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光储直柔配电系统浅析
文/司雨

新能源发展下对配电调控模式的新需求

电力系统是一个超大规模的非线性时变能量平衡系统。传统电网是用一个精准实时可控的传统发电系统,去匹配一个基本可测的用电系统,并在实际运行过程中滚动调节,可以实现电力系统安全可靠运行。但是新能源大规模接入从根本上改变了“源随荷动”的运行模式。在新能源高占比电力系统中,因新能源随机性、波动性影响巨大,“天热无风”“云来无光”,发电出力无法按需实时控制。在用电侧大量分布式新能源接入以后,用电负荷预测准确性也大幅下降。这意味着,无论是发电侧还是用户侧都不可实时精准控制,传统的技术手段和生产模式已无法适应高占比新能源电网的运行需求,因此需求侧负荷的可调节能力显得十分重要。

“光储直柔”这种新型配电方式,既连接了分布式电源,又连接了柔性(弹性)负荷,是实现需求响应的最佳载体。此外,光伏的发电峰值跟公建用电负荷峰值在日分布和季度分布上均有一定的同步性,“光储直柔”也成为实现分布式发电和负荷就地平衡的最佳技术手段。通过“光储直柔”能够最大限度调动负荷的可调节能力,实现建筑园区中分布式电源与负荷的互动,甚至将园区中灵活可调的资源聚集起来,参与电力辅助服务,促进电网从“源随荷动”向“源荷互动”转变。

典型的光储直柔配电系统

典型的光储直柔配电系统如下图所示:

在该系统中“光”指的是建筑屋顶光伏发电,通过DC/DC(直流到直流的变流器)接入375 V直流母线。“储”则是指由直流母线通过DC/DC连接的、布置于一处或多处的蓄电池组,以及由这条直流母线连接的布置在邻近停车场的若干个充电桩,通过这些充电桩为停车场电动汽车蓄电池充/放电。“直”是指实现直流供电,包括动力和充电设备的375 V直流,以及通过DC/DC变换得到的供小功率电器使用的48 V直流分支。375 V直流母线通过AC/DC(交流到直流变流器)与交流380 V的外电网连接,从外电网输入电量以满足建筑的用电需求。“柔”是指这一系统对电网来说,不是供电量必须等于此时负载侧消耗电量的刚性负载,而是从电网的取电量可以根据电网的供需关系在较大范围内调节。从电网侧看,这一用电系统成为电网的柔性负载。

柔性的实现主要通过各用电设备的“需求侧响应”实现,各设备可以根据电网的供需关系自动改变其瞬时用电功率——包括各蓄电池的“需求侧响应”,系统内所连接的蓄电池和电动汽车蓄电池可以根据电网的供需状况调节充电/放电功率——从而改变AC/DC处从外电网进入系统的电功率。所以光储直柔配电系统的最终目标是使建筑用电系统由目前的刚性负载变为柔性负载,可以根据电力系统的供需关系随时调整用电功率,而不取决于当时系统内各用电设备的用电功率。

光储直柔配电系统的调控原理

仍以上图为例,我们增加一些标注来帮助理解。其中①代表与交流外网的接口AC/DC;②代表与光伏电池的接口DC/DCP;③代表与蓄电池的接口DC/DCB;④代表与其他用电终端的接口DC/DCT;⑤代表与电动汽车的接口DC/DCc光。这些接口都是带有可编程控制器的智能变流器,下面讨论整个系统的调控逻辑。

电力系统根据电网的电力供需关系,要求光储直柔配电系统某时刻的用电功率为P0,此时AC/DC可恒定输出功率P0,直流母线输入功率为P0+PV,其中Pv为光伏发电的输入功率。由于各用电设备和蓄电装置的功率随直流母线电压的变化而自行变化,所以当包括蓄电池和充电桩在内的各用电设备的总功率等于P0+PV时,如果直流母线电压处于要求的上限电压Vmax和下限电压Vmin之间,系统则维持平衡。当某用电设备试图增大功率,使总功率高于P0+PV时,直流母线电压下降,此时各用电设备将自动根据电压下降程度减小自身用电功率,蓄电池、充电桩也根据电压下降程度减小充电电流,甚至转换为通过放电向系统提供部分功率。这样,随着直流母线电压的下降,系统从外电网的取电功率不断下降,最终重新平衡到P0+PV。反之,如果各用电设备试图降低功率,从而使总功率低于P0+PV,母线电压就会升高,各用电设备就会根据电压的升高自动加大自身的用电功率,蓄电池、充电桩也会自动增大充电功率,这样,从外网取电的功率就会重新平衡在P0上。

当外电网和光伏发电的供电功率P0+PV过大,而各用电设备和充电装置功率过小时,直流母线电压达到允许的上限Vmax,此时就要通过AC/DC减小从外电网引入的电功率P0和调节光伏发电的DC/DC,通过部分“弃光”使母线电压稳定在Vmax;而当外电网和光伏发电的供电功率过小,小于当时各用电设备的总功率,而各蓄电装置也已经无电可放时,AC/DC将加大供电功率,使直流母线电压维持在Vmin,以保证基本的用电需求。在这两种情形下,系统从外电网的取电功率会出现小于或大于要求的用电功率P0的现象,此时光储直柔配电系统就不能实现严格按照要求的取电功率从外电网取电。是否会出现这种工况取决于系统内各用电设备功率的可调节能力,也取决于系统设置的蓄电池和当时所连接的电动汽车的蓄电池容量。

光储直柔配电系统下的柔性负载分类

在该配电系统的调控模式下可将建筑内用电电器按照调节性能和调节方式分为三类:平移延时型、变功率型、可切断型。

平移延时型设备既包括蓄热水箱、空调冰/水蓄冷系统、冰箱、冷柜、洗衣机、排污泵等,又自身带有蓄电池的可充电电子电器设备。使用AI技术通过学习直流母线一天内的电压变化规律,识别出一天内需要多用电和尽可能避免用电的时间段;通过学习设备自身的运行规律,得到其需要的连续运行时长及开停时间比。根据这些信息即可制定一天内的优化运行规划,避开在电力紧缺时段运行,尽可能将设备自行调整到在电力过剩时段用电。

变功率型设备包括可通过变频或其他方式进行功率调节的用电设备,如分体空调机、多联机式空调机、风机、水泵、变频扶梯、电梯等。这些设备自身都带有控制调节装置,可通过变频或其他方式改变用电功率。在光储直柔配电系统中,可测量直流母线电压,根据电压高低决定运行功率的修正系数。直流母线电压高,则修正系数就高,可以增大用电功率10%;当直流母线电压低时,修正系数就低,也就是降低转速或通过其他手段降低实际的用电功率。

可切断型负载则在母线电压降低到预设值后切断,以降低系统用电功率。

上面对控制策略的描述仅仅是简单的原则和原理,每个产品的控制策略细节都与产品本身的调节特点有关,需要生产企业单独研究开发,其性能的差别又可以成为同类产品的竞争点。好的调控策略既不影响产品本身的功能与使用效果,又具备较大的灵活调节用电功率的性能,从而可以增大系统柔性或者在同样的系统柔性下减少对蓄电池容量的需求。

以上内容仅对光储直柔配电系统的典型模型进行了简单解析,帮助大家了解柔性负载的类型和作用。事实上对于一座大型建筑,可以分成若干个光储直柔单元,这些单元间互联互通、相互协调,使各自的储能能力和调节能力得到充分利用。而一片区域的多座建筑之间也可以分别建成光储直柔的微网进而联通。光储直柔配电将建筑业、建筑配电、电力系统以及终端产品等专业相互融合。同时,通过相互渗透而产生出的新行业,也在双碳的背景下得到了快速发展,从格力的“光储空”到华为的安托山光储直柔园区,都显示出其逐渐扩大的影响力,这既是挑战也是机遇。

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