交直流混合配電網能效綜合評價方法

尹忠東，馮寅，閆鳳琴，蔣利民

(1. 新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206；2. 國網開封市供電公司，河南省開封市 410200；3.中國電力科學研究院，北京市 100192)

交直流混合配電網能效綜合評價方法

尹忠東1，馮寅1，閆鳳琴2，蔣利民3

(1. 新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206；2. 國網開封市供電公司，河南省開封市 410200；3.中國電力科學研究院，北京市 100192)

為了探究交直流混合配電網的節能潛力，并滿足用戶對供電可靠性和電壓質量的要求，提出了一種交直流混合配電網能效綜合評價方法。首先，分析了交直流混合配電網中影響能效的傳統因子和新型因子，并推導出了各影響因子的量化模型；其次，從中壓配電網、配電變壓器、低壓直流配電網和低壓交流配電網4個方面構建了交直流混合配電網能效評估指標體系；最后，以某地區配電網為案例，對改造前的交流配電網和改造后的交直流混合配電網進行了能效評估。結果表明，交直流混合配電網的能效等級高于傳統交流配電網，且性能指標方面也有明顯優勢。

交直流混合配電網；能效指標；綜合評價

0 引 言

傳統交流配電系統面臨線損高、電能質量擾動、電壓跌落等一系列問題，難以滿足電力用戶日益增長的電力需求[1-4]。與交流配電網相比，直流供電能有效解決諧波、三相不平衡等電能質量問題，且在改善供電質量方面優勢明顯，但是短時間內還無法完全替代交流配電網。因此，在交流配電網的基礎上建設交直流混合配電網是未來配電網的發展趨勢。然而，直流配電網中分布式電源、儲能裝置等新設備的引入也對能效產生了新的影響。如何評價交直流混合配電網的能效水平是亟待解決的問題。

國內外對傳統交流配電網節能效益已作不同程度的調查分析，并有相關文獻針對能效提出了一些有參考價值的評價指標和評價方法，文獻[5]評價了配電網設備利用率，從線路和配電變壓器的不同運行狀態方面考慮建立指標體系，但缺少反映設備參數的靜態指標；文獻[6]針對配電網不同電壓等級建立了指標體系，但未考慮不同地區配電網結構及負荷密度的差異對評價結果的影響。文獻[7]只限于系統損耗，應該在保證一定性能指標如安全性、可靠性等的前提下提高能源利用效率。對于交直流混合配電網的能效問題[8]，尚未有文獻展開系統的研究。文獻[9]根據差異化原則，建立了交直流配電網技術經濟評價指標體系，但評價指標未考慮交直流混合配電網結構和設備對能效的影響。文獻[10]提出了直流配電網的能效評估體系，但在能效指標的選取上不夠全面，如儲能未考慮充放電效率等。

在現有研究的基礎上，本文提出一種交直流混合配電網能效評估方法，統籌考慮性能指標和效能指標，在不犧牲可靠性等性能指標的前提下實現能效的提升。并且，通過數學建模量化分析傳統因子和新型因子對交直流混合配電網能效的影響，構建指標體系。最后運用該方法，對某地區改造前的傳統交流配電網和改造后的交直流混合配電網進行能效評估。

1 交直流混合配電系統

本文擬采用交直流混合配電網的鏈式結構進行建模，網絡結構主要組成部分為分布式電源、儲能裝置、直流負載、整流逆變裝置等。簡化的交直流混合配電系統拓撲如圖1所示。

圖1 簡化交直流混合配電系統拓撲Fig.1 Simplified topology of AC/DC hybriddistribution system

2 能效影響因子

傳統交流配電網中，一方面電能損耗主要來自變壓器和線路的損耗，另一方面電能質量擾動對電網能效也有顯著影響。交流配電網在接入直流配電網后，分布式電源、儲能裝置等新設備的引入對能效產生了新的影響。同時，直流供電在很大程度上通過改善電能質量來提升電網能效，因此有必要將電能質量改善與能效提升的相關性進行量化，更客觀全面地分析交直流混合配電網的能效水平。

2.1 傳統能效影響因子

2.1.1 線路和變壓器

(1)線路。線路是電網中電能損耗的主要元件，其Π型等值電路如圖2所示。

圖2 配電線Π型等值電路Fig.2 Π equivalent circuit of distribution line

配電線路總功率損耗ΔPL包括對地電導損耗PG和線路載荷損耗PR兩部分，由于線路對地電導損耗主要是由絕緣子泄露和電暈引起，所以在中低壓配電網中可忽略；中低壓配電網線路損耗一般是指線路載荷損耗，其與載荷、運行電壓、線路型號、傳輸距離以及功率因數有關，數學表達式為

(1)

式中：ΔPL為線路總功率損耗；I為通過電路的電流；R為線路電阻；P為線路載荷；U為線路運行電壓；λ為功率因數；ρ為線路電阻率；l為線路長度；A為線路截面積。

(2)變壓器。配電變壓器在配電網中用量極大，其設備本身是否節能是影響電網整體節能的主要因素。變壓器的Γ型等值電路見圖3。

圖3 變壓器Γ型等值電路Fig.3 Γ equivalent circuit of transformer

變壓器總功率損耗ΔPT包括鐵耗PFe和銅損PCu兩部分，與負載損耗、載荷及功率因數有關：

(2)

式中：ΔPT為變壓器總功率損耗；UN為額定電壓；P0為變壓器空載損耗；P為變壓器載荷；SN為變壓器額定容量；Pk為變壓器負載損耗。

2.1.2 電能質量擾動

(1)配電網負荷的不平衡性。由于低壓配電網系統采用單相供電方式，而且還包括電焊機等兩相負荷，中壓系統還有一些單相變壓器運行等。因此，無論是三線制的中壓系統，還是四線制的低壓系統，三相不平衡是普遍存在的問題。圖4是對中低壓配電網進行理論線損計算時，各種情況三相不平衡的向量圖。

圖4 中低壓配電網三相電流不平衡系統Fig.4 Unbalanced three-phase current system of low and medium voltage distribution network

與三相電流相比，三相電壓不平衡度較小，所以在中低壓配電網損耗分析建模時，一般可采用三相電壓平衡、電流不平衡系統模型，即三相電壓相對平衡，電流不平衡度相對較高。

三相三線不平衡系統中線路的功率損耗只在相線上，其值為

(3)

式中：Ia、Ib、Ic分別為三相電流有效值；R為相線有效電阻。

由于中壓配電網一般采用三相三線，其高壓計量只采集兩相的數據，在此假設采集A、C兩相的電參數，則需要計算出B相的電參數。由于三相三線系統中各相電流瞬時值滿足：

(4)

式中θa、θb、θc分別為三相電流相位。

則有

(5)

(6)

(7)

所以三相三線不平衡系統中線路損耗可用下式表示：

(Iasinθa+Icsinθc)2+Ic2]R

(8)

低壓配電網三相四線不平衡系統中，由于在中性線上有疊加電流，中性線截面比相線要小，電阻則比相線要大，所以在計算低壓網線損時，需要充分考慮到三相不平衡對線損的影響，其功率損耗不僅包括相線損耗，中性線的損耗也不能忽略。由于三相四線系統采集三相的電參數，故中性線上的疊加電流可通過下式計算得到：

Ic(cosθc+jsinθc)

(9)

式中IN為中性線電流。

三相四線系統中線路總的損耗為

(10)

式中RN為中性線電阻。

三相不平衡系統中，變壓器各繞組負荷不平衡，其損耗也將變大，其理論值為

(11)

式中I為變壓器額定電流。

(2)諧波損耗。諧波損耗是系統總損耗的重要組成部分，在諧波條件下，集膚效應使導線的有效面積減小，頻率越大集膚效應越明顯，所以在諧波條件下線路的阻抗更大，諧波損耗也隨之增大。中壓三相三線系統功率損耗公式為

(12)

式中：Ian、Ibn、Icn為基波或n次諧波電流有效值；Rn為基波或n次諧波對應的相線有效電阻。

三相四線系統中由于中性線在諧波條件下有疊加電流，故同時需要考慮中性線的損耗。由于基波電流在中性線上疊加后為0，故在中性線上只有諧波的疊加值。因此，三相四線系統線路諧波損耗為

(13)

式中：INn為中性線n次諧波電流；RNn為中性線上n次諧波對應的導線電阻。

變壓器損耗由空載損耗和負載損耗組成，空載損耗與諧波電壓成正比，但是，一般情況下電壓畸變率較小，而且空載損耗在變壓器的總損耗中所占比例很小，故可認為在諧波條件下變壓器的空載損耗不變。變壓器的負載損耗由繞組電阻損耗、繞組渦流損耗以及金屬件雜散損耗組成。在諧波條件下，渦流損耗以及雜散損耗與頻率成正比關系。所以在諧波條件下變壓器損耗可表示為

(14)

式中：PRn為基波或n次諧波對應的變壓器繞組電阻損耗；PECn為基波或n次諧波對應的變壓器繞組渦流損耗；PSTn為基波或n次諧波對應的變壓器雜散損耗；In為n次諧波電流。

2.2 新型能效影響因子

2.2.1 分布式電源

傳統交流配電網為單向潮流傳輸模式，分布式電源的接入一方面改變了系統線路中潮流的流向，另一方面分布式電源并網過程中產生大量的諧波，并加劇了配電網系統的三相不平衡度，對配電網網損、電能質量等方面產生較大的負面影響。文獻[11]提出了一種基于補償方法的適應于含分布式電源的潮流算法，結果顯示，分布式電源接入會加劇配電網三相不平衡度，增大配電網輸電線路損耗，降低配電網能效水平。

交直流混合配電網則能夠充分消納高滲透率分布式能源，整流、逆變等中間環節的減少能有效改善配電網電能質量，低壓配電系統的分布式電源多為就地發電，因此可近似忽略輸電環節消耗的電能，提升系統能效。本文從定量角度推導交直流混合配電網接入分布式電源對能效的影響，為簡化分析計算，此處不考慮儲能裝置潮流反送。圖5、6分別為未接入和接入分布式電源簡圖。

如圖5所示，未接入分布式電源系統時，整個系統損耗為

(15)

式中Ptot表示換流器損耗。

圖5 未接入分布式電源Fig.5 No accessing to distributed power

圖6 接入分布式電源Fig.6 Accessing to distributed power

在同樣的負荷工況下，分布式電源并網(見圖6)可直接減少交流側輸電容量，降低輸電環節的電能損耗，總損耗為

(16)

(17)

分布式電源并網后，系統總損耗為

(18)

交直流混合配電網接入分布式電源前后的電能損耗差可表示為

(19)

2.2.2 儲能系統

儲能系統既可以就地補償分布式電源功率輸出的隨機性，同時還能對負荷削峰填谷，盡量使負荷波動在各時段保持相對平穩[12-15]，在負荷波動階段提高供電可靠性的同時，也對配電網能效產生了影響。主要影響因素有儲能系統的充放電效率和儲能容量占比。

充放電效率是指儲能裝置在運行過程中放電量與充電量的百分比，如式(20)所示。運行充放電效率是一種廣義的系統效率[16]，與電池組串性能、運行工況、維護情況等諸多因素有關，是評估資源利用率和儲能系統儲能損耗的綜合指標。

(20)

式中：η表示運行充放電效率；Edis為放電量；Ech為充電量。

圖7 接入儲能系統Fig.7 Accessing to energy storage system

交流輸電環節產生的功率損耗為

(21)

負荷波動T時間段內的電量損耗為

(22)

2.3 能效評估指標體系

根據上文建立的各影響因子對能效影響的數學模型，并結合參考文獻[6-7,17-18]及國家或行業相關標準[19-24]，構建的交直流混合配電網能效指標如圖8所示。

圖8 交直流混合配電網能效評估指標體系Fig.8 Energy efficiency index system ofAC/DC hybrid distribution network

本文建立的交直流混合配電網的能效評估體系是在供電可靠性、供電安全性等性能指標滿足一定要求下的能效，若性能指標不合格，則對能效的評估沒有意義。能效一級指標分為中壓配電網、配電變壓器、低壓直流配電網和低壓交流配電網4個環節。再對指標進一步細化，分為靜態指標和運行指標，靜態指標是配電網的結構和設備等靜態參數對能效的影響，如線路參數、運行電壓、分布式電源容量等；運行指標反映配電網設備在運行狀態下的能效水平，如負載率、功率因數等。

3 算例分析

由于缺乏低壓直流配電網的實際工程數據，因此本文在參考某地區配電網運行數據的基礎上，結合仿真模擬對該地區配電網進行升級，改造成交直流混合配電網，對改造前和改造后的配電網進行能效評估，以此來比較傳統交流配電網和交直流混合配電網的能效水平。本文采用主客觀相結合的專家打分和主成分分析法確定各指標的重要程度，然后由層次分析法得到指標權重和最終的能效分值，避免了完全主觀決定權重值，使評估結果更加客觀合理。

將電網能效水平分為5個等級，具體劃分方式如表1所示。各指標原始參數、基準值和歸一化后的標量見附表A1、A2。性能指標參數見表2。A、B層指標權重見附表A3、A4，P層指標分值對比見附表A5。P層指標權重及最終能效分值見表3—5。

表1 配電網能效分級標準
Table 1 Energy efficiency grading standards for distribution network

表2 性能指標參數Table 2 Parameters of performance index

綜合各指標的分析結果可見，交直流混合配電網由于引入儲能系統和直流配電，在供電可靠性和可再生能源消納方面有明顯優勢，且總體能效等級高于傳統交流配電網。對比各層指標分值，與傳統交流配電網相比，交直流混合配電網一方面因改善電能質量減少了線損和變壓器損耗，另一方面分布式電源和儲能系統容量選擇適宜也能夠在一定程度上提高能源利用效率。

表3P層指標權重
Table 3 Index weightinPlayer

表4 傳統交流配電網指標分值及綜合分值Table 4 Index values and comprehensive scores of traditional AC distributionnetwork

表5 交直流混合配電網指標分值及綜合分值Table 5 Index values and comprehensive scores of AC/DC hybrid power distribution network

4 結 論

本文綜合考慮性能指標和效能指標，提出了一種交直流混合配電網能效評估方法，具體內容如下。

(1)與傳統交流配電網相比，交直流混合配電網中對能效產生影響的因子包括傳統影響因子和新型影響因子。傳統影響因子指變壓器、線路損耗和電能質量擾動產生的損耗，新型影響因子指由于引入直流配電、分布式電源和儲能裝置等產生的新的能效問題，并建立數學模型定量分析各因子對配電網能效的影響。

(2)交直流混合配電網能效評估需考慮供電可靠性、供電安全性等性能指標，不以犧牲性能指標為代價提升能效。能效一級指標包括中壓配電網、配電變壓器、低壓直流配電網和低壓交流配電網；二級指標分為靜態指標和運行指標，靜態指標是配電網的結構和設備等靜態參數對能效的影響，運行指標反映配電網設備在運行狀態下的能效水平。

(3)以某地區配電網為例，對改造前的交流配電網和改造后的交直流混合配電網進行能效評估。評價結果表明，交直流混合配電網不僅能效等級高于傳統交流配電網，且性能指標方面也有明顯優勢。因此，交直流混合配電網是一種比傳統配電網更節能更安全可靠的模式。

在實際工程應用中，可參考本文提出的能效評估方法，結合規劃區域用電側情況、對各指標的實際需求及目前配電網存在問題的解決方案，提出更加有效的配電網規劃方案。

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[23]城市配電網規劃設計規范:GB 50613—2010[S].

[24]城市中低壓配電網改造技術導則:DL/T 599—2005[S].

(編輯 張小飛)

附錄A

表A1 傳統交流配電網單項指標實際值、基準值及狀態值
Table A1 Original data, reference value, and scalar of indexes in traditional AC distribution power system

Energy Efficiency Comprehensive Evaluation Method for AC/DC HybridDistribution Network

YIN Zhongdong1, FENG Yin1, YAN Fengqin2， JIANG Limin3

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources，North China Electric Power University, Beijing 102206, China；2. State Grid Kaifeng Electric Power Company, Kaifeng 410200, Henan Province, China;3.China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

To explore the energy savingpotential of AC/DC hybriddistribution network andmeet users’requirements of power supply reliability and voltage quality, this paper proposes a comprehensive valuation method for the energy efficiency of AC/DC hybrid distribution network. Firstly, we analyze the traditional and new factors affecting the energy efficiency of AC/DC hybrid distribution network, and deduce the quantitative models for each impact factor. Secondly, we construct the evaluation index system for the energy efficiency of AC/DC hybrid distribution network from four aspects of medium voltage distribution network,distribution transformers,low-voltage DC distribution network and low-voltage AC distribution network. Finally, taking a distribution network as example, we estimate the energy efficiency of AC hybrid distribution networkbeforetransformationand that of AC/DC hybrid distribution networkafter the transformation. The results show that the energy efficiency of AC/DC hybrid distribution networkis better than that of traditional AC distribution network, and the performance indicators have obvious advantages.

AC/DC hybriddistribution network; energy efficiency index; comprehensive evaluation

表A2 交直流混合配電網單項指標實際值、基準值及狀態值Table A2 Original data, reference value, and scalar of indexes in AC/DC hybrid power distribution network

表A3 A層指標權重Table A3 The weights of indices in A layer

表A4 B層指標權重Table A4 The weights of indices in B layer

表A5 交流配電網與交直流混合配電網P層指標分值比較Table A5 Comparison of indices value in P layer between AC distribution power system andAC/DC hybrid power distribution network

中國電力科學研究院實驗室開放基金項目(YD83-16-037)

TM 727

A

1000-7229(2016)05-0100-09

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2016-03-02

尹忠東(1968)，男，教授，碩士生導師，主要研究方向為用戶電力技術、分布式發電并網控制、交直流主動配電網及其能效評估方面等;

馮寅(1991)，女，碩士研究生，主要研究方向為配電網電能質量及能效評估；

閆鳳琴(1971)，女，主要從事電力管理工作。