行項目源荷數據透視化,從而對項目所在點進行能耗分析、負荷評測和資源評估。通過多時間尺度、多平臺仿真工具進行微網運行策略設計,多種能源、多種儲能的容量優化配置,實現技術型閉環規劃設計。通過主設備選型設計與經濟模型搭建,進行經濟指標等測算與可靠性指標等綜合指標評價,實現經濟型閉環規劃設計。

圖7規劃設計流程圖8工業園區交流微電網解決方案基于以上規劃設計及服務,特變電工提供“1+2+X”的全生態鏈解決方案,為客戶提供多場景、多產品定制化服務。其中“1”核——系列化多端口電能路由器TEER;“2”驅——能量管理系統TEMSμ、儲能系統TBESS;“X”場景——工商業園區、數據中心、海島和無電地區等多應用場景;交流、直流和交直流混合等多技術場景;需求響應、調度響應、孤島運行和低碳運行的多運行場景。

圖8 工業園區交流微電網解決方案

1.工業園區交流微電網解決方案

特變電工提供三層、雙端微網能量管理系統(TEMSμ)交流微網解決方案,如圖8所示。通過經濟優化調度實現“基礎+電度”雙重降費,經濟綠色雙贏,降低園區綜合用電成本;通過智能控制實現離并網穩定切換,提高供電可靠性,降低停電成本。同時,該解決方案可為電網提供調峰、調頻等輔助服務,提升系統收益。

2. 交直流混合微電網解決方案

“網─源─荷─儲”由電能路由器統一接入,替代傳統逆變器、儲能變流器、網關接口柜和中央控制器,采用交直流雙路供電,具備并離網切換功能,供電可靠性高。如圖9所示,此外該解決方案中電能路由器高度集成了一、二次設圖9交直流混合微電網解決方案備,減少電能變換環節,降低損耗(最大降低5.0%,平均2.5%),提升系統效率;提高設備利用率,減少電纜使用,降低初期投資成本。由于系統高度集成,可大大縮短施工周期。據有效數據測算,該交直流混合微電網解決方案相對于傳統交流微網解決方案IRR可提升1%。

圖9? 交直流混合微電網解決方案

智慧微網解決方案工程應用

特變電工西安電氣科技有限公司是特變電工旗下專注于光伏發電、電能質量治理和智能微電網等核心裝備研制及提供核心技術解決方案的高新技術企業,主要產品有光伏逆變器、高壓靜止無功發生器、智能微網產品及智慧能源管理平臺,并以電力電子技術為支撐,致力于清潔能源發電、智能配電和靈活用電全生態鏈的能源互聯網技術探索,加快引領能源行業技術進步,驅動能源技術革新。

特變電工以自己的智能微網關鍵設備為基礎,為客戶提供多場景、多產品定制化服務,并成功在實際項目中應用。

1. 特變電工西安產業園微網示范工程

該示范工程依托于國家高技術研究發展計劃(863計劃)“光伏微電網雙向變流器研制及關鍵技術研究”項目,建設2 MW源網荷儲協調的微電網工程。其中,光伏組件配置2 MWp,儲能配置1 MW/1 MW·h鋰電池,充電樁配置960 kW,采用工業園區交流微電網解決方案,已于2018年底正式投入運行。

該示范工程盈利模式主要有三種:①降低系統容量,減少基本電費;②提升光伏自發自用電量,減少園區電度電費;降低光伏余電上網電量,提升光伏發電收益;③削峰填谷,減少園區電度電費。據統計,該微網可使得園區綜合用電成本下降30%,其中降低基礎容量圖10特變電工西安產業園微網示范工程功率分配電價/元優化后負荷/kW光伏出力/kW儲能原負荷/kW廣義負荷/kW 10%,減少基礎電費6%,由于峰谷電價差減少電度電費6.5%,由于提升光伏自發自用比例12%而節約電費15%,用能精細化管理方面節約電費2.5%。圖10所示為園區微網實際采集的用電功率曲線。

圖10 特變電工西安產業園微網示范工程功率分配

2. 珠海直流微網

該工程是能源局“互聯網+”智慧能源重點項目,全世界規模最大的多端交直流混合柔性配網工程,利用直流變壓器承接±10kV電網,構建低壓±110 V和±375 V直流網絡。珠海直流微網工程如圖11所示。

圖11? 珠海直流微網工程

3. 東莞交直流混合微電網

該工程依托國家重點研發計劃,旨在實現更高效的智能微電網構架,實現可再生能源的有效消納。四個端口覆蓋高低壓,交直流,可以實現不同形式能量的高效傳遞,可廣泛應用于工業園區、校園和數據中心等應用場景。

結束語

在產品及運維方面,特變電工基于自主開發的微網能量管理系統、中央控制器及運維云平臺等核心產品,構建全生態鏈微網能量管理及運維系統。該系統基于機器學習、人工智能等技術,采用多時間尺度功率預測和多目標優化調度算法,基于大數據、云計算等技術,構建開放性、分布式和人性化的軟件平臺,可提供需求響應、調度響應、孤島運行和低碳運行等多種運行模式,滿足不同客戶個性化需求,保障微電網安全、穩定和經濟運行。

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