基于柔性互聯(lián)的源網(wǎng)荷儲協(xié)同主動配電網(wǎng)設(shè)計研究

引言近年來，以風(fēng)、光等可再生能源為主的分布式電源和儲能設(shè)備大規(guī)模接入配電網(wǎng)，傳統(tǒng)“無源”的配電網(wǎng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝性础迸潆娋W(wǎng)。相比于傳統(tǒng)“無源”配電網(wǎng)，“有源”配電網(wǎng)的潮流特征和故障電流特征均發(fā)生顯著改變，易發(fā)生線路過電壓、設(shè)備過載、短路電流越限，保護配置也相對困難。這一系列問題制約了分布式可再生能源的進一步接入和消納。在傳統(tǒng)“無源”配電網(wǎng)中，調(diào)控手段（如變壓器有載調(diào)壓、電容器投切）相對有限，難以解決復(fù)雜“有源”配電網(wǎng)中產(chǎn)生的新問題。另一方面，電力電子技術(shù)、通信控制技術(shù)、儲能技術(shù)發(fā)展迅猛，充分利用這些技術(shù)，對“有源”配電網(wǎng)開展“主動”管理，可以有效改善配電網(wǎng)系統(tǒng)運行，促進可再生能源消納。根據(jù)CIGRE

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C6.11的定義，主動配電網(wǎng)是利用先進的信息、通信以及電力電子技術(shù)對規(guī)?；尤敕植际侥茉吹呐潆娋W(wǎng)實施主動管理，基于靈活的拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)自主協(xié)調(diào)控制間歇式新能源與儲能裝置等分布式能源單元，積極消納可再生能源并確保網(wǎng)絡(luò)的安全經(jīng)濟運行，提升配電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率、延緩配電網(wǎng)的升級投資。目前歐美等發(fā)達國家已有許多主動配電網(wǎng)示范項目正在開展，如歐盟IGREENGrid項目、IDE4L項目，英國CLASS項目，紐約FICS項目等。這些示范工程以提高可再生能源的消納和提高供電可靠性為主要目的，并充分利用配電網(wǎng)中的已有資源、降低投資。2017年6月，國家能源局正式批準(zhǔn)“浙江嘉興城市能源互聯(lián)網(wǎng)綜合試點示范項目”，其中海寧尖山地區(qū)作為重點，預(yù)期把一個集中的、單向的電網(wǎng)，轉(zhuǎn)變成源網(wǎng)荷儲互動合作的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)。本文將以此為背景，從現(xiàn)狀分析、工程方案設(shè)計、項目意義等幾個角度，對在海寧尖山新區(qū)開展的“基于柔性互聯(lián)的源網(wǎng)荷儲協(xié)同主動配電網(wǎng)試點工程”進行詳細闡釋，為相關(guān)主動配電網(wǎng)工程設(shè)計提供借鑒。1

海寧尖山新區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)狀分析尖山新區(qū)占地面積30km2，是嘉興地區(qū)光伏產(chǎn)業(yè)集聚的高新技術(shù)園區(qū)，區(qū)域內(nèi)有220kV安江變電站與110kV尖山變電站［包含110/35/10.5kV主變壓器1臺（編號為1號），容量50MVA；110/20kV主變壓器2臺（編號為2號和3號），容量2×80MVA］2個電源點。其中，尖山變位于新區(qū)中央，承擔(dān)了尖山新區(qū)大部分負荷，2016年夏季用電高峰期間，其最大負荷95.78MW。供區(qū)內(nèi)已并網(wǎng)光伏容量175MW，近期規(guī)劃再接入40～50MW。示范點的地理位置見圖1。圖1示范點位置示意圖大規(guī)模分布式光伏的接入明顯改變了尖山新區(qū)的電網(wǎng)運行特性。首先，由于分布式光伏的大規(guī)模、高密度接入，配電網(wǎng)潮流分布難以預(yù)測，尖山配電網(wǎng)倒送情況頻繁，配電網(wǎng)調(diào)控難度增加。圖2給出了某典型日尖山變電站與2號主變壓器的總功率分布，可以看到，尖山變電站功率倒送最大約為40MW，此時，光伏發(fā)電功率為103.9MW，負荷需求量為64MW，光伏發(fā)電功率滲透率達162%。倒送功率在3臺主變壓器的分布并不均勻，2號與3號主變壓器倒送情況尤其嚴(yán)重。從圖2可以看到2號主變壓器光伏發(fā)電功率滲透率最大值接近200%，不僅區(qū)域內(nèi)光伏消納不佳，當(dāng)光伏裝機持續(xù)增加，在某些極端情況（如春節(jié)）下，還存在變壓器過載風(fēng)險。圖2典型日尖山變電站與2號主變壓器總功率分布其次，大量分布式光伏發(fā)電出力抬升電網(wǎng)整體電壓，降低電壓裕度，極易造成電壓越限，使得配電網(wǎng)穩(wěn)定控制更加復(fù)雜。圖3給出了2號主變壓器所轄饋線電壓分布，可以看到，有光伏接入的線路中多條發(fā)生了功率倒送，線路下游電壓反而高于饋線首端電壓，最高值則已經(jīng)超過國標(biāo)所規(guī)定的1.07p.u.的上限（虛線表示各光伏電源并網(wǎng)點電壓）。由于接入饋線的電源時空分布情況復(fù)雜，采用傳統(tǒng)集中式AVC調(diào)節(jié)，無法保證全網(wǎng)所有節(jié)點電壓都在合格范圍內(nèi)。圖32號主變壓器所轄饋線電壓分布分布式光伏電源的大規(guī)模接入也對尖山新區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量、保護配置產(chǎn)生了影響。隨著光伏容量的進一步增加，電網(wǎng)面臨的運行壓力也日益增大，因此亟需對配電網(wǎng)采取主動控制與管理措施，以應(yīng)對上述問題。2

工程設(shè)計方案為了促進尖山新區(qū)高密度分布式光伏的消納，為園區(qū)提供高可靠與高質(zhì)量的供電，并為主動配電網(wǎng)建設(shè)提供示范，國網(wǎng)浙江省電力有限公司將在尖山新區(qū)開展“基于柔性互聯(lián)的源網(wǎng)荷儲協(xié)同主動配電網(wǎng)試點工程”。通過試點工程建設(shè)，實現(xiàn)海寧尖山地區(qū)的6個主動，即電網(wǎng)公司側(cè)的主動規(guī)劃、主動管理、主動控制與主動服務(wù)以及用戶側(cè)的主動響應(yīng)和分布式新能源發(fā)電側(cè)的主動參與。試點工程整體框架見圖4，分為4個子項：基于高密度分布式電源的柔性互聯(lián)技術(shù)應(yīng)用示范；高可靠性供電的交直流混合配電網(wǎng)示范；集中式與分布式儲能應(yīng)用示范；基于狀態(tài)感知和數(shù)據(jù)挖掘的網(wǎng)源荷儲協(xié)調(diào)控制技術(shù)應(yīng)用示范。圖4試點工程整體框架2.1基于高密度分布式電源的柔性互聯(lián)技術(shù)應(yīng)用示范子項一基于高密度分布式電源的柔性互聯(lián)技術(shù)應(yīng)用示范的總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。工程將1號主變壓器下轄10kV鳳凰線與倒送情況嚴(yán)重的3號主變壓器下轄20kV富江線采用柔性直流技術(shù)互聯(lián)。直流母線電壓為10kV，換流器采用MMC拓撲，額定容量為10MW。通過柔性直流互聯(lián)，1號主變壓器下轄區(qū)域和3號主變壓器下轄區(qū)域可以實現(xiàn)潮流靈活控制和功率互濟。圖5柔性互聯(lián)技術(shù)應(yīng)用示范示意圖柔性互聯(lián)潮流靈活控制的原理簡述如下：正常情況下柔直一側(cè)工作于直流電壓控制模式，維持直流電壓恒定，另一側(cè)工作于功率控制模式，根據(jù)集控系統(tǒng)指令輸出指定的有功功率。由于3號主變壓器功率倒送嚴(yán)重，通過柔性互聯(lián)，可以快速將冗余功率轉(zhuǎn)移至1號主變壓器下轄區(qū)域，減少功率倒送，實現(xiàn)分布式光伏的就地消納。當(dāng)一側(cè)主變壓器失電時，換流器可切換工作于交流電壓控制模式，具備向失電主變壓器所轄區(qū)域不間斷供電的能力，增強了供電可靠性。此外，柔直換流站兼具STATCOM和有源濾波的功能，為系統(tǒng)提供動態(tài)無功支撐、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)、諧波治理等功能。每一換流站最多可發(fā)出或吸收10MVA無功，可有效改善區(qū)域內(nèi)電壓，提高供電質(zhì)量。2.2高可靠性供電的交直流混合配電網(wǎng)示范為進一步提高園區(qū)內(nèi)關(guān)鍵負荷供電的可靠性，子項二以多端口電力能量路由器為核心，構(gòu)建1個高可靠性供電的交直流混合配電網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)見圖6。圖6中包括四端口電力能量路由器2套；分別由2個能量路由器的1個端口引出單母分段結(jié)構(gòu)的直流配電系統(tǒng)1套，分段間采用混合式直流斷路器；分別由2個能量路由器的1個端口引出單母分段結(jié)構(gòu)的交流配電系統(tǒng)1套，分段間采用交流斷路器。交流區(qū)域二包含儲能元件，構(gòu)成1個可獨立運行的低壓交流微電網(wǎng)。圖6交直流混合配電網(wǎng)示范示意圖多端口電力能量路由器為該交直流混合配電網(wǎng)的核心。四端口分別為直流±10kV/500kW，連接柔性互聯(lián)系統(tǒng)±10kV直流母線；直流±375V/250kW，連接直流±375V配電母線；交流380V/150kVA，連接交流380V配電母線；直流通用接口100kW，可靈活連接光伏、儲能等元件。以多端口電力能量路由器為核心的交直流混合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了系統(tǒng)中所有電源（包括柔直系統(tǒng)、交流儲能系統(tǒng)、直流儲能系統(tǒng)、交流光伏、直流光伏、外部380V電源）和負荷的互聯(lián)互通，因而可提高系統(tǒng)供電可靠性并促進區(qū)域內(nèi)可再生能源的消納。以直流區(qū)域一為例，系統(tǒng)中6個電源均可以通過2個電力能量路由器向其供電，其電源供電回路共有12條，在供電可靠性顯著提升的同時，也為可再生能源提供了更多的消納通道。2.3集中式與分布式儲能應(yīng)用示范子項三為集中式與分布式儲能系統(tǒng)在主動配電網(wǎng)中應(yīng)用示范。工程中將配置3種類型的儲能系統(tǒng)：兆瓦級集中式儲能系統(tǒng)、光儲一體化系統(tǒng)、分布式儲能系統(tǒng)。這3種儲能系統(tǒng)的應(yīng)用可有效促進可再生能源消納、平抑可再生能源波動、提高系統(tǒng)的供電可靠性與供電質(zhì)量。兆瓦級集中式儲能系統(tǒng)配置于3號主變壓器下轄20kV安江線，見圖7。該儲能系統(tǒng)除具備常規(guī)削峰填谷、平抑光伏波動、調(diào)節(jié)饋線電壓外，還使得所轄區(qū)域具備孤島運行能力。在母線失電時，儲能系統(tǒng)可繼續(xù)向區(qū)域負荷供電，有效提高了供電可靠性。圖7

集中式儲能系統(tǒng)應(yīng)用示意圖光儲一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖8，分布式儲能元件通過變流器與光伏直流母線相連，控制直流母線電壓幅值。并網(wǎng)逆變單元可以根據(jù)電網(wǎng)需求，工作于恒功率控制模式、下垂控制模式或虛擬同步機控制模式。將分布式儲能與分布式光伏結(jié)合，原不可控的光伏系統(tǒng)功率輸出將可控，可接受系統(tǒng)調(diào)度，同時其對電網(wǎng)外特性也更為友好，可有效提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。圖8

光儲一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖分布式儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖9，其結(jié)構(gòu)為常規(guī)DC/AC換流器。項目將布置多個分布式儲能系統(tǒng)于不同饋線。分布式儲能系統(tǒng)不僅具有調(diào)蓄光伏輸出、提高光伏消納的功能，還能提高系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)能力。通過對多點分布式儲能無功的調(diào)控，可以有效改善全系統(tǒng)的電壓分布。圖9分布式儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.4基于狀態(tài)感知和數(shù)據(jù)挖掘的網(wǎng)源荷儲協(xié)調(diào)控制技術(shù)應(yīng)用示范前面3個子項中引入了大量可控元件，如柔性互聯(lián)裝置、多端口電力能量路由器、微電網(wǎng)、集中式與分布式儲能裝置、分布式電源等，加之配電網(wǎng)中原有的有載調(diào)壓變壓器、并聯(lián)電容器，全系統(tǒng)的可控性大大增強。為了協(xié)調(diào)配電網(wǎng)中的多種可調(diào)資源，實現(xiàn)對配電網(wǎng)的主動管理，子項三將建設(shè)1套基于狀態(tài)感知和數(shù)據(jù)挖掘的網(wǎng)源荷儲協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，作為整個工程的大腦?？刂葡到y(tǒng)的目標(biāo)主要有3個：最大化分布式電源消納；提高供電質(zhì)量；減少網(wǎng)絡(luò)損耗，降低運行成本。由于可調(diào)資源數(shù)量多、分布廣，網(wǎng)源荷儲協(xié)調(diào)控制采用分層分級的控制模式，即集中決策層–分布控制層–設(shè)備層3層架構(gòu)。集中決策層進行全局優(yōu)化，分布控制層完成區(qū)域范圍內(nèi)的分布式協(xié)同控制。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)面向主動配電網(wǎng)內(nèi)多種可調(diào)資源，結(jié)合主動配電網(wǎng)不同的控制要求，建立多時間尺度多目標(biāo)有功無功協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)對配電系統(tǒng)的多目標(biāo)主動控制與管理。3

應(yīng)用化價值項目的建設(shè)對于促進尖山新區(qū)新能源消納、改善尖山新區(qū)配電網(wǎng)運行有顯著作用。項目也將推動海寧電網(wǎng)向源網(wǎng)荷儲互動合作的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的升級轉(zhuǎn)型。項目應(yīng)用的具體意義包括：1）依托網(wǎng)架優(yōu)化調(diào)整和柔性互聯(lián)線路的建設(shè)，解決尖山變大規(guī)模光伏的接入在特殊時間段、特殊運行方式下接入容量飽和的問題。2）利用柔性互聯(lián)，在同等光伏能源滲透率的情況下，110kV尖山變供區(qū)的日光伏功率滲透率最大值超過100%的天數(shù)顯著下降。3）利用柔性互聯(lián)、儲能等多種調(diào)節(jié)方式，110kV尖山變供區(qū)電壓偏差控制在標(biāo)稱電壓的±7%，供電電壓合格率達到100%。4）利用多端口能量路由器技術(shù)實現(xiàn)交直流混合配電網(wǎng)內(nèi)新能源的100%就地消納和高可靠性不間斷供電。5）實現(xiàn)尖山新區(qū)網(wǎng)源荷各類資源全狀態(tài)感知，實現(xiàn)與各類自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，保障電網(wǎng)安全可靠運行；實現(xiàn)配電網(wǎng)主動控制、分布式電源監(jiān)控和用戶電能質(zhì)量監(jiān)測的可視化。4

結(jié)語隨著大規(guī)模分