考虑低压台区柔性互联的配电网最大供电能力_祖国强.pdf

Vol.47 No.7 Apr.10,2023第 47卷 第 7期 2023年 4月 10日考虑低压台区柔性互联的配电网最大供电能力祖国强1，2，郝子源3，黄旭2，3，张弛1（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津市 300384；2.智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津市 300072；3.国网天津市电力公司城东供电分公司，天津市 300250）摘要：“双碳”目标下，配电网将承载分布式发电、电动汽车、电采暖等低碳技术的大规模应用，面临着承载能力不足、负载不均衡以及电能质量等问题的严峻挑战，而低压台区柔性互联技术被认为是应对上述挑战的有效手段。因此，研究了考虑低压台区柔性互联的配电网最大供电能力（TSC）。首先，给出了考虑台区柔性互联的配电网典型结构以及运行方式，建立了考虑柔性互联设备多端口潮流灵活分配、负荷多级转供的配电网 TSC 模型；其次，针对所提 TSC 模型的非线性非凸特征，提出了基于分支定界算法的模型求解方法；然后，计算了实际台区柔性互联配电网算例的 TSC，并进行 N-1安全性校验；最后，观测了不同低压柔性互联设备容量下 TSC 数值的变化规律，给出了台区柔性互联配电网的规划运行建议，为低压台区柔性互联技术在配电网的大规模应用提供了理论基础。关键词：低压配电网；台区；柔性互联；最大供电能力0 引言随着全球能源结构向清洁、低碳化转型，中国已提出“碳达峰碳中和”的宏伟目标。配电网作为连接用户与大电网的枢纽，将面临大规模分布式电源（distributed generation，DG）、电动汽车、储能、电采暖等低碳元素的接入，由此引发的系统承载能力不足、负载不均衡、电压越限等问题给配电网规划运行带来了严峻挑战。从网架升级角度来看，柔性互联技术是解决上述问题的有效手段，其含义为采用电力电子柔性互联设备（flexible interconnected device，FID）升级/构建配电网联络节点，利用 FID 的动态潮流控制能力以及故障隔离能力实现配电网柔性闭环运行1。配电网柔性互联技术已经历了 10余年的理论研究，已有示范工程建设主要针对高压和中压配电网，如英国 Network Equilibrium 项目2、北京怀柔的三端柔性环网示范工程等3。相比于中压柔性互联，低压FID 由于技术难度与成本相对较低、应用场景多样，有潜力率先规模化应用，形成 0.4 kV 低压柔性互联配 电 网（low-voltage flexible distribution network,LVFDN）。国内学者最早于 2014年开始研究 LVFDN。文献 4 提出了低压直流的 AC/DC 变流器控制策略，使得配电台区能够共同承担电动汽车负荷、平衡负载；文献 5 对比了配电台区电动汽车快充负荷分散接入的传统方式和 LVFDN 的新型接入方式，对台区柔性互联风险进行了评估；文献 6 以台区负荷均衡为目标，提出了基于直流线路的台区负荷转供方法；文献 7 提出了考虑规模化电动汽车快充负荷的柔性台区经济调度方法；文献 8 设计了中国海宁某台区基于柔性互连的低压交直流混供配电网方案；文献 9 对含 FID 的配电网-微网进行一体化规划评估。示范工程方面，2020年宁波北仑开展了中国最早的柔性台区示范工程10；中国山东济南建成了基于台区智能融合终端的低压柔性直流互联系统。国际上，英国电网公司于 2014 年启动了 FUN-LV 工程11，其低压 FID 规模达到 24个，工程建设历时三年，展示了较好的经济、社会和环境效益。文献12 对比了 FID和传统联络开关在配电网中的表现差异，发现 FID能提高资产利用效率，释放潜在电网容量并改善运行情况；文献 13 研究了含储能的低压 FID全局控制策略，可用于 FID的运行优化；文献14 提出了一种多目标优化框架，以改进包含 DG和 FID 的配电网运行；文献 15 利用 FID 实现低压直流配电网实时协调控制；文献 16 提出了当 FID处于变压器均衡和电压支撑模式时的操作算法，开DOI：10.7500/AEPS20211116005收稿日期：2021-11-16；修回日期：2022-02-14。上网日期：2022-09-01。国家自然科学基金资助项目（52007130）。84祖国强，等 考虑低压台区柔性互联的配电网最大供电能力http：/www.aeps-发了功率因数校正和负荷不平衡补偿功能；文献17 研究了利用 FID对铁路电网和低压配电网进行柔性互联的新模式。上述研究对 LVFDN 的组网方案、风险评估、调度方法等进行了研究，然而对于 LVFDN 的供电能力 研 究 尚 属 空 白。最 大 供 电 能 力（total supply capability，TSC）是配电网规划、评估以及安全分析的经典指标。针对传统 10 kV 中压配电网，TSC 已建立了从模型、算法到应用的完整体系18-24。针对10 kV 中压柔性互联配电网，文献 22-23 采用逐点逼近法计算中压柔性配电网的 DG 承载能力；文献19 建立了柔性配电网 TSC 模型；文献 25 提出了交直流混合中压配电网的 TSC 计算方法；文献 19，26-27 提出了 N-1 故障下柔性设备对负荷的柔性转带策略，但是仅局限于中压 10 kV 网络，或者只考虑配电变压器（简称配变）通过 FID 互为 N-1 备用的情况5，11，28。上述研究对于 LVFDN 的 TSC 研究具有借鉴意义，但是在 FID 负荷连续分配、N-1 后的负荷二次转供等难点问题上未有涉及。由于LVFDN 在 0.4 kV 低压侧形成了联络，存在中低压负荷转供的双重约束，LVFDN 的运行将更加复杂，需要研究新的 TSC模型及求解算法。本文首先研究了 LVFDN 的典型结构及其运行方式；其次，研究了考虑台区柔性互联、负荷多级转供的 TSC 模型；然后，针对所提 TSC 模型特征研究其求解算法；最后，选取实际配电网算例验证所提TSC 计算方法的准确性，并分析低压柔性互联对TSC的影响机理。1 考虑台区柔性互联的配电网形态1.1网架结构低压台区柔性互联的基本结构主要包括集中式和分布式 2种29，见附录 A。集中式台区柔性互联的各台区经由低压侧一路交流电缆引出，通过 AC/DC 转换器连接至公共直流母线，并在直流侧预留各种新能源、储能或负载的接口。宁波北仑集装箱工程、英国 FUN-LV 工程等均为此类方式。其优点包括 FID 集中布置、便于管理，不同换流站之间通信简单；缺点包括可以预留的直流端口数有限，可直接接入的直流负载数量较少，而且需要额外的站址安置 FID。集中式布置适用于直流源荷规模较小、分布相对集中的场景。分布式台区柔性互联的各台区低压侧交流出线通过 AC/DC 转换器就地连接直流母线，各台区间再通过直流电缆和直流开关互联，直流侧同样预留接口。这类方式的优点包括便于大规模 DG、储能、直流负载等直流设备的接入，不需要额外为换流站选址，基于已有开关柜改造扩建即可；缺点包括 FID的不同端口距离较远，存在通信问题，运行维护工作量大，而且直流断路器等额外设备成本相对较高。FID 规划方面，首先，通过负荷曲线分析台区负荷时空特性的互补程度，优先选址在互补程度较高的地区；然后，根据不同场景下台区间负荷转供需求确定 FID 的端口容量；最后，实地考察确定安装方案。一个具备一定规模的 LVFDN如图 1所示。1.2运行方式正常运行时，基于 FID的功率连续调节功能，互联台区能够通过 FID实现负荷均衡，缓解配变重载、过载的风险。此外，基于 FID 的独立无功功率输出功能，还可以为台区提供电压支撑，缓解间歇性 DG接入造成的电能质量问题。当某个台区的配变故障退出运行后，首先，计算互联其他台区配变的剩余容量，确定必须切除的负荷以及可以转供的负荷；然后，将可转供的负荷通过FID 快 速 转 带 至 互 联 的 其 他 台 区 配 变。当 某 段10 kV 馈线发生故障并隔离后，为恢复非故障区供电，配电网将同时采取 2种手段：1）通过中压线路开关操作转移非故障区负荷，尽可能地恢复供电；2）通过低压 FID 转移台区的部分负荷（互联台区中至少有一个处于非故障区）。2种手段综合运用，以损失负荷最小为目标。当 110 kV 或 35 kV 变压器发生故障退出运行时，可以等效为若干条馈线失电，负荷转供方式与 10 kV馈线故障类似。以一个局部低压台区柔性互联配电网为例说明上述运行方式，如图 2 所示。在正常运行时，开关（包含负荷开关和断路器）K1、K2、K4、K6、K7闭合，K3、K5断开。此时，配变 D1和 D2、D3和 D4分别通过 FID连接，以负载率均衡为目标运行。当配变 D1 故障时，D1 的负荷总开关断开，D1所供的 L1 部分负荷（可转供部分）经 FID 转供至D2。当馈线 F2出口故障后，K4断开，K3闭合，此时D3 由馈线 F1 供电，同时考虑到馈线 F1 的容量约束，可将 L3 部分负荷转供至 D4（二次转供）。二次转供过程如图 2 所示。图 2 中，F2F1 表示负荷的供给电源由电源 F2 变为电源 F1，其余以此类推。更多接线模式的 LVFDN负荷转供方式见附录 B。2 考虑台区柔性互联的 TSC模型根据 1.1节 LVFDN 网架结构与 1.2节运行方式建立 LVFDN的 TSC模型。2.1基本假设城市地区土地空间资源紧张、负荷密度大，台区852023，47（7）学术研究 供电能力不足的矛盾更加突出，最有可能率先应用低压柔性互联技术。本文首先针对城市场景特征，结合工程实际给出以下基本假设，这些假设在现有TSC研究中也经常采用19，30：1）设节点功率从配变流出方向为正，注入为负，这与配电网调控人员习惯一致。2）采用直流潮流计算，这是由于城市电网线路相对较短、网损相对较小，简化考虑包括网损的馈线出口潮流31-32。3）故障集考虑主变压器（简称主变）故障退运、馈 线 出 口 线 路 故 障 退 运 和 配 变 故 障 退 运，不 考虑 10 kV支线故障以及 0.4 kV线路故障。4）由于城市地区 DG 渗透率相对较低，节点净功率仍呈中压流向低压的供电特性，暂未考虑 DG。若需考虑，可以简化为负功率负荷。2.2运行约束设配电网台区个数为 n，台区的配变高压进线净功率等于配变所供用户总视在功率以及与台区互联的 FID端口注入功率之和。考虑正常运行时该功率需要小于配变的额定容量，以及不允许配变潮流倒送的约束，有0(SD，i+SFID，i)CD，i 1 i n（1）式中：SD，i为台区配变 i 所供用户总视在功率（不包含 FID 的注入功率）；SFID，i为与台区配变 i 互联的FID 端口注入功率之和，取正表示功率由配变流向FID（FID端口等效为负荷），取负则表示功率由 FID注入配变（FID 等效为电源）；CD，i为配变 i的额定容量；为重载系数，正常运行中一般取 0.70.8，在N-1 场景下可以近似认为等于 1（允许短时重载运行）。FID端口转移功率需满足端口容量约束：|SFID，i|CFID，i（2）式中：CFID，i为与台区配变 i互联的 FID容量。FID 的各个端口功率之和满足基尔霍夫方程，并忽略装置自身损耗，可表示为：i FIDSFID，i=0（3）式中：FID为 FID所有端口集合。在直流潮流的条件下，配电网潮流简化为功率平衡方程30，线路 b 流过的功率等于其下游全部台区配变高压侧进线净功率之和，线路容量约束为：负荷一次转供方向;负荷二次转供方向F2 F1FIDFIDL1L3L4K1K4K7K3K2K5K6F1F2F3L2D2D3L4D4D5L5F2 F3D1联络开关;断路器;分段开关图 2馈线 F2故障下 LVFDN的负荷转供方式Fig.2Load transfer mode of LVFDN under fault of feeder F2ACDCACDCACDC直流微网居民负荷居民负荷电动汽车DG储能FID工商负荷交流微网FID断路器