基于HPLC智能电能表改造的低压分布式光伏调峰方法

樊茂森,高 龙,胡文丽,崔 良,杨嘉良

(国网河北省电力有限公司保定供电分公司,河北 保定 071000)

0 引言

近年来,随着新能源电站装机容量的不断增加,我国能源结构发生着重大改变,从曾经占重要地位的水电、火电模式逐渐向光伏、风力发电等新能源模式倾斜,截至2021年底,全国光伏发电装机容量为3.06亿k W,在可再生能源发电装机总容量中的占比为12.9%[1]。2021年,全国光伏新增装机容量为5 488万k W,在可再生能源新增装机容量中份额占比最大,达到31.1%,其中,光伏电站新增装机容量2 560万k W,分布式光伏新增装机容量2 928万k W[2-3]。

低压分布式光伏相比于集中式光伏有就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的优势,不仅能够高效将光能转换为清洁电能,而且能有效解决电力在升压及长途运输中的损耗问题[47]。随着新能源占比的提高,电网调峰资源越来越紧张,有时仅仅靠集中式光伏电站与风电场不足以应对电网调峰需求。分布式光伏参与电网调峰逐渐成为一个不可绕开的课题[8-10]。然而低压分布式光伏相比于集中式光伏分布范围更广,分布式光伏的控制涉及众多厂家和用户,牵扯到多方利益,调峰管理难度大,急需一个科学的分布式调峰管理方法及功率分配策略,指导各个省公司或地市公司有序推进分布式光伏参与调峰[1113]。

低压分布式光伏参与调峰理论上可通过参与电力现货市场交易和电网调度部门协同管理2种方式实现。目前电力现货市场建设还处于发展阶段,大多数省份还未形成成熟的电力市场交易体系。而分布式光伏分布在电网末端,难以监测、难以控制,成了电网调度部门管理低压分布式光伏的最大障碍[14-17]。基于以上问题,提出基于宽带电力载波(HPLC)智能电能表改造的低压分布式光伏调峰方法,改造后,可实现低压分布式光伏分钟级精度功率的测量,在基本不增加投资的情况下可以控制分布式光伏解网,实现分布式光伏的可测和可控,在尽量避免分布式光伏用户经济损失情况下,充分调用低压分布式调峰资源,为将来低压分布式光伏的发展和管理提供思路[1821]。

1 HPLC智能电能表改造

1.1 总体技术方案

HPLC智能电能表改造方法通过在智能电能表上配置升级,实现分布式光伏电能表数据的分钟级采集。

1.1.1 抄表内实时数据存储为分钟冻结数据

采用电能表本身的周期冻结数据功能一般无法实现分钟级的数据上传。配置升级后,采用实时数据转冻结模式可以解决这个问题,电能表接收到集中器下发的数据抄读指令后,冻结数据,随即进行上传。

1.1.2 定义任务上传优先级

按数据使用量、时效性、重要程度等,对集中器多个任务进行优先级划分,例如按照一级事件、1 min高频采集、日冻结、15 min、小时高频采集、二级事件、三级事件的优先级进行排序,确保分钟级数据可靠上传。

1.1.3 优化配置采集数据项

一般电能表有电流、电压、功率等多个数据项的采集任务。为保证分钟级数据在1 min采集完成,同时确保不影响集中器原抄读数据内容,分钟级采集数据项只可包含光伏有功功率1个数据。

光伏台区电能表经HPLC 改造后,分布式光伏运行数据将具备分钟级采集功能,可以及时掌握分布式光伏出力情况,实现调度系统和营销用电信息采集系统的信息贯通,不仅可以动态监视出力情况,实现控制流信息的传递和远程控制开断,还可以对控制结果进行校验。

1.2 改造后信息流采集及路径

用电信息采集系统对原始分钟级采集报文进行解析入库后,将光伏数据通过Kafka(一种高吞吐量的分布式发布订阅消息系统)机制转发至数据中台进行共享。调控云系统从数据中台Kafka获取光伏高频采样数据,将数据打包成Cim/e(电网通用模型描述)文本,传递给调度控制系统III区代理服务器,III区代理服务器再通过反向隔离装置将数据传递给配网Scada服务器,从而实现调度控制系统对分布式光伏的分钟级高频采集,见图1。

图1 光伏分钟级数据信息流

分布式光伏控制通过调控中心和营销用电信息采集系统对接实现分布式光伏的可观可测可控。控制信号通过调控中心传至营销中心的用电信息采集系统,用电信息采集系统通过台区变压器的集中器控制光伏电能表开断,将控制结果返回给调控中心,见图2。

图2 光伏分钟级数据信息流

对经HPLC智能电能表改造的500户户用低压分布式光伏同时进行测试,命令下发后3 min之内都可正常断开,成功率95%,失败原因主要是营销用电信息采集系统信道繁忙。随着营销用电信息采集系统的优化升级,分布式光伏控制速度会更快。参考火电机组参与调峰响应时间,经HPLC智能电能表改造后的分布式光伏完全可以满足电网调峰需求。

2 基于HPLC智能电能表的调峰控制策略

2.1 调峰下令模型

调峰下令模型中由下令类型、下令模式、地调分配模式三部分组成。调峰下令有按功率下令和按容量下令2种下令类型。2种下令类型有不同的应用场景,基于功率下令可以考虑电网实时运行情况,而基于装机容量下令具有简便高效利于执行的特点,见图3。

图3 分布式光伏调峰下令模型

按功率下令和按容量下令都有按目标值下令和调节量下令2种下令模式。按目标值下令对于控制和监测手段有较高要求,按调节量下令需要考虑到光伏发电量随着光照实时的变化,并考虑下令值的裕度。由于分布式光伏出力变化较快,且分布式光伏信息采集有一定延迟,建议下令不要过于频繁,并考虑裕度。推荐采用按功率调节量下令的方式,可用下式计算下令的功率量

式中:Pxl为下令的功率;Pqe为系统将要超出或缺额的功率;β为综合裕度系数,与天气、数据采集延时、光伏控制成功率等有关。

地调分配模式分为按各县光伏出力分配和按各县容量比例分配2种模式,按容量分配不依赖对低压分布式光伏的出力监测能力,按出力分配较为依赖检测能力。但是分布式光伏控制时按容量分配不能充分考虑到天气的影响,所以推荐采用按出力分配的策略。

2.2 光伏调控优先级策略

原则上按照重要性、有效性进行调峰优先级排序。因为控制合闸HPLC智能电能表,40 kW 以上容量分布式光伏有过热烧坏的风险,所以参考40 k W 光伏容量为限制进行优先级划分。管理流程中可以考虑40 k W 以上光伏在参与调峰前一天通过手动控制分闸。

1级优先:40 kW 以上非自然人光伏用户(非扶贫);2级优先:40 k W 以上自然人光伏用户(非扶贫);3级优先:40 k W 以下光伏用户(非扶贫);4级优先:扶贫光伏。在同一县域重要性相同的光伏总体上采取滚动轮巡控制的策略,根据平台内记录的控分次数,优先安排已控制分闸次数少的户用光伏参与本次调峰,做到均衡控制、保障公平公正。

2.3 弃限电量统计方法

分别在每个县东西南北中5个区域选择基准光伏样板,每个区域选择与该区域整体发电效率相近的光伏样板(每处1~2个台区约10个户用光伏)。利用样板光伏的发电效率代表总体发电效率,光伏样板用来计算弃限电量和增发光伏量[79]。

选择基准光伏,对弃限功率进行积分得到弃限电量,功率估算公式为

式中:P为分布式光伏限电后估算发电功率;P j为分布式光伏区域j估算发电功率;k为样板光伏户数;P j,k为区域j,第k户样板分布式光伏用户的功率;m为被控分布式光伏户数;M k为第k户样板分布式光伏容量;N j,m为区域j,第m户分布式光伏容量。

2.4 分布式光伏控增策略

分布式控增有2种情况,一种是分布式调峰后,全部并网。另一种是调峰下令,增发分布式光伏功率(容量)。

第1种情况可以直接全部控合。第2种情况如果下令值是容量,也可直接控合相应容量分布式光伏。若下令值是功率,则需要利用基准光伏样板进行折算成容量。因为光伏解网后功率为0,光伏控增并知道光伏可调节最大出力情况,所以需要折算成光伏容量来控增。

式中:N为需要控合的分布式光伏容量。

3 实例分析

3.1 下令背景

某日因光伏大发,电力平衡出现紧张,水电、火电、集中式光伏电站可调节手段已经用尽,当日上午11:00省调下令,需要Z 市地调降低分布式光伏出力10 MW,14:00控增5 MW。Z 市分布式光伏资源情况见表1。

表1 Z市分布式光伏出力情况 MW

3.2 下令模型

案例中下令类型为按功率下令,下令模式为下降/恢复功率,地调分配模式为按各县光伏出力分配,分配时按A 县和B县发电功率比例分配的降出力指标分别为6 MW 和24 MW。控制时按照优先级策略来进行控分,见图4。

图4 分布式光伏控制策略下令模型案例

3.3 弃限电量计算

计算A 县的弃限电量步骤为:该县11:00—14:00(共3 h)参与调峰,期间共调控2 MW 功率的光伏,查询光伏台账后得知此次调峰共涉及200户用户,光伏容量总和为5 MW。然后查询该县的样板光伏统计表格,为便于展示,直接用电量进行表示,见表2,也可先算出估算功率,再对其积分得到电量。

表2 A县弃限电量样板装机数据

调峰期间弃限电量为:样板发电量总和/样板装机容量总和×调峰控制光伏容量=780 k Wh/500 k W×5 MW=7 800 k Wh。

3.4 光伏控增计算

14:00地调接到省调命令需要控增5 MW 分布式光伏,查询样板光伏的发电情况,然后折算成容量进行控增。分布式光伏控增样板数据见表3。

表3 Z市14:00分布式光伏控增样板数据

需要并网的光伏容量为:下令调节量/(样板发电功率总和/样板装机容量总和)=5 MW/(250 k W/500 k W)=10 MW。计算得到需要并网的容量为10 MW,然后再根据A、B县容量比例进行分配,A 控增2.5 MW 容量光伏,B控增7.5 MW 容量光伏。

4 结论

本文建立了基于HPLC智能电能表改造的低压分布式光伏调峰控制流程。以重要性、有效性和公平性为指导原则的前提下,提出了结合滚动轮巡控制的低压分布式光伏控制优先级策略。利用样板光伏的发电效率代表总体发电效率来计算弃限电量和增发光伏量。可以在尽量避免分布式光伏用户经济损失情况下充分调用低压分布式调峰资源,为将来低压分布式光伏的发展和管理提供思路。文中所提方法是在光伏大发时利用电能表来进行并离网控制,一是解网后有损客户利益,二是对电能表有一定损伤,将来可在用户端装设专门的柔性控制装备和光伏控制开关来解决问题。