低壓柔直互聯(lián)系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

張 哲，徐何君

（上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200023）

配電網(wǎng)正在經(jīng)歷由傳統(tǒng)配電網(wǎng)向智能配電網(wǎng)的過渡，由傳統(tǒng)配電自動化發(fā)展為新一代配電自動化，實現(xiàn)配電運營協(xié)同管理［1］。隨著分布式電源和電動汽車的規(guī)模化發(fā)展，傳統(tǒng)配電網(wǎng)將面臨電能質(zhì)量以及供電可靠性等諸多挑戰(zhàn)。因此，研究建設(shè)包含分布式電源、多元化負(fù)荷且具有主動協(xié)調(diào)控制和運行管理能力的新型配電網(wǎng)是配電技術(shù)發(fā)展的必然方向［2］。

1 配電網(wǎng)的發(fā)展和需求

1.1 配電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

在配電網(wǎng)典型接線方式中，架空線路采用的是多分段單聯(lián)絡(luò)/三聯(lián)絡(luò)，電纜線路采用的是單射式、雙射式、單環(huán)網(wǎng)/雙環(huán)網(wǎng)以及“三雙”接線等，配電網(wǎng)整體運行靈活性與經(jīng)濟性較國外先進城市尚有差距。隨著國內(nèi)配電網(wǎng)改造項目的開展，配電網(wǎng)從過去以輻射狀接線逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殡p回路供電、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)供電及多分段多聯(lián)絡(luò)等供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。近年來“雙花瓣”“鉆石型”等高可靠性智能配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也在上海、雄安等地得到應(yīng)用［3］。

配電自動化是實現(xiàn)配電網(wǎng)主動控制的基礎(chǔ)。常規(guī)配電自動化系統(tǒng)以一次網(wǎng)架和設(shè)備為基礎(chǔ)，綜合利用計算機技術(shù)及通信等技術(shù)，實現(xiàn)配電網(wǎng)運行監(jiān)視和控制的自動化。配電自動化系統(tǒng)具備配電數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）、故障處理、分析應(yīng)用及與相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)互連等功能，主要由配電自動化系統(tǒng)主站/子站、配電自動化終端和通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成。

近年來，新一代的配電自動化系統(tǒng)應(yīng)用智能融合終端實現(xiàn)配電臺區(qū)一體化綜合管控，應(yīng)用智能輔控裝置、遠(yuǎn)動網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)終端單元（DTU）、一二次（融合）成套設(shè)備實現(xiàn)中低壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與配電室全景監(jiān)測，應(yīng)用光纖縱差保護、智能分布式饋線自動化等技術(shù)實現(xiàn)配電網(wǎng)故障快速自愈。

1.2 新型電力系統(tǒng)下的配電網(wǎng)需求

隨著“雙碳”目標(biāo)的推進，新型電力系統(tǒng)下高滲透率分布式電源接入電網(wǎng)，配電網(wǎng)正在由無源網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橛性淳W(wǎng)絡(luò)，源網(wǎng)荷互動要求不斷增加，加上分布式儲能、數(shù)據(jù)中心及充放電站等負(fù)荷在電網(wǎng)中的占比不斷提升，對電力系統(tǒng)特別是配電網(wǎng)的安全可靠性和經(jīng)濟運行能力提出更高要求［4］。

傳統(tǒng)配電網(wǎng)采用“閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行”方式，電源結(jié)構(gòu)單一，源-網(wǎng)-荷之間單向傳輸，聯(lián)動性弱；配電網(wǎng)內(nèi)臺區(qū)/饋線間功率不平衡，分布式電源與負(fù)荷滲透率不一，跨臺區(qū)調(diào)控能力不足，設(shè)備利用率低［5］；在故障發(fā)生時，臺區(qū)間資源無法相互快速支援，易擴大事故范圍，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性下降，不能很好適應(yīng)和滿足分布式電源接入以及多能協(xié)同運行的要求，亟需有效的柔性調(diào)控手段以根據(jù)運行情況靈活調(diào)整網(wǎng)架拓?fù)?，滿足分布式電源及多元負(fù)荷“即插即用”需求，實現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲的高效互動［6］。

2 低壓柔直互聯(lián)系統(tǒng)

2.1 柔性互聯(lián)技術(shù)

傳統(tǒng)配電網(wǎng)依靠斷路器和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的開斷動作實現(xiàn)“閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行”的供電控制?；陔娏﹄娮釉O(shè)備的柔性互聯(lián)是將配電網(wǎng)中各臺區(qū)/饋線、各交/直流配電子網(wǎng)或微電網(wǎng)（群）等通過柔性互聯(lián)設(shè)備（FID）連接，實現(xiàn)分布式新能源、儲能設(shè)備、電動汽車等的友好接入，并在各臺區(qū)間實現(xiàn)智能調(diào)度，達到潮流控制、有功無功功率優(yōu)化、協(xié)同保護等功能，具備控制連續(xù)、響應(yīng)速度快、動作頻繁和故障率低等特性［7］。

配電網(wǎng)饋線間柔性互聯(lián)基本方式如圖1 所示。柔性互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)是通過柔性軟開關(guān)（SOP）和柔性環(huán)網(wǎng)控制裝置（FLNC）實現(xiàn)配電網(wǎng)的柔性互聯(lián)，并構(gòu)建多元的設(shè)備接入形式［8］。

圖1 配電網(wǎng)饋線間柔性互聯(lián)基本方式

基于背靠背電壓源換流器（VSC）的典型互聯(lián)雙饋線配電網(wǎng)示意如圖2 所示。柔性軟開關(guān)由2個VSC 組成，具有端口間功率連續(xù)調(diào)節(jié)功能，在正常運行時可進行潮流控制、無功補償和電壓調(diào)節(jié)，在異常運行條件下可進行故障隔離和供電恢復(fù)［9］。軟開關(guān)徹底改變了常規(guī)配電網(wǎng)“閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行”的供電方式，是構(gòu)成全面可控柔性互聯(lián)配電網(wǎng)的核心裝備。

圖2 基于背靠背VSC 的典型互聯(lián)雙饋線配電網(wǎng)示意

2.2 基于多端口電能路由器的柔直互聯(lián)系統(tǒng)

背靠背柔性互聯(lián)可實現(xiàn)配電網(wǎng)閉環(huán)運行，但是在負(fù)荷轉(zhuǎn)供時仍會出現(xiàn)供電短時中斷，柔性環(huán)網(wǎng)控制裝置（FLNC）通過3 個或以上的VSC 將多個不同區(qū)域的配電網(wǎng)進行互聯(lián)，從而形成環(huán)網(wǎng)，提高配電網(wǎng)拓?fù)潇`活性，從而實現(xiàn)多條饋線聯(lián)絡(luò)，有效解決不停電負(fù)荷轉(zhuǎn)移，降低配電系統(tǒng)的備用容量。通過調(diào)節(jié)其交流端口的輸出電壓幅值和相位角，可精準(zhǔn)控制各端口的有功和無功功率，進而優(yōu)化配電系統(tǒng)潮流分布，實現(xiàn)并離網(wǎng)平滑切換［9］。

基于多端口電能路由器的柔直互聯(lián)裝置是臺區(qū)低壓柔性互聯(lián)系統(tǒng)的核心設(shè)備，與常規(guī)聯(lián)絡(luò)開關(guān)相比，柔性互聯(lián)技術(shù)可以解耦控制有功功率、無功功率，改善功率傳輸?shù)撵`活性，不僅具備斷開和連通功能，而且沒有常規(guī)機械式開關(guān)動作次數(shù)的限制，運行模式柔性切換，控制方式靈活多樣［10-11］?；诙喽丝陔娔苈酚善鞯娜嶂被ヂ?lián)系統(tǒng)示意如圖3 所示。

圖3 基于多端口電能路由器的柔直互聯(lián)系統(tǒng)示意圖

3 典型應(yīng)用場景

3.1 配電臺區(qū)間功率分配平衡

配電變壓器低壓側(cè)的柔性互聯(lián)，可以在不改變現(xiàn)有交流網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的條件下，實現(xiàn)不同供電臺區(qū)互連和雙向潮流靈活控制，解決不同臺區(qū)或饋線之間重載、輕載的功率不平衡問題，實現(xiàn)饋線間負(fù)荷的實時平衡運行，優(yōu)化配電變壓器容量和負(fù)荷利用率；電能路由器交流端口同時具備無功支撐能力，對所連接的低壓饋線可進行無功補償，提高用戶側(cè)電能質(zhì)量，減小常規(guī)臺區(qū)系統(tǒng)無功補償設(shè)備；在故障情況下，可實現(xiàn)故障側(cè)饋線負(fù)荷的靈活快速轉(zhuǎn)供，以及非故障區(qū)域的快速恢復(fù)，提高供電安全性和可靠性，實現(xiàn)饋線間的互備互供。

3.2 新型負(fù)荷的優(yōu)化配置和互動

以多端口電能路由器為核心，將交流配電、直流配電、柔性互聯(lián)、微電網(wǎng)等系統(tǒng)有機集成，形成基于柔直互聯(lián)的交直流混合配電網(wǎng)，可以實現(xiàn)電動汽車、分布式電源和儲能的友好接入，是源網(wǎng)荷儲互動的基礎(chǔ)。當(dāng)某些臺區(qū)/線路負(fù)荷輕載時，可根據(jù)自身實時負(fù)荷率，充分利用其剩余容量，通過電能路由器為其他重載臺區(qū)或電動汽車充電站供電，實現(xiàn)各配電變壓器利用率均衡。當(dāng)區(qū)域內(nèi)臺區(qū)/線路負(fù)荷重載，配電變壓器備用容量不足時，可通過儲能裝置為充電站供電；此外，通過柔性互聯(lián)實現(xiàn)電動汽車到電網(wǎng)（V2G）或換電站到電網(wǎng)（S2G）的接入，利用電動汽車電池或儲能裝置，實現(xiàn)削峰填谷和需求側(cè)響應(yīng)。

3.3 分布式新能源的友好接入和高比例消納

對于分布式電源的大量接入，電能路由器可集成多臺區(qū)/饋線，采用臺區(qū)/饋線間潮流互動的方式協(xié)助高滲透率的分布式發(fā)電消納，并平滑其引入的功率波動與高電壓越限問題，解決新能源出力波動導(dǎo)致的需對單臺區(qū)進行大規(guī)模增容的問題，減少一次設(shè)備的投資。在電網(wǎng)故障孤島狀態(tài)下，由公共直流母線連接的分布式電源可為臺區(qū)/饋線中的重要負(fù)載提供短時應(yīng)急供電，同時為系統(tǒng)運行提供短時能量支撐。

4 工程案例

4.1 農(nóng)網(wǎng)臺區(qū)柔性互聯(lián)案例

項目所在河北某新區(qū)某村現(xiàn)有16 臺配電變壓器，總?cè)萘繛? 490 kVA。其中，400 kVA 配變10 臺，200 kVA 配變3 臺，630 kVA 配變3 臺，冬季最大負(fù)荷3 881.94 kW，臺區(qū)平均負(fù)載率61.72%。其中，1 號臺區(qū)、5 號臺區(qū)、11 號臺區(qū)的負(fù)荷率差別較大存在嚴(yán)重的負(fù)荷不均衡問題，預(yù)測最大負(fù)荷率分別為57.84%，82.35%，29.30%。村內(nèi)現(xiàn)有光伏裝機容量為300 kWp，儲能系統(tǒng)總?cè)萘繛?00 kWh。本項目將1 號臺區(qū)、5 號臺區(qū)、11 號臺區(qū)在低壓側(cè)進行互聯(lián)組成低壓直流互聯(lián)系統(tǒng)，實現(xiàn)臺區(qū)負(fù)荷率平衡，預(yù)計系統(tǒng)內(nèi)最大平均負(fù)荷率52.91%，有效降低3 臺配電變壓器之間的負(fù)載率差異，提高配電變壓器的負(fù)荷利用率。結(jié)合區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有分布式光伏和儲能設(shè)備的位置條件，現(xiàn)有光伏保留在5 號臺區(qū)。儲能系統(tǒng)分別接入1 號臺區(qū)和11 號臺區(qū)，同時考慮未來預(yù)計新增的分布式光伏和儲能設(shè)備，在低壓柔直互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的主網(wǎng)架上布置光伏、儲能、充電樁、直流負(fù)荷接口等多種預(yù)留接口。

低壓柔直互聯(lián)系統(tǒng)運行工作模式包括轉(zhuǎn)供功能、檢修/故障狀態(tài)、光伏消納3 種，可實現(xiàn)以下系統(tǒng)功能。

（1）平衡各臺區(qū)負(fù)荷率，實現(xiàn)各臺區(qū)之間容量互濟。

（2）提高供電可靠性，減少檢修或故障導(dǎo)致的用戶停電時間。

（3）提高光伏就地消納能力。

低壓柔直互聯(lián)系統(tǒng)主要設(shè)備為柔性互聯(lián)AC/DC 柜：1 號柔性互聯(lián)AC/DC 柜，核心設(shè)備包括1×189 kW 雙向AC/DC 變流器；2 號柔性互聯(lián)AC/DC 柜，核心設(shè)備包括1×189 kW 雙向AC/DC 變流器；3 號柔性互聯(lián)AC/DC 柜，核心設(shè)備包括1×125 kW 雙向AC/DC 變流器。

低壓柔直互聯(lián)AC/DC 柜內(nèi)部主要設(shè)備有：雙向AC/DC 變流器，1 套；就地監(jiān)控系統(tǒng)，1 套；環(huán)控系統(tǒng)，1 套；智能融合終端，3 套。

低壓柔直互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)示意如圖4 所示。

圖4 低壓柔直互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)示意

4.2 長三角“水鄉(xiāng)客廳”微電網(wǎng)案例

長三角“水鄉(xiāng)客廳”微電網(wǎng)示范工程在上海青浦水鄉(xiāng)區(qū)域協(xié)同運營中心區(qū)域建設(shè)微電網(wǎng)?！八l(xiāng)客廳”微電網(wǎng)系統(tǒng)接線示意如圖5 所示。

圖5 “水鄉(xiāng)客廳”微電網(wǎng)系統(tǒng)接線示意

微電網(wǎng)系統(tǒng)配置2 臺10/0.4 kV 容量1 250 kVA 配電變壓器接入系統(tǒng)10 kV 交流母線。微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)置380 V 交流母線和±375 V 直流母線，均采用單母分段接線。兩段交流母線和兩段直流母線間通過多端口電能路由器連接，其中P2 和P3 端口分別通過250 kW 交直流變換器給直流Ⅰ段和直流Ⅱ段供電，P1 端口為低壓柔性互聯(lián)端口，通過250 kW 背靠背變換器連接2 臺配變臺區(qū)低壓側(cè)，實現(xiàn)柔性互聯(lián)與功率互濟。微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)光、風(fēng)、儲、荷按照一定的容量分別接入交流和直流母線。正常運行時，微電網(wǎng)單元正常自治運行，當(dāng)某個微電網(wǎng)單元出現(xiàn)重載或者新能源電源無法消納時，可采用低壓柔性互聯(lián)下的負(fù)載均衡、失電支援、源荷轉(zhuǎn)供、經(jīng)濟運行、重要負(fù)荷保供電等運行策略。

5 結(jié)語

柔性互聯(lián)裝備是一種可在配電網(wǎng)若干關(guān)鍵節(jié)點上替代常規(guī)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的新型柔性一次設(shè)備，柔性互動將成為新型配電系統(tǒng)的顯著特征，可為促進“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)提供有力支撐。

（1）低壓柔直互聯(lián)系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同配電臺區(qū)間的容量互濟，提高配電網(wǎng)靈活可控能力和運行可靠性。

（2）交直流混合柔性互聯(lián)的新型配電系統(tǒng)可實現(xiàn)系統(tǒng)中所有電源包括儲能系統(tǒng)、分布式光伏系統(tǒng)、分布式風(fēng)電系統(tǒng)和電動汽車等新型負(fù)荷的互聯(lián)互通，實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)源、網(wǎng)、荷、儲多方互動的能量路由運行控制，將更有利于分布式電源和新型負(fù)荷的接入，實現(xiàn)區(qū)域間的能量平衡，并對負(fù)荷提供無功支撐，降低配電系統(tǒng)的電壓波動。在配電系統(tǒng)發(fā)生區(qū)域故障時也能夠快速實現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供，確保重要負(fù)荷的不間斷供電，提升配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。