主動配電網關鍵技術在光伏高滲透工業新區電網的應用

郁家麟，肖龍海，江明強，劉繼文，施海峰，方鑫勇

（國網浙江海寧市供電有限公司，浙江 海寧 314400）

0 引言

近年來，隨著國家清潔能源政策的推動，分布式光伏大量接入配電網，其高滲透率、隨機波動性對配電網造成廣泛的影響，主要表現在： 改變配電網的電壓水平、提高配電網的短路容量、增加繼電保護策略的復雜度、影響網絡的供電可靠性以及加劇電能質量的惡化等[1]。在工業高新區中，高精密負荷對電能質量和供電可靠性的要求往往更高，使這一問題更加突出。

傳統主配電網規劃思路是增加區域供電能力，包括通過變電站新建或增容擴建，線路單輻射網架結構升級等，通過變壓器有載調壓、電容器投切、改變開關狀態進行電壓與潮流控制。被動的傳統改造方式無法根本上解決配電網中分布式光伏高滲透帶來的影響。

2008 年國際大電網會議（CIGRE）C6 委員會C6.11 項目組發表的《主動配電網的運行與發展》研究報告中首次提出主動配電網[2]，其基本定義是： 通過靈活的網絡拓撲結構[3]，利用先進的信息、通信以及電力電子技術，能夠主動協調區域電網內分布式電源、分布式儲能單元與可控負荷的關系，對局部的分布式能源進行主動控制和主動管理的配電系統。主動配電網能有效提升區域電網分布式電源消納能力[4]，提升配電網資產的利用率、延緩配電網的升級投資[5]，提高配電網運行穩定性與供電可靠性，是配電網未來的發展模式和方向之一[6]。

目前國際上已廣泛開展主動配電網項目研究，但均以交流電網為主[7]。國內也密切跟蹤主動配電網技術前沿，廣東、北京、廈門、貴州等地先后開展試點建設，但對工業高新區光伏高滲透區域應用分析較少。

本文以浙江海寧尖山工業高新區配電網為研究對象，探索柔性互聯技術、分布式儲能技術、交直流混合微電網技術、源網荷儲協調控制技術在工業高新區光伏高滲透區域配電網的應用模式與實踐成效，展望主動配電網技術在區域配電網發展中的應用前景。

1 研究對象與總體架構設計

1.1 研究對象的確定

海寧尖山工業高新區年最大負荷約140 MW，工業負荷占比85%以上，芯片制造、精密機械等高精尖產業密集，負荷對電能質量、供電可靠性敏感度極高。2016 年起，區域內分布式電源點大量接入，其中分布式光伏電站達83 座，裝機總容量達22.48 萬kW，已超過區域內單一電源點尖山變電站的主變容量。而區域內采用10 kV 和20 kV 配電網混合供電，聯絡水平不足。

海寧尖山工業高新區分布式光伏滲透率極高，2017 年日光伏功率滲透率最大值超過100%的達177 天，給該區域配電網帶來一系列問題：一是光伏消納不良，變電站主變及大量配電網線路出現功率倒送現象，繼電保護誤動風險加大，時有偶發性跳閘，供電可靠性保障難度加大。二是分布式光伏出力受天氣條件影響極大，會引起電壓隨機性波動[8]，低負荷期間，饋線末端電壓反而高于首端，電壓越上限（1.07 p.u.）情況突出，如圖1 所示。三是分布式光伏裝置引入大量諧波，加之尖山區域化工、冶金、電子制造等工業負荷諧波源，區域電能質量劣化，5 次諧波電壓超標嚴重。四是為實現區域內無功平衡，網側斷路器、電容器頻繁投切帶來了電壓閃變等問題。

圖1 某典型日各時段尖山20 kV 節點電壓最大值

鑒于海寧尖山工業高新區分布式光伏高滲透的典型特征，考慮高精尖產業電力敏感負荷對電能質量、供電可靠性的高需求，在該區域進行主動配電網改造和關鍵技術應用分析具有重要意義。

1.2 總體架構設計

通過2018—2019 年2 年時間，應用主動配電網關鍵技術對海寧尖山區域配電網進行升級改造，探索主動配電網關鍵技術對增加區域電網分布式能源消納、提高供電可靠性和改善電能質量的實踐效果，總體架構如圖2 所示。

通過柔直互聯和配電自動化實現配電網分區安全可控、靈活柔性。

通過電網側、線路側、用戶側儲能促進分布式光伏優質消納。

通過并網側設備諧波治理改造、加裝電能質量在線監測裝置實施監測、抑制用戶側諧波接入。

通過交直流混合微電網實現電網、分布式電源、負荷、儲能廣泛互聯、智能互動。

通過區域源網荷儲技術，提高電網資源配置能力，提升調控效率，實現電網對資源的無時延調控。

1.3 工程項目

圖2 海寧尖山主動配電網總體架構

本文研究基于浙江海寧尖山基于柔性互聯的源網荷儲協同主動配電網建設成果，項目由海寧尖山主動配電網柔性互聯換流站、源網荷儲協調控制建設和新能源并網設備改造3 個工程構成。

2 主動配電網關鍵技術及實現

2.1 柔性互聯技術應用

在尖山區域分布式電源高滲透率的情況下，柔性互聯環節通過有功潮流動態調控，能夠使得饋線負載分布在計及分布式光伏出力波動的情況下趨向均衡，促進分布式電源的就地消納，縮短分布式電源跨區域傳輸的路徑，提高經濟性的同時，有助于系統的安全穩定運行。

2.1.1 聯絡點選取

基于正常運行時負載均衡、靜態安全性、動態無功電壓穩定、供電能力、短路電流水平、供電可靠性、經濟性7 個指標開展層次分析法，用于分區柔性電網選址評估[9]?；诖朔椒ǎ幖馍綋Q流站聯絡點選擇尖山變1 號主變饋線10 kV 鳳凰線和3 號主變饋線20 kV 富江線，提出了柔性互聯裝備與配電網供區深度契合的“靈活雙向互聯”拓撲結構，如圖3 所示。

2.1.2 柔性直流換流閥拓撲選取

圖3 柔直換流站接線

適用于柔性直流（以下簡稱“柔直”）的拓撲包括串聯兩電平、功率模塊級聯兩電平、三電平、MMC（模塊化多電平）等[10]，MMC 拓撲還有幾種改進型的拓撲，主要是全橋子模塊MMC、半橋子模塊和箝位雙子模塊MMC 等[11]。綜合考慮區域配電網電壓等級、可靠性、功率轉移效率、占地面積與經濟成本，參考舟山、南澳、廈門等國內已投運柔直工程，選擇采用半橋MMC 拓撲結構，器件采用普通封裝IGBT。

2.1.3 關鍵參數選取

考慮交流系統配合、絕緣水平、線路輸送容量、電壓波動抑制、冗余和經濟性，選取柔直換流裝置關鍵參數，如表1 所示。

2.2 分布式儲能技術應用

分布式儲能技術可以使能量的時空轉移和能量流的有序流動成為可能，在電力系統中發揮著調峰、電壓補償、頻率調節、電能質量管理等重要作用[12]。在海寧尖山區域布局分布式儲能裝置，讓多種形式分布式儲能優勢互補，參與分布式光伏消納。

表1 柔直換流裝置關鍵參數

2.2.1 電網側儲能

換流站作為聯絡尖山區域配電網的重要樞紐，在換流站建設儲能裝置，可以實現換流站兩側有功在不同時間尺度上進行轉移，增加了柔性互聯的靈活性。工程在換流站±10 kV 直流母線上接入100 kW/200 kW 時的分布式儲能電站。以充放電效率、空間利用率為主要指標，選取磷酸鐵鋰電池作為儲能介質。

2.2.2 線路側儲能

根據尖山區域線路潮流分布特點和光伏接入情況，建設線路級交流儲能電站選址20 kV 安江線，考慮20 kV 線路功率輸送能力，容量確定為1 MW/2 MWh，直流側接儲能電池，交流側接380 V 交流母線，并通過380 V/20 kV 變壓器并網。以經濟性和安全性為重要參考指標，兼顧儲能效率，儲能站采用鉛碳電池作為儲能介質。

2.2.3 用戶側儲能

在用戶側并網點安裝百千瓦級儲能裝置，可有效降低分布式電源側光伏波動對電網的影響?；诓煌夹g，配合并網裝置組成光伏虛擬同步發電機、儲能雙向變流器，使分布式電源具有機械慣量、阻尼、一次調頻、無功調壓等并網運行外特性，克服傳統并網逆變器無慣性給電網帶來的沖擊[13]。

2.3 用戶側并網點改造

電力電子設備大規模使用后帶來了配電網電能質量方面的衍生性問題，經過技術分析，用戶側并網裝置給電網引入了大量奇次諧波，是尖山區域電網電能質量較差的元兇之一。電網側和光伏電站出口處的電能質量數據采集不夠全面，為相關電能質量分析和治理帶來困難。

2.3.1 并網逆變調控一體機

對尖山重要光伏并網用戶進行并網裝置改造，采用并網逆變調控一體機，該裝置在實現電能變換的同時，具備公共耦合點電壓自動調節能力，確保公共耦合點電壓穩定，保障用戶供電質量；具有主動諧波抑制功能，可代替部分有源濾波器抑制并網點諧波。此外，具有接受上級調度功能，按照上級控制指令發出/吸收無功功率，對配電網電壓調節起到支撐作用。

2.3.2 全場景電能質量監測治理

建成全場景電能質量監測體系，范圍涉及電網變電站、饋線、用電客戶、發電客戶，建設衛星對時體系，可實現諧波源責任量化分析。選擇中低壓光伏并網點，目前已安裝電源電能質量監測治理裝置67 臺，實現用戶側諧波監測與治理。

2.4 交直流混合微電網技術研究

針對配電網供需平衡問題，探索用戶側資源主動響應配電網需求規律，從負荷特性、關鍵技術、設備研發、應用驗證等方面出發，試點建設低壓交直流混合微電網。

通過研究分布式電源、儲能、柔性負荷運行特性，分析需求側響應規律，為探索用戶主動響應激勵機制，制定需求側響應策略提供大量理論實踐經驗。

2.4.1 多端口電力能量路由器

基于第四代碳化硅電力電子元件[14]，首次研制并示范應用能量路由器2 套，開關頻率提高至20 kHz，采用ISOP（輸入串聯輸出并聯型）結構，高壓側采用±10 kV 直流端口，低壓側采用±375 V直流、380 V 交流、直流通用端口，所有端口具備雙向功率控制能力，是交直流混合微電網能量交換中心。

針對碳化硅器件斷路承受能力弱，驅動響應時間短的難題，提出了“電流積分檢測”加“退飽和檢測”雙重判據層級配合驅動保護技術，避免了碳化硅快速開關震蕩導致的誤檢測。

2.4.2 多元負荷拓撲網絡

建設100 kW/150 kWh 直流儲能和47.9 kW屋頂光伏直接接入直流通用端口，100 kW/200 kWh 交流儲能接入380 V 交流饋線，4 個60 kW雙向快速充電樁接入±375 V 直流饋線，接入尖山體育館空調、照明負荷，并預留380 V 安保電源通用接口1 個，能夠適應分布式能源、電動汽車、儲能、交流負荷等多元負荷接入。

2.4.3 微電網運行模式

微電網可實現交直流系統故障的快速隔離，能夠按正常、孤網、安保3 種運行模式自動切換。正常模式下，微電網通過換流站±10 kV 直流母線提供功率。孤網模式下，微電網中斷與高壓直流系統間的功率交換，通過屋頂光伏電站、交直流儲能實現微電網短期離網運行。安保模式下，接入380 V 安保電源，通過能量路由器實現微電網內部功率交換，實現微電網長期穩定離網運行。

2.5 源網荷儲協調控制技術應用

基于換流站、分布式光伏并網設備、電能質量監測治理裝置、分布式儲能等可控的源、網、荷、儲側設備，建立高效的協調控制機制。

2.5.1 總體架構

主動配電網源網荷儲協調控制采用分層分級的控制模式，即集中決策層、分布控制層、設備層3 層架構。

設備層包括采集終端和分布式電源、負荷、儲能控制器等；分布控制層實現與就地信息采集與控制層設備之間雙向信息傳遞；集中決策層根據整個配電網系統運行狀態，實時分析并合理調度配電網系統中的可控資源。

2.5.2 數據采集與挖掘

從智能監測終端、調度自動化、配電自動化、營銷管理系統中獲取分布式電源、負荷、網絡運行狀態、氣象因素等數據，建立與柔直換流站、儲能站、交直流微電網通信連接并獲取其運行信息，應用數據挖掘、聚類分析等理論，對多時間尺度的多源測量信息進行清洗、分類、聚合，剔除錯誤數據，并進行信息融合和深度分析。

2.5.3 分布式發電預測與負荷預測

采用BP 神經網絡等方法建立多模塊協作的分布式光伏發電預測模型，如圖4 所示，可實現超短期和短期的光伏功率預測。超短期光伏功率預測提供未來0～4 h，時間分辨為15 min 的預測結果。

以溫度、濕度、日類型為影響因素，構建用于中期負荷預測的動態貝葉斯網絡模型。

圖4 光伏發電預測流程

2.5.4 協調控制策略

面向多種可調資源，以最大化分布式能源消納、電能質量、可靠性為主要指標，分析配電網實時態、未來態，開展負荷預測、發電預測和運行風險評估，建立多時間尺度、多目標數學模型，如圖5 所示。精細化管理區域內換流站、儲能、光伏、電能質量治理裝置等可控資源，實現區域主動配電網有功、無功協調優化控制。

3 影響與分析

從實踐成效層面，按分布式光伏消納、電能質量、供電可靠性3 個重要方面，對尖山主動配電網技術應用后產生的影響進行分析。

3.1 對分布式能源消納的影響

3.1.1 按配電線路分析

以110 kV 尖山變10 kV 鳳凰線為例，選取2018 年和2019 年2 個天氣、負荷狀況基本一致的典型日進行有功潮流分析，如圖6 所示。通過柔直控制和儲能，光伏出力變化引起的潮流波動明顯被抑制。

3.1.2 按主變分析

以110 kV 尖山變3 號主變高壓側為例，選取2018 年和2019 年典型周進行有功潮流分析，如圖7 所示。尖山變3 號主變仍有功率倒送現象，但無論從倒送時長、頻次還是倒送功率絕對值看，相較去年同期都有明顯改善。

3.1.3 對分布式能源消納影響小結

主動配電網通過優化網絡拓撲、協調光儲配合，促進解決分布式光伏平衡消納問題，實現分布式能源“高吸收、低損耗”的優質消納。

圖5 多時間尺度多目標優化模型

圖6 2018 年、2019 年典型日鳳凰線有功波形

圖7 2018 年、2019 年典型周尖山變3 號主變有功波形

其中，柔性互聯技術實現不同供區配電網雙向潮流主動控制，提供實時精細潮流優化能力，提高分布式電源的消納能力。電網、線路、用戶三側分布式儲能布局，實現了區域內分布式光伏就近消納，有效平滑光伏出力，達到“削峰填谷”的目的，緩解了線路及主變功率倒送的問題。

3.2 對區域配電網電能質量的影響

3.2.1 對總諧波的影響

以20 kV 富江線潮韻苑小區2 號箱變3 相電壓為例，取主動配電網關鍵技術應用前后各10天進行諧波電壓總畸變率分析，如圖8 所示。可見主動配電網的建成對諧波電壓有良好的抑制效果。

圖8 潮韻苑小區2 號箱變諧波電壓總畸變率95%值

3.2.2 對奇次諧波的影響

以20 kV 富江線潮韻苑小區2 號箱變為例，取主動配電網關鍵技術應用前后各10 天進行奇次諧波電壓含有變率分析，如圖9 所示。可見主動配電網的建成對奇次諧波電壓有良好的抑制效果。

圖9 潮韻苑小區2 號箱變奇次諧波電壓含有率95%值

3.2.3 對偶次諧波的影響

以20 kV 富江線潮韻苑小區2 號箱變為例，取主動配電網關鍵技術應用前后各10 天進行偶次諧波電壓含有變率分析，如圖10 所示。可見主動配電網的建成對偶次諧波電壓含有變率抑制效果不明顯。

圖10 潮韻苑小區2 號箱變偶次諧波電壓含有率95%值

3.2.4 對區域配電網電能質量影響小結

通過數據分析，尖山主動配電網對諧波電壓總畸變率、奇次電壓諧波含有率均有明顯抑制效果，對偶次諧波影響不大，主要得益于對用戶并網側裝置改造和諧波治理裝置新裝，實現諧波就近治理，有效抑制諧波源。

此外，柔性互聯技術、分布式儲能提供快速精準的無功補償，實現區域間電壓平衡，緩解局部電壓越限問題，并減少了電容器、開關頻繁投切帶來的電壓閃變問題。

3.3 對供電可靠性的影響

3.3.1 跳閘分析

以2018 年、2019 年第三季度尖山變為例，對線路跳閘數量進行分析，如表2 所示。尖山變線路跳閘數量明顯減少，且主要表現在重合閘成功的線路上。

表2 2018 年、2019 年第三季度尖山變線路跳閘統計

主動配電網技術的應用有效降低了繼電保護誤動風險，其中柔性互聯技術、分布式儲能技術減少了光伏功率倒送問題引起的無方向保護誤動，諧波治理使尖山區域電網諧波超標現象有所改善，減少了諧波超標引起的保護裝置誤動。

3.3.2 總體分析

尖山主動配電網通過運行風險實時評估，主動控制潮流方向，調整網絡結構，實現配電網供電可靠性顯著提升。

電能質量全方位監測實現諧波實時分析與諧波源定位，為分析偶發性跳閘與負荷性質以及分布式光伏的關聯性提供了數據支撐。柔性換流站實現了不同電壓等級配電線路合環運行，解決了尖山地區10 kV 與20 kV 混合配電網難題，有效提高供區互濟能力。分布式儲能站為局部微電網應急啟動及離網運行提供電源支撐，促進了光伏就近消納，可以有效避免線路、主變功率倒送，降低了保護自動裝置誤動風險。

4 應用前景展望

4.1 交直流混合配電網自愈研究

主動配電網融合變電站、換流站、分布式發電、分布式儲能等交直流多源混合配電網，對故障判斷和供電恢復提出了更高要求?；贕OOSE（面向對象變電站事件）的配電網智能分布式饋線自動化快速自愈技術已在全國多個重點工程應用[15]，但缺少在更加復雜的交直流多源混合配電網中的應用研究。借助柔性直流系統故障穿越能力，通過配電網設備高速信息交互，判斷故障類型和位置，迅速隔離故障，實現周波級甚至毫秒級配電網自愈，將成為主動配電網在區域配網應用研究的重點課題之一。

4.2 變電站級化學儲能電站應用

線路級、用戶級分布式儲能可有效參與電網電壓、頻率調節，但儲能規模有限，分布點不多，雖能平滑區域光伏出力，仍無法實現高密度分布式光伏接入區域的光伏百分百就地消納。江蘇鎮江建成投運101 MW/202 MWh 的儲能電站，是目前國內規模最大的在運電池儲能電站項目[16]。在新能源發電富集區域電網中，對電池儲能的容量要求達到數十兆瓦以上，甚至達百兆瓦以上[17]。如何將變電站級儲能電站應用在工業新區區域主動配電網中，發揮其區域功率、能量協調控制主動平衡，是下階段主動配電網實踐探索的重點。

5 結語

在工業高新區分布式光伏滲透率較高的區域電網中建設主動配電網，應用柔性互聯、分布式儲能、交直流混合微電網、網源荷儲協調控制等關鍵技術，能夠優化區域配電網拓撲結構，縮短潮流流動距離，降低配電網線路損耗，緩解配電網線路與主變功率倒送問題，提升分布式光伏消納能力，有效改善電壓越限、諧波超標等電能質量問題，提升供電可靠性。

主動配電網技術應用對于高度敏感的高新產業電力負荷具有重要意義，在光伏高滲透工業新區配電網升級改造中具有良好的實踐效果和推廣價值，同時，配電網快速主動自愈、區域配網光伏全消納儲能布局等將成為主動配電網在區域配電網的重要應用和研究方向。