柔直與光儲混聯主動配電系統研究及應用

張加嶺，張家盛，李善波

（1.國網徐州供電公司，江蘇徐州221000；2.蘇州市科遠軟件技術開發有限公司，江蘇蘇州215000）

1 引言

徐州地區配電網沿襲傳統配電網發展的方式，使用過程中面臨著一些新課題，引發了我們的思考。一是公用配變受季節性負荷影響平均負載率低，運行經濟性不高，這也是全省電網的共性問題。二是沖擊負荷造成局部配變短時過載，無法有效均衡負載，單純依靠增加容載比性價比低。三是徐州電網在主動配電網技術領域仍是空白，不具備規模化分布式電源接入必需的主動感知和主動控制能力，目前分布式電源和電動汽車接入對電能質量造成了一定影響。四是供電可靠性與先進地區差距明顯，低壓配電網無論計劃工作或設備故障都會對客戶造成停電，用戶年平均停電時間較長。

為了解決徐州地區配電網發展中遇到的新問題，我們問計于配電網發展的前沿技術，在主動配電網和柔性直流技術領域找到破題之筆。本文介紹徐州配電室利用柔性直流輸電技術形成交直流混合配電系統全額就地消納分布式電源，同時再合理配備一定容量的儲能，最終構建一種柔直與光儲混聯的主動配電系統。

2 方案介紹

對配電室原有低壓結構進行改造，實現柔直系統與傳統交流低壓良好的銜接與互動，系統結構如圖1所示。具體做法是：每段交流400V母線增加1臺柔直變流器，通過直流互聯形成四端口網絡，實現合環運行。同時在直流母線上配置一定容量的儲能，并接入分布式光伏，實現光伏儲能互補。為完善配電系統網絡拓撲，新增1、4段母線母聯開關，并對4臺低壓總開關和3臺母聯開關進行二次改造。

圖1 配電室系統結構示意圖

3 關鍵技術

3.1 柔性直流技術

換流器是電壓源型換流器（VSC）,可靈活控制閥側電壓Uc，實現功率的四象限傳輸，實現有功和無功的控制，并可控制交流側系統電壓，原理如圖2、圖3所示。

圖2 四象限功率控制原理圖

圖3 VSC原理示意圖

3.2 儲能技術

儲能裝置主動參與配電網的電壓、頻率調節，電池、儲能變流器的功率均能雙向流動，儲能變流器支持PQ、調頻調壓、VF及VSG等多種運行模式，響應速度快，原理如圖4所示。

圖4 儲能裝置功率控制原理圖

4 解決的主要問題

4.1 解決配變輕載（空載）問題

系統可以根據負荷情況，依據配變運行效率曲線，自動選擇運行方式，對配變進行投退，如圖5所示，在極端情況下，S2、S3、S4三臺變壓器停運，S1一臺主變運行，這樣可以減少配變輕載或空載時較大的損耗，使得每臺配變均運行在效率最優的點，提高配變運行經濟性，提高設備利用率。

圖5 配變輕空載負荷轉供示意圖

4.2 解決配變短時過載問題

通過柔直系統進行負荷平衡，優化系統潮流，增加輕載配變的輸出，減少過載配變的負荷（如圖6所示），使得配變實時保持在經濟運行狀態。

圖6 配變短時過載負荷轉供示意圖

4.3 解決分布式電源對電網造成的電壓波動和諧波污染問題

在本系統條件下，分布式電源可以統一直接接入直流母線，如圖7所示，通過柔直變流器的DC/AC轉換功能向電網輸出電能，既可以保持電網系統電壓，避免電壓波動、閃變、跌落等，又降低對電網的諧波污染，有效地解決分布式電源規模化、多點接入對系統電能質量的影響

圖7 分布式電源接入示意圖

4.4 既方便電動汽車“快充”，又能做到有序充電

柔直系統的直流母線可以直接供給電動汽車“快充”，大幅降低充電設施的建設投資，如圖8所示。同時，利用柔直系統對潮流雙向控制，限制充電功率，實現有序充電，降低集中“快充”對電網設備的損傷。

圖8 電動汽車充電樁接入示意圖

4.5 顯著提升供電可靠性，實現“不停電”

柔直系統可以無縫銜接將失電母線的負荷進行轉移，得到非常高的供電可靠性，基本實現“不停電”。如圖9所示，極端情況下，S1-S4四臺變壓器全部失電時，儲能和光伏系統對負荷進行短時的供電，保障重要負荷用電持續性。

圖9 分布式電源短時負荷轉供示意圖

4.6 減少雙電源的建設成本

采用低壓柔性直流輸電實現小區間拉手，互為備用電源，如圖10所示。解決低壓交流互聯時供電半徑過長帶來的損耗大、輸送容量不足、電壓低等問題，降低建設成本。

圖10 低壓柔性直流輸電小區拉手示意圖

5 應用實例

徐州星湖灣配電室柔直與光儲混聯項目完成國內首個400V基于柔直與光儲混聯主動配電系統的設備研制及工程示范，面向400V低壓配電網，直接解決配電網末端問題，形成一套低壓配網供用電新模式，星湖灣配電室系統接線圖如圖11所示。

6 結束語

柔直與光儲混聯主動配電系統研究，并以星湖灣配電室為試點應用，作為以電力為中心的能源方案解決者，未來本工程極具推廣應用價值。

為同類小區光伏、電動汽車、直流負荷的接入方案提供有益參考，有效應對城市配網負荷持續增長。

圖11 星湖灣配電室主接線圖

多端口柔直網絡擴大分布式電源就地全額消納能力，實現點線面的分層消納和統一控制，同時與儲能配合，負荷特性顯著改善。

為精密制造企業、經濟園區、農光互補工程等重要電力客戶提供完善的電能解決方案，將成為公司在今后電力市場角逐中的重要競爭力。