基于低压柔直的末端电网能源互联与能量微循环系统_刘海涛.pdf

Vol.47 No.6 Mar.25,2023第 47卷 第 6期 2023年 3月 25日基于低压柔直的末端电网能源互联与能量微循环系统刘海涛1，2，董新洲1，熊雄2，徐旖旎2（1.清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 100084；2.国网上海能源互联网研究院有限公司，上海市 201210）摘要：“双碳”目标下大规模分布式光伏和电动汽车充电桩等零碳、低碳要素接入低压配电网，对末端电网可靠、稳定、经济运行提出了挑战。文中基于低压直流技术实现配电变压器台区间柔性互联与功率灵活互济，构建末端电网在新型电力系统下的新形态，通过能量微循环解决当前末端电网的一系列问题。首先，对低压柔性直流互联的一次拓扑结构、二次组网方式进行了介绍，以满足不同低压配电网资源禀赋情况与差异化需求。然后，对末端能源微循环的若干功能形态进行阐述，以实现不同台区间均载、故障快速转供的运行目标。最后，对中国目前开展的工程情况进行了总结，并详细介绍了中国首套低压柔性互联与能量微循环工程，工程运行情况验证了该系统可有效提升末端电网运行的可靠性与经济性。关键词：配电网；低压直流；配变台区；柔性互联；能量微循环0 引言以分布式光伏为主的分布式电源进入了迅猛发展的新时期，随着分布式电源、电动汽车充电桩、煤改电等零碳、低碳要素接入比例不断增大，配电网尤其是低压配电网的“枢纽平台”作用越加突显，配电网消纳和并网服务压力日趋增大，其正面临保障电力持续稳定供应和加快清洁低碳转型的双重挑战1-3。当前配电网源、荷两端直流特征愈发明显。通过中、低压直流进行组网可省去直流电源与负荷并网的直/交与交/直环节，提升并网转换效率，促进新能源就地消纳，将成为新能源为主体的新型电力系统中能源高效利用的技术基石4-5。因此，如何构建“柔性可控、绿色安全”的新型配电网成为当前乃至“十四五”期间的重大课题。配电网柔性互联技术将电力电子灵活控制技术与配电网网架优化设计相结合，实时连通不同低压配电网间功率互济通道，形成能量微循环，为挖掘配电网存量能力和提高供电可靠性提供了有效的技术手段6。同时，系统直流母线可更便捷地接入直流型源、荷、储要素，提升系统能量转换效率。该方案与低压配电站房中交流联络的方法相比，具备以下优势：1）正常态下可实时进行功率互济，交流联络仅在故障态下可进行互济；2）故障态下转供逻辑自动、无缝执行，交流联络需手动执行，用户停电时间较长；3）可对交流侧电能质量进行附加补偿，交流联络无法进行补偿。目前，针对直流配电技术已有很多理论研究，其传 输 半 径 和 传 输 容 量 是 交 流 配 电 技 术 的 1.31.5 倍，可缓解城市供电走廊紧张的局面7。直流系统中没有交流系统中频率、谐波、三相不平衡、无功补偿等电能质量问题，可为负荷提供优质的供电服务8。直流配电网虽控制变量简单，但表现出低惯量、弱阻尼，其抗扰动能力较差。因此，在规划阶段需对系统进行充分的稳定性分析与参数整定9-11。直流配电技术的应用与推广离不开典型场景的挖掘，将直流配电应用于末端电网即配电变压器（简称配变）台区之间进行柔性互联12-15，构建末端能量微循环系统。该技术近年来在学术界和产业界获得了广泛关注，自 2021年以来已成为国家电网有限公司在配电专业方向的重点推广工作。研制硬件模块化、软件应用程序（APP）化的紧凑型柔性互联装置，攻克低压直流工程抗扰动能力差的技术难题，差异化地开展试点示范，将是未来工作开展的重点方向。在低压直流技术的基础上，聚焦配变台区柔性互联这一全新应用层级，对能量微循环系统各类形态进行详细阐述，重点针对直流工程中存在的低惯量、抗扰动能力差的技术难点，介绍了规划阶段稳定DOI：10.7500/AEPS20220909002收稿日期：2022-09-09；修回日期：2022-12-03。上网日期：2023-02-16。国家电网公司科技项目（5400-202255160A-1-1-ZN）；已申请国家发明专利（申请号：202110459967.6，202110103576.0，202110015459.9）。40刘海涛，等 基于低压柔直的末端电网能源互联与能量微循环系统http：/www.aeps-建模与关键参数整定方法。最后，对用于构建系统的柔性互联设备以及差异化试点示范工程进行了介绍。1 台区柔性互联与能量微循环系统1.1系统总体架构与原理如图 1 所示，两个相邻的配变台区通过高效柔性互联单元实现两个低压交流片区的实时互联；通过柔性控制实现台区间功率的灵活互济；通过边缘计算与云-边-端协同实现互联系统源、网、荷、储优化协同，最终构建出末端电网能源互联与能量微循环体系架构。其含义为：1）在物理形态上，横向打通两个低压独立供电片区间功率双向实时流通通道，同时纵向预留直流接口，实现直流型源、荷、储要素便捷接入及参与就地功率循环，其中，“微”循环是指相对于中压兆瓦级功率，定位在数十千瓦至百千瓦级的功率量级；2）在功能形态上，基于物理形态构建云（配电自动化主站）、边（智能融合终端）、端（柔性互联单元）数据贯通与逻辑分层的架构，分别实现小时级能量优化调度、分钟级均载控制、毫秒级至秒级就地自律控制功能；3）在业务形态上，基于功能形态促进调度、配电、营销数据的贯通，实现主、配、微三级电网的融合协同优化；4）在价值形态上，基于业务形态充分挖掘电网存量资源，促进大量低碳、零碳要素在低压层面进行循环，最终实现不同低压片区间的协同高效消纳，助力双碳目标。1.2系统物理形态低压柔性直流互联是实现能量微循环的基础条件，根据柔性互联设备的布点位置可分为两种基础拓 扑 结 构，分 别 为 集 中 式 结 构 与 分 散 式 结 构。以 3 个台区柔性互联为例，其拓扑见附录 A图 A1。集中式结构下，各台区通过备用间隔拉交流线路至集装箱或配电站房中，各交流线路经过双向变流器汇聚于直流开关柜，形成共直流母线。同时，直流开关柜可预留多条直流出线用于集中接入直流源、荷、储等单元。该拓扑结构结构简单，便于集成、调试与后续集中运行维护。分散式拓扑结构下，各台区低压侧一路交流出线通过 AC/DC 换流器连接就地直流母线，各台区间通过直流电缆和直流开关互联。各台区直流侧可预留直流出线，便于就地分散地接入各类直流要素。该拓扑结构供电范围大、可扩展性强、供电可靠性高。根据上述两种基本拓扑结构可衍生出集中+分散、分散式环型等多种拓扑结构，其本质为上述两种基础结构的组合或变化，这里不再赘述。1.3系统功能与业务形态台区柔性互联与能量微循环系统作为低压配电网的一种新形态，应纳入当前低压配电网已有的二次管控体系，即基于营配调数据智能型融合终端的云-边-端管控架构。与物理形态相对应，其功能形态主要划分为两类，即集中式与分散式功能形态，如图 2所示。图 2（a）为集中式功能形态，即各终端设备通过RS485或光纤的通信方式及 ModBus协议将信息汇交流负荷交流负荷ACDC直流负荷储能直流负荷能源互联与能量微循环ACDCDCDCDCDC光伏开关图 1系统总体结构与原理示意图Fig.1Schematic diagram of system overall structure and principleRS485台区柔性互联系统集装箱台区1台区2AC/DC1计量、配电等其他部件AC/DC控制器AC/DC2直流开关柜测控快速保护装置就地监控主站系统K11K21K15K25K51K55预留接口预留接口K12K22K52DC/DC直流屏K13K14K24 K230.655 mmK54 K53调度自动化主站系统-配电自动化主站系统-用电信息采集系统中央控制器RS485-光纤-RS485RS485RS485RS485RS485RS485无线以太网储能测控终端测控终端测控终端台区3AC/DC控制器DC/DC控制器AC/DC控制器AC/DC3调度自动化主站系统-配电自动化主站系统-用电信息采集系统台区4台区1台区2台区3型柔性互联装置型柔性互联装置型柔性互联装置I型柔性互联装置DC/DC交流开关直流开关流关充电桩充电桩充电桩充电桩光伏测控装置测控装置测控装置测控装置STS变流模块AC/DC1STS变流模块AC/DC4STS变流模块AC/DC2交流开关直开STS变流模块AC/DC3融合终端融合终端融合终端融合终端融合终端(a)集中式功能形态(b)分散式功能形态电力线;通信线;二次通信线;开关;交流断路器图 2功能形态示意图Fig.2Schematic diagram of functional morphology412023，47（6）智能配电网柔性互联与形态演变 聚至就地控制器，就地控制器通过以太网、IEC 104协议同时发送至就地监控主站和营配调融合型终端，该终端通过无线将运行信息上传至调度自动化主站、配电自动化主站与用采系统，实现不同业务数据（调度、设备、营销）的贯通与主配微（主网、配电网、微网）的协同。交流开关与就地控制器之所以设计为光纤通信方式，是因为考虑到在进行并/离网切换时，为了保障故障转供的即时性，需采用快速的通信方式。系统毫秒级至秒级逻辑配置在就地控制器中；分钟级逻辑以 APP 形式配置在智能融合终端中；而主站侧汇聚了区域配电网全局信息，可部署小时级逻辑决策。图 2（b）为分散式功能形态，即各台区下交流、直流终端汇聚至各自测控终端内，用于毫秒级至秒级的就地逻辑决策。台区之间信息可通过边-边通信，也可通过端-端通信，其通信方式可设计为光纤或微功率无线。在多个融合终端中，可选取其中一个作为主融合终端，用于汇聚其他融合终端信息，以部署分钟级逻辑决策，并将该系统运行信息上传至各业务主站系统。从层级上看，集中式与分散式形态均为云-边-端的管控架构，且各层级之间通信方式、协议设计一致，仅在端、边侧设备数量上存在差异。在系统功能架构基础上，根据不同决策的时间尺度需求，可配置不同逻辑功能，最终实现该系统可靠、经济运行的目标。集中式与分散式的物理、功能形态对比如表 1所示。1.4系统价值形态在功能和业务形态的基础上，台区柔性互联与能量微循环系统横向高效汇聚直流型源、荷、储等直流要素，纵向通过云、边、端协同与业务融合，充分挖掘低压配电网不同片区的存量资源，实现零碳、低碳要素的高效就地消纳，提升系统能效水平。如图 3所示，不同性质的低压片区存在负荷在空间或时间上互补特性的区域，通过柔性互联下的功率实时互济与源、荷、储微循环，达到不同片区间协同的削峰填谷运行效果，大幅度延缓因负荷增长带来的低压配电网升级改造。针对光伏输出直流供给直流负荷的应用场景，和交流并网、交流配电方式相比，系统可对该过程全变换环节进行能效优化，重载下光伏直流供电效率可提升 2%以上，实现高比例分布式清洁能源在低压广域层面的高效消纳。测算依据见附录 A图 A2。2 系统稳定性建模计算与核心逻辑策略2.1系统稳定性建模与参数整定为克服系统低惯量、弱阻尼特征带来的抗扰动能力弱的工程缺陷，在规划阶段可通过稳定性建模计算来对影响系统稳定性的关键参数进行合理整定。其中，分散式互联系统由于包含长直流线路，其因线路效应引起的稳定性问题更加突出，本文仅以分散式系统为例进行阐述。在多端台区柔性互联与微循环系统运行时，会选取一端柔性互联装置作为主控单元，运行在定直流电压控制或下垂控制来维持整个系统在直流侧的电压稳定，以下垂控制为例进行说明，主控单元小信号模型如图 4所示。表 1集中式与分散式形态对比Table 1Comparison of centralized and decentralized morphologies类型集中式分散式适应场景仅适应农村、山区等土地资源富裕场景可适应农村、山区、景区、城市、海岛等各类应用场景组网方式通过拉交流线路进行汇聚，共直流母线结构通过直流电路进行连接，多分段直流母线结构通信方式纵向通信，横向边-边或端-端无通信纵向通信，横向边-边、端-段通信控制方式主从协调控制可设计分布式控制优点易于集成、调试、运行维护，且稳定性问题不突出一、二次系统高度集成，应用场景丰富，建设成本低缺点场景