低压配电台区多端口能量路由器优化配置研究_陈斌.pdf

配电532供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月低压配电台区多端口能量路由器优化配置研究陈斌1,2，李昀宸3,4，马仲坤1，刘文龙3，吕志鹏3,4，黄奇峰1，金荣康3,4，戚星宇1（1国网江苏省电力有限公司常州供电分公司，江苏 常州 213003；2南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210016；3国网上海能源互联网研究院有限公司，上海 201210；4上海电力大学，上海 201306）摘 要：通过能量路由器对传统配电台区进行柔性化改造，能够有效应对冲击性负荷与分布式电源接入台区所带来的影响。提出一种多端口能量路由器优化配置方法，能够合理配置能量路由器中储能单元容量，以使台区固定资产投资、设备电能损耗及负荷限幅损失构成的综合成本最小。首先，简要介绍了多端口能量路由器及其优势；然后，以配电台区投资运营综合成本最小为目标函数，建立了考虑储能寿命约束的多端口能量路由器的优化配置模型；最后，通过算例验证了多端口能量路由器在交直流多模式供电、源荷储高效互动与设备柔性增容方面的显著优势。关键词：配电台区；能量路由器；容量配置；交直流混合供电；储能单元控制中图分类号：TM72 文献标志码：A DOI：10.19421/ki.1006-6357.2023.02.005 引文信息陈斌，李昀宸，马仲坤，等低压配电台区多端口能量路由器优化配置研究J 供用电，2023，40（2）：32-38CHEN Bin，LI Yunchen，MA Zhongkun，et alResearch on optimal configuration of multi-port energy router in low voltage distribution networkJ Distribution&Utilization，2023，40（2）：32-38.基金项目：国网江苏省电力有限公司科技项目（J2021025）。Supported by State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd.（J2021025）0 引言随着新基建的开展实施和低碳环保理念的普及，电动汽车充电桩、分布式电源、储能装置等新增元素快速增长，这些新增元素需要通过大量换流环节实现并网运行，将会增加配电设备数量、台区整体损耗以及控制复杂程度1-4。并且，电动汽车充电功率随机性、冲击性特点以及分布式电源出力波动性、间歇性的特点，提高了配电台区运行状态的不确定性和复杂度5-8。此外，在交直流多模式供电情况下，实现新型直流负荷与分布式电源接入的接口设备与控制技术要相对简单得多9-11。因此，亟须对传统交流配电台区进行柔性改造升级，促进新基建负荷与分布式电源友好接入，应对负荷波动实现动态增容，为配电台区提供高品质多模式供电。能量路由器作为柔性配电台区中的关键设备，提供了多种电能形式的标准化接口，能够实现包括分布式发电装置在内的各种交直流电力设备即插即用式接入12-14。通过对各端口潮流进行实时控制，能量路由器可以实现能量管理、潮流调度等电网需求15-18。同时，利用多端口潮流协同控制策略，能量路由器实现了电力电子化配电台区内源荷储有效互动，从而降低了台区运行损耗，提升了台区设备容量利用率19-22。然而，目前能量路由器的投资成本普遍较高，需要结合能量路由器的灵活性优势，合理配置能量路由器中储能单元的容量，用以满足配电台区柔性化改造的经济性需求。本文对柔性配电台区及多端口能量路由器的构成进行了简要介绍，并阐述了多端口能量路由器在低压配电台区电力电子化改造中的重要作用。在此基础上，以配电台区综合成本为目标函数，考虑有功功率平衡、设备容量限制以及储能循环寿命约束，建立了多端口能量路由器优化配置模型。最后通过算例对优化配置模型进行验证，同时对比分析了储能配置情况、配电变压器容量和储能单元对于优化结果的影响。1 能量路由器1.1 配电台区能量路由器结构低压配电台区及多端口能量路由器结构如图1所示，多端口能量路由器400 V交流端口与台区配电变压器低压母线相连，通过AC/DC换流器为装置内部直流母线供电。装置内部直流母线通过直流端口与台供用电2023年第02期第一部分.indd 32供用电2023年第02期第一部分.indd 322023/2/8 下午4:102023/2/8 下午4:10配电533供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月区直流母线相连，为台区内快充桩、智慧路灯等直流负荷以及光伏、风机等分布式电源提供便捷的接入方式。考虑到目前电动汽车充电桩的功率为60 kW或120 kW（双枪），电压为500800 V，参考GB/T 357272017中低压直流配电电压导则的中低压直流配电电压等级序列，选择台区直流母线电压为375 V，极间电压为750 V。同时，装置内部母线连接有DC/DC变换器，使得能量路由器能够通过低压直流端口额外为台区提供220 V直流供电。此外，能量路由器内部装有储能单元，用以平抑冲击性负荷及分布式电源带来的功率波动。供电的影响23。此外，能量路由器不仅能够减少台区内换流装置的数量从而降低台区配电设备损耗，还能够有效整合台区可调控资源，提升整体协调控制水平，实现台区源荷储的有效互动，进一步提高配电台区投资运营的经济性。综上所述，多端口能量路由器能够在为用户提供交直流多模式供电，实现电力电子化配电台区内的能量与设备容量的柔性扩容的同时，还可有效整合台区可调控资源，提高台区投资运营的经济性。2 能量路由器配置模型2.1 目标函数多端口能量路由器优化配置目标为在满足配电台区安全稳定运行的前提下，考虑储能电池的循环寿命约束，优化配置能量路由器中储能单元的容量，尽可能地使由配电台区固定资产投资、设备电能损耗以及由变压器传输容量限制而产生的负荷限幅损失构成的综合成本最小。（1）式中：F为配电台区综合成本；Ffix为固定成本；Fvar为可变成本。2.1.1 固定成本固定成本Ffix包括整流器固定成本FAC/DC.fix、750 V转220 V直流变压器固定成本FDC/DC.fix、储能固定成本Fess.fix：（2）（3）（4）（5）式中：fAC/DC、PAC/DC.max分别为整流器的单位容量成本、配置容量；fDC/DC、PDC/DC.max分别为750 V转220 V直流变压器的单位容量成本、配置容量；fport、Pport分别为储能DC/DC接口的单位容量成本、配置容量；fbat、Emax分别为储能电池的单位容量成本、配置容量。2.1.2 可变成本配电台区可变成本Fvar包括配电台区变压器可变成本Ftr.var、整流器可变成本FAC/DC.var、750 V转220 V直流变压器可变成本FDC/DC.va、储能可变成本Fess.var：（6）变压器可变成本Ftr.var由变压器运行损耗成本Floss和10 kV交流母线台区配电变压器400 V交流母线750 V直流母线交流负荷直流负荷储能电池分布式电源直流负荷220 V直流母线多端口能量路由器220 V220 V直流端口直流端口750 V直流端口400 V交流端口交流端口装置内部750 V直流母线DCDCDCDCDCDCDCDCDCACDCDC图1低压配电台区及多端口能量路由器结构Fig.1 Low voltage distribution network and multi port energy router structure1.2 台区配置能量路由器作用及优势在传统交流配电台区，通过多端口能量路由器进行交直流多电压等级变换，在以往400 V交流供电的基础上，向台区额外提供750 V和220 V直流供电，实现供电区域内5G基站、数据服务器、分布式新能源等设施的即插即用式接入。能量路由器作为柔性配电台区的枢纽，同时能够利用多端口潮流协同控制策略，实现电力电子化配电台区内的能量路由。同时，能量路由器中的储能单元能够为能量持续供给、能量质量控制和能量调度管理提供支撑、优化和服务，通过合理安排储能充放电计划实现台区配电设备的柔性扩容，从而最大程度地减小电动汽车充电桩等冲击性负荷对台区供用电2023年第02期第一部分.indd 33供用电2023年第02期第一部分.indd 332023/2/8 下午4:102023/2/8 下午4:10配电534供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月功率限幅损失Flim构成：（7）变压器运行损耗成本Floss包括空载损耗与负载损耗：（8）（9）式中：fcost为电价；T为配置周期内时段数量；P0为变压器空载损耗；Pk为变压器短路损耗；t为时段长度；为变压器负载率；PT(t)为t时段的配电变压器负载功率；STN为变压器额定容量；cos为功率因数。由于配电变压器传输容量有限，在台区负荷过高时，需要对台区可调负荷进行限幅，由此损失的电费记为功率限幅损失Flim24：（10）（11）式中：Plim(t)为t时段的损失功率；max为变压器负载率最大值。FAC/DC.var、FDC/DC.var和Fess.var取决于三者在传输功率中产生的电能损耗：（12）（13）（14）式中：PAC/DC(t)为t时段能量路由器400 V交流端口传输功率；AC/DC为整流器效率；PL.DCL(t)为220 V直流端口负荷功率；DC/DC为直流变压器效率；Pch(t)为储能充电功率；Pdis(t)为储能放电功率；port为储能DC/DC接口效率。2.2 约束条件2.2.1 有功功率平衡约束有功功率平衡约束包括台区400 V交流母线功率平衡约束、台区750 V直流母线功率平衡约束、台区220 V直流母线功率平衡约束、柔性多端口装置内部750 V直流母线功率平衡约束为：（15）（16）（17）（18）式中：PL.AC(t)为400 V交流端口负荷功率；PDCH(t)为750 V直流端口输出功率；PG(t)为分布式电源出力；PL.DCH(t)为750 V直流端口负荷功率；PDCL(t)为220 V直流端口输出功率。2.2.2 台区配电设备容量约束配电变压器容量约束为：（19）整流器容量约束为：（20）750 V转220 V直流变压器容量约束为：（21）2.2.3 储能相关约束储能DC/DC接口容量约束为：（22）（23）式中：Uess(t)为t时段储能充放电0-1状态变量（1表示充电、0表示放电）。储能电池荷电状态SOC(t)约束为：（24）（25）式中：SOC.max、SOC.min分别为储能电池的电量最大值与最小值；E(0)为储能电池初始电量。储能电池电量平衡约束为：（26）储能电池循环寿命约束：（27）（28）式中：Sess(t)为储能电池充放电循环计数0-1变量（当储能在t时刻开始充电则取1，否则取0）；Sess.life为储能电池循环寿命。3 算例分析3.1 参数设置结合文献14，25-26与相关示范项目设置算例参数，配置周期为10年，时段长度t为1 h，电费取0.636元/kWh，算例参数设置如表1所示。供用电2023年第02期第一部分.indd 34供用电2023年第02期第一部分.indd 342023/2/8 下午4:102023/2/8 下午4:10配电535供用电DISTRIBUTION&UTILIZATION第 40 卷 第 2 期2023 年 2 月表1算例参数设置Table1 Example parameter setting设备名称参数数值变压器变压器额定容量/kVA630变压器空载损耗/kW0.84变压器短路损耗/kW6.20功率因数0.90负载率最大值0.80整流器整流器单位容量成本/(元 kW-1)2 000整流器效率0.98直流变压器直流变压器单位容量成本/(元 kW-1)500直流变压器效率0.99储能储能DC/DC接口单位容量成本/(元 kW-1)500储能电池单位容量成本/元(