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江蘇電力公司試點有序充電項目

作者:中國儲能網新聞中心 來源:輸配電世界 發布時間:2019-10-09 瀏覽:次
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球探篮球比分皇冠 www.622627.live 中國儲能網訊:隨著電動汽車在城市中的快速普及,越來越多的社區開始建設公用的充電設施。然而,老舊社區的低壓配電基礎設施能否容納更多的電動汽車?如何充分利用現有配電容量,將電動汽車和分布式光伏這些具備明顯“利用時段”特征的分布式資源合理搬移,探索通過控制算法來延緩低壓配電設施的改造升級,這些是全球配電系統運營商都在關心的熱點話題。

國家電網江蘇電力公司聯合南瑞集團(國網電力科學研究院)在老舊社區通過控制交流充電設施的用電行為、調節分布式光伏和儲能的利用,共同研發并試點“有序充電”及分布式能源資源靈活性管理項目,為未來社區大范圍使用上述靈活性資源,實現需求響應,提供有價值的技術示范。

低壓配電網現狀

位于南京市城北的邁皋橋地區過去是南京的化工基地,地處長江南岸,這里人口密集,幾十年的工業發展、遷移帶來大量的配套居民社區,很多配電設施同樣見證了這段歷史。隨著氣候變化,居民生活條件的提高,每年夏季和冬季空調的制冷和取暖負荷都會使得當地電網承受巨大的壓力??燜僭黽擁牡綞黨淶?,給低壓配電設施容量提出了新的挑戰,配電網擁塞問題變得更為突出。

圖1. 位于社區中央的400kVA箱變

試點項目所在小區約900戶家庭,社區中心400kVA配電變壓器,服務一個單元(24戶)和地下車庫的供電。2018年,車庫內新安裝了30個公共交流充電設施,為社區居民的電動汽車提供充電服務。每個充電設施額定7kW,因此總的峰值容量也增加了210kVA.

圖2. 地下車庫部署的交流充電樁

社區的地下停車庫出入口屋頂總面積約200平方米,安裝了6套光儲一體設備,光伏逆變器額定5kW,儲能電池容量5.6kWh. 由于設計安裝的傾角考慮不周,雨水和塵埃很容易在光伏板上遺留污漬,組件的總容量為32.4kWp,但實際發電效率較低。

圖3. 小區地下車庫出口頂部安裝的光伏發電設施

按照一般的用電行為預測,電動汽車將在下班后的居民用電高峰期間集中接入開始充電,將與高峰負荷疊加。光伏則是社區的另外一個公用設施,公共用電負荷很大一部分是夜間照明,在白天光伏的發電高峰期間,公共用電負荷很低,因此需要將多余的光伏發電先存儲起來。

圖4. 光伏逆變器及分散儲能裝置

就地控制還是遠程(邊緣還是云端)

需求非常明確,即對電動汽車充電和光伏發電兩個靈活性資源進行合理搬運,防止在用電高峰期間(無論是鴨形曲線還是鯊魚曲線)配網發生擁塞。

延伸閱讀:鯊魚曲線簡介

下圖是試點項目實物連接的抽象概念圖,

圖5. 含有高比例靈活資源的配電系統示意圖

對于電動汽車充電的策略,需要考慮以下需求:

? 負荷高峰期間降低總體充電功率

? 在總體配電負荷降低后,如傍晚高峰結束后,電價低谷階段,允許充電設施滿負荷充電

? 對于緊急的充電需求應該優先滿足

由于配電臺區的數據集中器能夠獲得配電變壓器的低壓總表數據,因此有足夠的判據了解配電變壓器的負荷情況,可以很容易地做到限制交流充電功率的目的。這里的重點在于如何區分不同充電機的控制功率,既滿足電量過低車輛的緊急充電需求,同時對于非緊急需求下調輸出功率。

對于交流充電系統這是很難做到的。在國標GB/T20234.2中可以通過交流充電導引系統要求車載充電機限制充電功率,也就是說:控制功率的動作是在電動汽車上實現的,汽車電池的SoC并不能反饋給交流充電機,除非為充電機設計額外的“優先充電”按鈕(考慮不同計費費率選項),也就是系統無法簡單地判斷連接的汽車是否處于電量低需要緊急充電。只有電動汽車的SoC已經達到一定容量,主動限制充電功率時,我們才可以判斷車輛已經基本充滿,但此時限制充電功率可能沒有現實意義。

為了解決這個問題,只能是在系統需要限制充電功率時,無差別地降低連接設備的功率,如在試點項目中,如果居民負荷和其它公共負荷達到300kVA,此時只有100kVA分配給電動汽車充電,若當前連接車輛是20個,那么每個車輛的充電功率將被限制為5kW. 對于需要緊急充電的車輛,社區內還建有一個直流快充設施(如圖11.)作為補充。

對分布式光伏發電的控制策略則要復雜一些,

? 如果光伏發電容量較小,應該在白天電價高峰階段直接補償公用設施用電,如通風、排水、電梯及其它連續運行的公用設施。

? 如果光伏發電容量較大,在白天電價高峰階段,除了能夠覆蓋連續公用負荷外,額外的發電容量可以使用儲能設備進行儲存,在光伏出力下降時補償公用負荷。

? 如果儲能容量足夠,也可以在白天發電高峰期間儲能,在夜晚電價高峰階段放電,補償公用設施用電,如電動充電樁。

? 由于居民用戶都是直接計量,因此公共的分布式發電設施在沒有上網電價政策(Feed-in tariffs, FIT)時,需要仔細考慮優化策略,防止無效的逆功率、防止在電價低谷期間放電。幸好,這里發電容量基本是固定的,可以設計優化一次,無需動態調整。因此優選固定搬移的“套利選項”以簡化設計。

這些控制措施在IEEE1547-2018中有完整的討論。

從上述兩個負荷/發電的搬移需求來看,顯然,配電臺區的控制器如果設計了相應的功能,可以有效地控制臺區的各種靈活性負荷,而且有如下優點:

? 就地采集、就地控制

? 無需系統干預,容易在其它配電臺區快速復制

此時,需要配電的用采集中器具有強大的邊緣計算功能,或者設置專門的邊緣路由器,將上述功能需求固化為算法,以實現,

? 電動汽車充電負荷搬移,即:有序充電

? 分布式發電和分布式儲能的協調優化,公用用電設施的“用電套利應用”

完全的就地化、邊緣計算使得應用具有極大的靈活性,但是如果考慮中壓配電網的大范圍擁塞問題,單一的配電臺區優化顯然無法獲得上一級系統的數據和信息。因此從配電系統、上一級配電變電站反饋到配電管理中心的數據可以幫助配電運營商要求更大范圍的協調功能。

在圖5中,配電SCADA可以獲得高壓/中壓電網的數據,它可以通過企業總線向用采系統發出限制某個區域的所有配電臺區充電功率的要求。本試點項目中,重點測試了這個功能,而且這種限制實際是最高優先級的,因為配電系統的數據是臺區所無法掌握的,一般關聯大系統的平衡和穩定要求。

圖6. 臺區數據集中器終端箱

圖7. 安裝在配電變壓器低壓出口側的數據集中器

圖8. 安裝在充電樁內部的載波控制/計量???

通信及控制協議

確定了具體的需求和應用邏輯,在試點項目實施過程中,最重要的是確定通信方式和所使用的通信協議。由圖9,配電管理的高壓/中壓系統基本與變電站和大電網使用的通信方式/控制協議相一致。這些協議與用電信息采集使用的有很大的差別。本質上公網無線和專網只是在安全防護設計上有所不同,但在使用控制協議上,配網和用采的協議有巨大區別。

? 配網使用的IEC 60870-5-104,103,IEC 61850都經過完整的互操作性測試

? 用采使用的行業標準DL645(更接近IEC 62056)需要對光伏發電、儲能、電動汽車的控制進行擴充

? 因此DL645最初并沒有考慮這些靈活性資源的控制,未來還需要進一步標準化,甚至需要與智能家居中的智能用電器的標準進行合并和統一,因此制定相關標準工作非常緊迫和重要,不能僅局限于行業標準,很可能是面向消費品的更高級別的國家標準或國際標準

? 用采協議的優點是本身考慮了加密和數據安全選項

圖9. 配電和計量所使用的不同通信形式和控制協議

除了控制協議,在低壓側使用載波存在一定的疑問。目前有關物聯網的通信技術層出不窮,但使用載波是基于以下考慮:

? 對于光伏逆變器可以使用允許式控制信號,當配電線路正常時,光伏逆變器可以收到來自數據集中器的載波信號,一旦配電故障或任何其它原因斷開,光伏逆變器都不會收到允許信號,此時光伏逆變器應該立即停止輸出,因此不會導致分布式發電的孤島現象,不會反向充電,防止對配電檢修造成安全隱患。

? 載波同時具有鑒相功能,可以自動識別低壓供電拓撲。對于連接在不同相上的充電設施,可以實現分相控制,因此可以進一步開發低壓側三相平衡的配電自動化功能。

? 載波的接入比較簡單,可以實現即插即用——電力公司可能需要進行白名單管理,即在集中器中設置的檔案管理??梢醞ü殖種斬?,結合設備資產管理,以無感方式錄入白名單,保證合法設備的接入。

? 載波的可靠通信速率較低,但對于計量設備來說,如智能電表,平均的數據帶寬需求應該低于10bps(日凍結及15分鐘曲線的需求),載波完全滿足這種需求。其它設備同樣對帶寬要求不高,因此無需投入昂貴的通信???,僅需一次投入且無后期運營商的公網服務費用。

載波的選擇和標準化同樣重要,在國內可以使用國網推廣的HPLC或南網推廣的相關技術,在海外市場宜使用G3-PLC. 它們都是基于OFDM(正交頻分)的窄帶技術(HPLC帶寬略高),同時具備子載波通道選擇自適應技術,保證了通信的高可靠性。

值得注意的是:安裝在低壓側的載波控制/計量??槭導噬峽梢宰魑崍考杜淶繽遠腦靨濉嗟氖欠⒊觥岡市懟購偷鶻諉?,而不是分合閘。如果這種載波控制??檳芄皇迪直曜薊?,那么它可以集成在具有靈活性的用電或分布式發電控制器中,而無需考慮載波??橛朧蕓刂粕璞傅男?。如果必須采用分離式設計,那么可能標準的串行接口和協議可能是最簡單實用的,但容易受到物理攻擊。

圖10. 普通的交流充電控制電路

更多種形式的靈活性資源

具體在一個社區的試點項目使電力公司了解了配電網在單一節點控制靈活性資源的需求和方法。社區和南瑞集團因此獲得了很多重要的有關靈活性資源使用的信息,基于用采集中器可以控制,

? 社區電動汽車在用電高峰之外有序充電,因此避免昂貴的社區配電基礎設施升級,充分利用現有容量

? 靈活調節分布式發電和分布式儲能,平衡社區公共用電,實現峰谷套利

基于配電臺區的“邊緣控制”,可以在臺區內為居民用戶提供上述功能。同時也為其它潛在的綜合能源聚合服務商提供了技術手段,“邊緣控制”設備可以接受來自云端的高優先級控制命令,在更大范圍內聚合上述靈活性資源為電力公司提供需求響應服務,在未來通過市場化的手段(交易系統——日前、日內交易兩個市?。┪笙低程峁┬棖篤膠饃踔療德氏煊Ψ?。

有序充電可能會對客戶的緊急充電產生影響,在這個試點項目中,江蘇電力公司還為社區用戶新建了一臺直流快速充電設施,保證客戶的緊急需求。不僅如此,該直流充電設施還具有反向的車輛儲能到電網(V2G)功能,未來社區的緊急用電可以由V2G提供備用電源,如,照明、消防、通信。因此它還是建設彈性配網(Resilience)的一個有效手段。

圖11. 考慮未來使用的可實現V2G的直流充電設施

關鍵字:充電樁 儲能

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