隨著化石能源的枯竭和環(huán)境不斷變化,我國分布式光伏發(fā)電體系已經(jīng)建立,目前主要通過國家補貼方式來維持運作,實現(xiàn)與國家電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電、光伏個體自發(fā)自用和余電上網(wǎng)的運營模式。國家發(fā)改委、財政部、能源局三部門在2018年5月31日聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于2018年光伏發(fā)電有關(guān)事項的通知》(下面簡稱“新政”)。新政通過嚴控光伏新建規(guī)模、下調(diào)補貼等舉措,給近年來高速發(fā)展的光伏行業(yè)“降速”。
新政為光伏能源的發(fā)展指明了方向:鼓勵光伏發(fā)電與用戶的直接電力交易,有效降低交易費用,繼續(xù)推進新能源、微電網(wǎng)等有利于分布式光伏發(fā)展的新業(yè)態(tài)和新模式,促進光伏產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。
目前,分布式光伏發(fā)電主要服務(wù)于戶用或工業(yè)廠房,每個個體本質(zhì)上都是一座小型電站,與傳統(tǒng)的光伏電站建設(shè)相比,在資金的投入和維護成本上都要低很多。但是目前普遍采用的并網(wǎng)方式是由國家電網(wǎng)來完成電力輸送的任務(wù),輸電的主體由中間節(jié)點來控制,不能實時地計算輸電路由和及時進行電量調(diào)配,不能控制電力傳輸距離,傳輸損耗也大。
“能源互聯(lián)網(wǎng)”概念是2011年由美國著名學(xué)者杰里米?里夫金在其著作《第三次工業(yè)革命》中首次提出的,未來的能源體系是可再生能源+互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的能源共享網(wǎng)絡(luò)。能源互聯(lián)網(wǎng)在能源接入、能源控制和能源傳輸?shù)确矫婷媾R諸多問題和挑戰(zhàn),但互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為能源互聯(lián)網(wǎng)指明了技術(shù)方向,因此,借鑒互聯(lián)網(wǎng)路由設(shè)計理念來打下能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),通過設(shè)計各級別的“能源路由器(Energy Router, ER)”來對電力能源和數(shù)據(jù)進行調(diào)度及其控制,已成為目前業(yè)界可行的設(shè)計方案。
1.1 分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已趨于成熟,其本質(zhì)是實現(xiàn)不同地域的信息和資源共享。提出能源互聯(lián)網(wǎng)的初衷在于實現(xiàn)能源的高效傳輸、共享和利用,為經(jīng)濟社會發(fā)展提供堅實的能源基礎(chǔ)設(shè)施。因此,互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展模式對分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有參考意義。
分布式光伏電力能源在每時每刻的發(fā)電量和電能質(zhì)量都會存在變化。每節(jié)點的用戶實際對電能需求不一樣,在設(shè)計時會優(yōu)先考慮發(fā)電的自用,然后才會對多余的電進行傳輸和轉(zhuǎn)換[9],所以需要通過構(gòu)建能源路由器來實現(xiàn)節(jié)點發(fā)電、用電、余電的監(jiān)測、調(diào)配和傳輸。分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)總體拓撲如圖1所示。
圖1 分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)總體拓撲圖
分布式光伏能源使用太陽能來進行發(fā)電,各節(jié)點被連接在能源路由器上,在多個能源路由器之間進行互聯(lián),以構(gòu)成區(qū)域輸電網(wǎng)絡(luò),而區(qū)域輸電網(wǎng)絡(luò)再與能源廣域網(wǎng)進行互聯(lián),在云端能源廣域網(wǎng)可以對電網(wǎng)群進行電力數(shù)據(jù)的監(jiān)測和管理分配,輸電控制由能源路由器進行轉(zhuǎn)發(fā),路由也由能源路由器建立,通過移動終端讓用戶通過移動網(wǎng)絡(luò)與能源運算中心進行交互,實時獲取數(shù)據(jù),也可以將交互信息發(fā)送到能源運算中心。
1)能源廣域網(wǎng)。主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器群、數(shù)據(jù)存儲區(qū)、能源運算中心、服務(wù)器、廣域網(wǎng)能源路由器群等構(gòu)成。通信服務(wù)器接收各節(jié)點信息并發(fā)往數(shù)據(jù)中心,運算中心負責(zé)將接收的指令進行分析、判斷、篩選并向下發(fā)送指令,數(shù)據(jù)存儲區(qū)存儲發(fā)電數(shù)據(jù)供用戶查詢,數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負責(zé)與能源運算中心進行信息交互,生成動態(tài)的實時數(shù)據(jù)。
2)分布式光伏電網(wǎng)群。即戶用、工業(yè)分布式能源節(jié)點,由現(xiàn)有房屋、光伏發(fā)電板、蓄電池和能源路由模塊所構(gòu)成的光伏房屋電網(wǎng)群,光伏所發(fā)電存至儲能設(shè)備,能源路由模塊負責(zé)監(jiān)測實時發(fā)電、用電、余電,將數(shù)據(jù)發(fā)至云端并控制各節(jié)點輸電線路開關(guān),建立輸電路由進行電力能源轉(zhuǎn)發(fā)。
1.2 能源路由器設(shè)計
光伏發(fā)電組件、用電負載設(shè)備、逆變器等均被接入能源路由器中,能源路由器可以服務(wù)單節(jié)點,也可以服務(wù)于多節(jié)點,與區(qū)域中其他能源路由器通過線路進行互聯(lián),構(gòu)成區(qū)域局域網(wǎng)絡(luò),每個節(jié)點均有發(fā)電和用電監(jiān)測傳感器,若節(jié)點用電自給自足,即節(jié)點發(fā)電大于負載用電,則電量富余;若節(jié)點發(fā)電小于負載用電,則缺電,需要電力富余的節(jié)點輸電補充。只有當(dāng)節(jié)點電量有富余時,能源路由器才將余電輸送至其他缺電節(jié)點。多節(jié)點能源路由器的仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。
圖2 多節(jié)點能源路由器的仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖2中顯示的是4節(jié)點能源路由器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,外部連接光伏組件、負載、通信網(wǎng)絡(luò),內(nèi)部主要由網(wǎng)絡(luò)模塊、主控模塊、電路控制模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、供電模塊構(gòu)成,詳述如下。
表1 能源路由器控制部分的指令集設(shè)計示例
1.3 電力流向控制(略)
通過基爾霍夫定律施行高低壓電流導(dǎo)向傳輸方案,當(dāng)存在富余電量和缺電時,余電可按需多向傳輸,保持就地給電、取電的動態(tài)平衡。
1.4 能源路由表的構(gòu)建及路徑選擇
迪杰斯特拉(Dijkstra)算法主要用來解決最短路徑的問題,通過按路徑長度遞增的次序產(chǎn)生最短路徑。最短路徑計算公式為D[j]=Min{D[i]|vi∈V} (4)
式中,引入一個輔助向量D,它的每個分量D[i]表示當(dāng)前找到的從始點v到每個終點vi的最短路徑的長度。它的初態(tài)為:若從v到vi有弧,則D[i]為弧上的權(quán)值;否則置D[i]為∞。
1)能源路由表的構(gòu)建方法
能源路由器使用Dijkstra最短路徑算法來計算當(dāng)前節(jié)點到其他各節(jié)點間最短路徑,以便實現(xiàn)近距離的電力輸送,提高輸電效率。能源路由表的構(gòu)建方法如下:
能源路由表的構(gòu)建示例見表2。如表2所示,節(jié)點標(biāo)志字段分為以下兩種類型。
表2 能源路由表的構(gòu)建示例
2)能源路由表的路徑選擇
能源路由器通過節(jié)點生成能源路由表,從而明確了網(wǎng)絡(luò)中路由器的位置以及它們之間的鏈接關(guān)系。在路由表中計算每個節(jié)點跳數(shù)和通往其他節(jié)點所需的時長,來指導(dǎo)電力轉(zhuǎn)發(fā)路徑的選擇。
當(dāng)光伏節(jié)點在供電自發(fā)自用的基礎(chǔ)上仍有富余電能時,此時能源路由器接收服務(wù)器指令,導(dǎo)通對應(yīng)輸電點,將電量從余電點抽調(diào)到缺電點,A到D之間若最近線路被占用或被棄用,則根據(jù)路由所建立的路由表,將自動劃分最優(yōu)化的輸電路徑來導(dǎo)通電力傳輸點。
根據(jù)有效路徑路由算法策略(efficient path strategy, EPS),可將能源路由傳輸點i與能源路由目的點j之間的可能傳輸路徑定義為P(i→j)?i≡x0,x1,…,x(n◆1), xn≡j (5)
式(5)結(jié)合路由表中的路由跳數(shù)和傳輸時間等因素,選擇最佳的傳輸路徑進行能源的輸送,以動態(tài)調(diào)整輸電線路。
圖3 實驗拓撲圖
根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析,當(dāng)節(jié)點內(nèi)部用電量高于節(jié)點發(fā)電量時,可通過能源運算中心發(fā)送輸電指令,能源路由器通過路由表和路由算法將其余節(jié)點余電送至缺電節(jié)點,使各節(jié)點負載能夠正常運作,并記錄詳細輸電電量,完成電力能源的互聯(lián)共享,保證區(qū)域內(nèi)節(jié)點的用電。
構(gòu)建分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒎稚⒌碾娏δ茉催M行綜合利用和共享,分布式光伏發(fā)電中的能源管理、能源分配、能源傳輸?shù)葐栴}是需解決的主要問題。本文借助互聯(lián)網(wǎng)成功的經(jīng)驗,提出了分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案,重點對分布式光伏發(fā)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的核心能源路由器進行了研究和設(shè)計,并在實驗環(huán)境下進行了仿真測試。經(jīng)過測試證明,所設(shè)計的能源路由器模型能夠完成電力能源的尋址和轉(zhuǎn)發(fā)。