基于柔性互联的源网荷储协同主动配电网设计研究

0 引言

近年来，以风、光等可再生能源为主的分布式电源和储能设备大规模接入配电网，传统“无源”的配电网逐步转变为“有源”配电网。相比于传统“无源”配电网，“有源”配电网的潮流特征和故障电流特征均发生显著改变，易发生线路过电压、设备过载、短路电流越限，保护配置也相对困难。这一系列问题制约了分布式可再生能源的进一步接入和消纳。

在传统“无源”配电网中，调控手段(如变压器有载调压、电容器投切)相对有限，难以解决复杂“有源”配电网中产生的新问题。另一方面，电力电子技术、通信控制技术、储能技术发展迅猛，充分利用这些技术，对“有源”配电网开展“主动”管理，可以有效改善配电网系统运行，促进可再生能源消纳。根据CIGRE Working Group C6.11的定义，主动配电网是利用先进的信息、通信以及电力电子技术对规模化接入分布式能源的配电网实施主动管理，基于灵活的拓扑结构，实现自主协调控制间歇式新能源与储能装置等分布式能源单元，积极消纳可再生能源并确保网络的安全经济运行，提升配电网资产的利用率、延缓配电网的升级投资。

目前欧美等发达国家已有许多主动配电网示范项目正在开展，如欧盟IGREENGrid项目、IDE4L项目，英国CLASS项目，纽约FICS项目等。这些示范工程以提高可再生能源的消纳和提高供电可靠性为主要目的，并充分利用配电网中的已有资源、降低投资。

2017年6月，国家能源局正式批准“浙江嘉兴城市能源互联网综合试点示范项目”，其中海宁尖山地区作为重点，预期把一个集中的、单向的电网，转变成源网荷储互动合作的区域能源互联网。本文将以此为背景，从现状分析、工程方案设计、项目意义等几个角度，对在海宁尖山新区开展的“基于柔性互联的源网荷储协同主动配电网试点工程”进行详细阐释，为相关主动配电网工程设计提供借鉴。

1 海宁尖山新区电网现状分析

尖山新区占地面积30km2，是嘉兴地区光伏产业集聚的高新技术园区，区域内有220kV安江变电站与110kV尖山变电站[包含110/35/10.5kV主变压器1台(编号为1号)，容量50MVA；110/20kV主变压器2台(编号为2号和3号)，容量2×80MVA]2个电源点。其中，尖山变位于新区中央，承担了尖山新区大部分负荷，2016年夏季用电高峰期间，其最大负荷95.78MW。供区内已并网光伏容量175MW，近期规划再接入40～50MW。示范点的地理位置见图1。

大规模分布式光伏的接入明显改变了尖山新区的电网运行特性。首先，由于分布式光伏的大规模、高密度接入，配电网潮流分布难以预测，尖山配电网倒送情况频繁，配电网调控难度增加。图2给出了某典型日尖山变电站与2号主变压器的总功率分布，可以看到，尖山变电站功率倒送最大约为40MW，此时，光伏发电功率为103.9MW，负荷需求量为64MW，光伏发电功率渗透率达162%。倒送功率在3台主变压器的分布并不均匀，2号与3号主变压器倒送情况尤其严重。从图2可以看到2号主变压器光伏发电功率渗透率最大值接近200%，不仅区域内光伏消纳不佳，当光伏装机持续增加，在某些极端情况(如春节)下，还存在变压器过载风险。

其次，大量分布式光伏发电出力抬升电网整体电压，降低电压裕度，极易造成电压越限，使得配电网稳定控制更加复杂。图3给出了2号主变压器所辖馈线电压分布，可以看到，有光伏接入的线路中多条发生了功率倒送，线路下游电压反而高于馈线首端电压，最高值则已经超过国标所规定的1.07p.u.的上限(虚线表示各光伏电源并网点电压)。由于接入馈线的电源时空分布情况复杂，采用传统集中式AVC调节，无法保证全网所有节点电压都在合格范围内。

分布式光伏电源的大规模接入也对尖山新区电网电能质量、保护配置产生了影响。随着光伏容量的进一步增加，电网面临的运行压力也日益增大，因此亟需对配电网采取主动控制与管理措施，以应对上述问题。

2 工程设计方案

为了促进尖山新区高密度分布式光伏的消纳，为园区提供高可靠与高质量的供电，并为主动配电网建设提供示范，国网浙江省电力有限公司将在尖山新区开展“基于柔性互联的源网荷储协同主动配电网试点工程”。通过试点工程建设，实现海宁尖山地区的6个主动，即电网公司侧的主动规划、主动管理、主动控制与主动服务以及用户侧的主动响应和分布式新能源发电侧的主动参与。

试点工程整体框架见图4，分为4个子项：基于高密度分布式电源的柔性互联技术应用示范；高可靠性供电的交直流混合配电网示范；集中式与分布式储能应用示范；基于状态感知和数据挖掘的网源荷储协调控制技术应用示范。

2.1 基于高密度分布式电源的柔性互联技术应用示范

子项一基于高密度分布式电源的柔性互联技术应用示范的总体结构如图5所示。工程将1号主变压器下辖10kV凤凰线与倒送情况严重的3号主变压器下辖20kV富江线采用柔性直流技术互联。直流母线电压为10kV，换流器采用MMC拓扑，额定容量为10MW。通过柔性直流互联，1号主变压器下辖区域和3号主变压器下辖区域可以实现潮流灵活控制和功率互济。

柔性互联潮流灵活控制的原理简述如下：正常情况下柔直一侧工作于直流电压控制模式，维持直流电压恒定，另一侧工作于功率控制模式，根据集控系统指令输出指定的有功功率。由于3号主变压器功率倒送严重，通过柔性互联，可以快速将冗余功率转移至1号主变压器下辖区域，减少功率倒送，实现分布式光伏的就地消纳。当一侧主变压器失电时，换流器可切换工作于交流电压控制模式，具备向失电主变压器所辖区域不间断供电的能力，增强了供电可靠性。

此外，柔直换流站兼具STATCOM和有源滤波的功能，为系统提供动态无功支撑、动态电压调节、谐波治理等功能。每一换流站最多可发出或吸收10MVA无功，可有效改善区域内电压，提高供电质量。

2.2 高可靠性供电的交直流混合配电网示范

为进一步提高园区内关键负荷供电的可靠性，子项二以多端口电力能量路由器为核心，构建1个高可靠性供电的交直流混合配电网，其结构见图6。图6中包括四端口电力能量路由器2套；分别由2个能量路由器的1个端口引出单母分段结构的直流配电系统1套，分段间采用混合式直流断路器；分别由2个能量路由器的1个端口引出单母分段结构的交流配电系统1套，分段间采用交流断路器。交流区域二包含储能元件，构成1个可独立运行的低压交流微电网。

多端口电力能量路由器为该交直流混合配电网的核心。四端口分别为直流±10kV/500kW，连接柔性互联系统±10kV直流母线；直流±375V/250kW，连接直流±375V配电母线；交流380V/150kVA，连接交流380V配电母线；直流通用接口100kW，可灵活连接光伏、储能等元件。

以多端口电力能量路由器为核心的交直流混合配电网结构实现了系统中所有电源(包括柔直系统、交流储能系统、直流储能系统、交流光伏、直流光伏、外部380V电源)和负荷的互联互通，因而可提高系统供电可靠性并促进区域内可再生能源的消纳。以直流区域一为例，系统中6个电源均可以通过2个电力能量路由器向其供电，其电源供电回路共有12条，在供电可靠性显著提升的同时，也为可再生能源提供了更多的消纳通道。

2.3 集中式与分布式储能应用示范

子项三为集中式与分布式储能系统在主动配电网中应用示范。工程中将配置3种类型的储能系统：兆瓦级集中式储能系统、光储一体化系统、分布式储能系统。这3种储能系统的应用可有效促进可再生能源消纳、平抑可再生能源波动、提高系统的供电可靠性与供电质量。

兆瓦级集中式储能系统配置于3号主变压器下辖20kV安江线，见图7。该储能系统除具备常规削峰填谷、平抑光伏波动、调节馈线电压外，还使得所辖区域具备孤岛运行能力。在母线失电时，储能系统可继续向区域负荷供电，有效提高了供电可靠性。

光储一体化系统的结构见图8，分布式储能元件通过变流器与光伏直流母线相连，控制直流母线电压幅值。并网逆变单元可以根据电网需求，工作于恒功率控制模式、下垂控制模式或虚拟同步机控制模式。将分布式储能与分布式光伏结合，原不可控的光伏系统功率输出将可控，可接受系统调度，同时其对电网外特性也更为友好，可有效提高系统运行的稳定性。

分布式储能系统结构见图9，其结构为常规DC/AC换流器。项目将布置多个分布式储能系统于不同馈线。分布式储能系统不仅具有调蓄光伏输出、提高光伏消纳的功能，还能提高系统的电压调节能力。通过对多点分布式储能无功的调控，可以有效改善全系统的电压分布。

2.4基于状态感知和数据挖掘的网源荷储协调控制技术应用示范

前面3个子项中引入了大量可控元件，如柔性互联装置、多端口电力能量路由器、微电网、集中式与分布式储能装置、分布式电源等，加之配电网中原有的有载调压变压器、并联电容器，全系统的可控性大大增强。为了协调配电网中的多种可调资源，实现对配电网的主动管理，子项三将建设1套基于状态感知和数据挖掘的网源荷储协调控制系统，作为整个工程的大脑。控制系统的目标主要有3个：最大化分布式电源消纳；提高供电质量；减少网络损耗，降低运行成本。

由于可调资源数量多、分布广，网源荷储协调控制采用分层分级的控制模式，即集中决策层–分布控制层–设备层3层架构。集中决策层进行全局优化，分布控制层完成区域范围内的分布式协同控制。协调控制系统面向主动配电网内多种可调资源，结合主动配电网不同的控制要求，建立多时间尺度多目标有功无功协调优化调度模型，实现对配电系统的多目标主动控制与管理。

3 应用化价值

项目的建设对于促进尖山新区新能源消纳、改善尖山新区配电网运行有显著作用。项目也将推动海宁电网向源网荷储互动合作的区域能源互联网的升级转型。

项目应用的具体意义包括：

1)依托网架优化调整和柔性互联线路的建设，解决尖山变大规模光伏的接入在特殊时间段、特殊运行方式下接入容量饱和的问题。

2)利用柔性互联，在同等光伏能源渗透率的情况下，110kV尖山变供区的日光伏功率渗透率最大值超过100%的天数显著下降。

3)利用柔性互联、储能等多种调节方式，110kV尖山变供区电压偏差控制在标称电压的±7%，供电电压合格率达到100%。

4)利用多端口能量路由器技术实现交直流混合配电网内新能源的100%就地消纳和高可靠性不间断供电。

5)实现尖山新区网源荷各类资源全状态感知，实现与各类自动化系统数据交互，保障电网安全可靠运行；实现配电网主动控制、分布式电源监控和用户电能质量监测的可视化。

4 结语

随着大规模分布式可再生能源与储能设备接入，配电网的结构从“无源”转变为“有源”，与其相适应，其管理方式也应从“被动”转变为“主动”。本文以一个具体工程项目的方案设计为例，阐释了如何利用电力电子、储能、信息通信等新技术，对一个高密度分布式可再生能源接入的配电网进行主动管理与控制，以促进可再生能源的消纳，并提高供电可靠性与供电质量。柔性互联、多端口电力能量路由器等技术扩展了配电网运行的灵活性，具有广泛的应用前景；同时，该项目的建设也可以为相关主动配电网工程设计提供借鉴。

作者简介：

章雷其，男，博士，工程师，研究方向为分布式能源及微电网关键技术。

赵波，男，博士，教授级高级工程师，研究方向为分布式能源及微电网关键技术。

章雷其1，汪湘晋1，徐珂1，江明强2，施海峰2，赵波1

(1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江 杭州 310014；2.国网浙江海宁市供电公司，浙江 海宁 314400)

引文信息

章雷其，汪湘晋，徐珂，等.基于柔性互联的源网荷储协同主动配电网设计研究[ J].供用电，2018，35(1)：28-33