基于柔性直流配電網的城市能源互聯(lián)網

鄭建平，陳建福，劉堯，屈魯，余占清，宋強，袁志昌，趙彪，曾嶸

(1. 廣東電網公司電力調度控制中心，廣州 510600；2. 廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東 珠海519000；3. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設備控制和仿真國家重點實驗室(清華大學電機工程與應用電子技術系)，北京 100084；4. 清華大學能源互聯(lián)網研究院直流研究中心，北京 100084)

0 引言

城市作為能源使用的主體，其發(fā)展決定了能源變革的方向和格局，是世界和中國能源變革的關鍵，而發(fā)展能源互聯(lián)網是城市能源變革的重要方向。發(fā)展能源互聯(lián)網將推動傳統(tǒng)產業(yè)向以可再生能源和信息網絡為基礎的新興產業(yè)轉變，是對人類社會生活方式的一次根本性革命[1 - 7]。

配電網作為電能分配的載體，是城市能源互聯(lián)網物理網絡的重要組成部分。隨著分布式電源快速發(fā)展、直流負荷不斷增加、儲能應用日益廣泛，城市交流配電系統(tǒng)中交直流能量變換損耗高、配電變換靈活性差、配電環(huán)節(jié)匹配性低的問題日益凸現(xiàn)；此外，隨著城市用電客戶對電能質量及供電可靠性等要求不斷提高，城市交流配電系統(tǒng)在電能供應穩(wěn)定性、經濟性等方面將遇到新的挑戰(zhàn)，越發(fā)不能滿足日新月異的直流電源與用電需求。采用柔性直流配電系統(tǒng)能夠提高配電利用率，支撐多源多荷的高效靈活接入，實現(xiàn)各分區(qū)潮流靈活可控、負載率均衡，是配電系統(tǒng)研究方向的熱點[8 - 14]。

目前，國內外在柔性直流配電系統(tǒng)領域的相關技術研究、實驗系統(tǒng)和示范工程已逐步開展。美國較早地開展了直流配電系統(tǒng)的研究。2010年，弗吉尼亞理工大學提出了基于分層連接結構的交直流混合配電結構[15 - 17]。2011年，美國北卡羅來納大學提出了構建未來自動智能、變換靈活的配用電結構[18 - 19]。2004年，日本東京工業(yè)大學搭建了一套10 kW基于直流微電網的配電系統(tǒng)模型[15]。2006年，日本大阪大學提出了一種雙極結構的直流微電網系統(tǒng)[20 - 21]。此后，意大利米蘭理工大學、羅馬尼亞布加勒斯特理工大學、丹麥奧爾堡大學也相繼提出直流配電系統(tǒng)結構[22 - 26]。德國亞琛大學于2016年建成10 kV中壓直流配電系統(tǒng)[27 - 28]，并進行了10 kV中壓直流配電的試驗性研究，實現(xiàn)了中壓直流配電系統(tǒng)在實踐上的突破。自2009年開始，中國相關研究機構逐步對直流配電系統(tǒng)展開了研究，但重點主要集中在直流裝置的研發(fā)上，直流配電網整體規(guī)劃等方面的研究則較為欠缺[29 - 31]。2018年8月29日，國網杭州供電公司負責的全國首個智能柔性直流配電系統(tǒng)示范工程在浙江杭州江東新城順利通過試運行考驗，經功能升級后正式投入運行。2018年9月3日，南網貴州電力科學研究院牽頭負責的國內首個五端直流配電系統(tǒng)示范工程在貴州進入試運行。

綜上所述，雖然國內外在柔性直流配電系統(tǒng)領域的相關技術研究和實驗系統(tǒng)、示范工程已逐步開展，但大都處于一般性探索階段，并未對其規(guī)劃設計、協(xié)調控制和故障保護等實際問題進行深入和有效的研究。因此，亟需研究柔性直流配電網的關鍵技術、研制核心裝備并通過特色的示范工程實現(xiàn)理論與技術驗證。

為了突破柔性直流配電網的關鍵技術，實現(xiàn)基于柔性直流配電網的城市能源互聯(lián)網示范應用，文章首先對城市能源互聯(lián)網進行需求分析，提出城市能源互聯(lián)網的典型架構；接著對城市能源互聯(lián)網物理基礎層的核心網絡——柔性直流配電網進行關鍵技術分析；最后開展基于柔性直流配電網的城市能源互聯(lián)網示范工程設計及分析。

1 城市能源互聯(lián)網的典型架構

城市作為區(qū)域用能中心，具有多能供應、多網融合、設備多樣、場景復雜、交互頻繁、規(guī)模量大等特征，對能源網絡的可靠性、安全性、穩(wěn)定性及效率要求較高，存在節(jié)能減排、降低能源消費成本的實際壓力，亟需突破傳統(tǒng)能源供給、傳輸、消費的模式，發(fā)展城市能源互聯(lián)網將推動城市能源供應體系的結構性改革和能源產業(yè)升級。

為了支撐城市能源變革，推動城市能源互聯(lián)網的發(fā)展，促進新能源發(fā)電、柔性直流配電網、多能互補等技術的示范落地，構建面向能源消費革命、具有廣泛示范意義的“互聯(lián)網+”智慧能源新模式，珠海市選定橫琴自貿區(qū)和唐家灣科技園作為示范核心區(qū)，以多能聯(lián)供的綜合能源運營、供需互動的柔性直流配電網絡、集成共享的智慧能源大數(shù)據平臺、服務創(chuàng)新的新型市場模式為應用場景，進行“互聯(lián)網+”智慧能源示范，其整體功能結構如圖1所示。

1.1 基礎物理層

以橫琴地區(qū)綜合能源網絡，以及消費側優(yōu)質高效綜合供能為框架，實現(xiàn)多種能源類型的優(yōu)化互補，支持冷/熱/電三聯(lián)供，支撐從生產到消費的全方位、全時段覆蓋，呈現(xiàn)多元化、綜合性的互聯(lián)網服務業(yè)態(tài)；以唐家地區(qū)新型直流配用電網絡為基礎，實現(xiàn)新能源和電動汽車的靈活接入和高效運營，構建支持新能源和電動汽車即插即用的能源互聯(lián)局域網。

1.2 信息數(shù)據層

實現(xiàn)配電網、分布式發(fā)電、儲能、用戶用能監(jiān)控云數(shù)據采集、傳輸和挖掘，為高端應用提供數(shù)據支撐，采用智慧能源測控終端，利用大數(shù)據技術，形成數(shù)據資產，助于預測與決策，將“業(yè)務驅動”轉向為“數(shù)據驅動”，為需求響應、能源運營管理、分布式發(fā)電云監(jiān)控提供信息支撐。

1.3 應用管理層

開展多能流協(xié)同能量管理，提升終端能效；開展用戶雙向互動的需求響應，實現(xiàn)用戶需求響應，支持用戶自主的能效管理；為用戶提供多樣化增值服務，實現(xiàn)用戶多角色互動，創(chuàng)新基于互聯(lián)網思維的能源商業(yè)模式；開展智慧能源運營管理，實現(xiàn)能源靈活自由交易，推動建成有效競爭的能源市場零售交易體系。

2 柔性直流配電網的關鍵技術

唐家灣地區(qū)電網存在幾個主要問題：1)該區(qū)電網與珠海主城區(qū)電網聯(lián)絡較弱；2)110 kV唐家變電站存在主變N-1后過載問題；3)該片區(qū)近年來負荷增長較快；4)供電半徑過長，線損較高。因此，通過建設柔性直流配電網工程可實現(xiàn)變電站母線互聯(lián)，極大增加區(qū)內電網事故備用容量和負荷轉供能力，并提高該片區(qū)供電可靠性和供電質量，對于優(yōu)化現(xiàn)有電網的運行和提高可靠性具有重要意義。

當前國內外柔性直流配電網研究主要集中在低壓微電網、能源路由器、多換流閥共母線供電等場景，真正從電力系統(tǒng)角度對柔直技術的研究十分有限。工程應用存在的主要技術難題有：1) 缺乏對柔直配電網層級、結構、功能的深入研究，系統(tǒng)性能指標、接線與參數(shù)選擇、絕緣配合、控保策略等設計難題亟待解決；2) 核心功率器件技術受制于人，關鍵裝備研發(fā)體系不完善，性能、效率和集成度不高；3) 缺乏有效應對柔直慣性低、暫態(tài)特性復雜、故障隔離困難的技術手段，以及支撐與交流電網、源網荷儲協(xié)調高效運營的控制策略。

因此，基于珠海能源互聯(lián)網示范區(qū)整體功能結構，制定了珠海柔性直流配電網的關鍵技術路線，如圖2所示。需要突破柔性直流配電網的系統(tǒng)規(guī)劃、運行控制、故障保護等關鍵技術，研制關鍵設備，并通過示范應用，驗證關鍵技術和關鍵設備的可行性和先進性，推動柔性直流配電網的發(fā)展。

圖2 柔性直流配電網的關鍵技術路線Fig.2 Key technology route of flexible DC distribution network

2.1 系統(tǒng)規(guī)劃

為解決城市配電系統(tǒng)擴容難問題，提高配電利用率，需研究城市柔性直流配電網的網架結構，能夠支撐多源多荷的高效靈活接入，實現(xiàn)各分區(qū)潮流靈活可控、負載率均衡；需綜合考慮最優(yōu)潮流、最小線損、分布式電源充分利用等因素，研究城市柔性直流配電網源荷優(yōu)化配置方案；需研究適用于城市柔性直流配電網的綜合評估方法。

2.2 運行控制

柔性直流配電網的運行控制方面需研究城市柔性直流配電網的供需靈活接入方法和接口形式，支撐多源多荷的靈活高效接入；需研究城市柔性直流配電網的潮流優(yōu)化控制算法，實現(xiàn)配網各分區(qū)潮流靈活可控；需研究城市柔性直流配電網的多能互補優(yōu)化運行算法，支撐多能互補利用；需研究城市柔性直流配電網的電能質量治理方法，保障高品質電力供應。

2.3 故障保護

城市柔性直流配電網的結構多樣，故障特性復雜，需研究城市柔性直流配電網的故障機理及特性，提出城市柔性直流配電網的故障識別及定位方法，給出城市柔性直流配電網的保護分區(qū)及配置方案，以保證其安全可靠運行。

2.4 關鍵設備

城市柔性直流配電網的關鍵設備方面需研制柔性多端口直流變壓器、中壓多端口直流斷路器、柔性多端口多狀態(tài)開關。具體地，需研究其基本原理，提出其關鍵參數(shù)、拓撲結構和技術總體方案，進而研制其工程樣機，掌握其系統(tǒng)集成和調試方法，建立其在不同運行工況下的性能與功能測試體系。通過關鍵設備研制，提高柔性直流配電網的電能傳輸與變換效率，提升柔性直流配電網的故障處理和控制保護水平，實現(xiàn)柔性直流配電網的安全可靠穩(wěn)定運行。

綜上所述，通過支撐城市能源變革的柔性直流配電網關鍵技術研究與應用，解決城市配電系統(tǒng)擴容難問題，解決城市配電系統(tǒng)多源多荷的靈活高效接入問題，實現(xiàn)城市高品質高可靠電力供應，支撐城市的清潔低碳發(fā)展。

3 柔性直流配電網的設計及分析

珠海能源互聯(lián)網示范區(qū)將建設±10 kV/±375 V 柔性直流配用電網，結構如圖3所示。為實現(xiàn)功率轉供的功能，提高配電網的供電可靠性，系統(tǒng)采用“星型”網絡拓撲結構，換流器相關參數(shù)如表1所示。

圖3 珠海柔性直流配電網的整體結構Fig.3 Overall structure of Zhuhai flexible DC distribution network

表1 換流器技術參數(shù)Tab.1 Technical parameters of converter

3.1 電氣接線方式

柔性中壓直流配電網可行的主接線方式主要包括：單極不對稱系統(tǒng)主接線、單極對稱系統(tǒng)主接線和雙極系統(tǒng)主接線[31 - 32]。相比之下，單極對稱系統(tǒng)具有對稱的直流電壓從而簡化了變壓器設計；且單極不對稱系統(tǒng)直流極線所耐受電壓是雙極系統(tǒng)的2倍；此外，由于工程采用星型三端配電系統(tǒng)結構，在一端換流站出現(xiàn)故障時，另外兩端換流站仍能夠保持供電，可靠性相對較高，無須為了提高可靠性而采用成本更高的雙極系統(tǒng)，因此，本工程電氣主接線采用單極對稱系統(tǒng)接線方式，如圖4所示。

圖4 單極對稱系統(tǒng)接線方式Fig.4 Wiring mode of single pole symmetrical system

3.2 系統(tǒng)運行方式

本工程建設的柔性直流配電網通過3個換流器與交流系統(tǒng)交換能量；同時，柔性直流配電網內的線路斷開、部分可控設備退出運行都可能導致運行方式的改變。對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的運行方式進行歸納，包括以下5種主要的運行模式：1)三端聯(lián)網運行；2)雙端手拉手運行；3)雙端隔離供電；4)單端供電；5)STATCOM。運行方式的劃分原則主要是因系統(tǒng)拓撲結構變化而引起電力電子設備控制模式切換的情況[33]。

3.3 關鍵設備選型

3.3.1 換流器選型

對于唐家站和雞山Ⅱ站，由于其直流母線配置有直流斷路器，因此可以采用基本的模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)，其功率模塊采用帶有晶閘管旁路和機械開關旁路供能的兩電平拓撲，如圖5所示。

圖5 唐家站和雞山Ⅱ站的換流器拓撲Fig.5 Converter topology design of Tangjia station and Jishan Ⅱ station

由于雞山換流站Ⅰ的直流母線不配置直流斷路器，因此其換流器應采用具有直流故障電流自清除能力的拓撲結構。帶有直流故障自清除能力的拓撲結構的方案包括基于IGCT器件交叉箝位的模塊化多電平換流器(ICC-MMC)、全橋和半橋子模塊混合的模塊化多電平換流器。對于ICC-MMC，每個橋臂只需增加少量的ICM箝位模塊，以半橋型MMC為基準，成本僅有少許增加；而且沒有改變MMC的功率子模塊設計、換流器控制方式和運行特性，又不會占據太大的柜內空間；同時由于IGCT器件具有低通態(tài)損耗的特性，ICC-MMC方案的效率明顯高于其它阻斷型MMC。因此推薦不配置直流斷路器的雞山Ⅰ站換流器采用基于IGCT交叉箝位的模塊化多電平換流器[34]，如圖6所示。

圖6 基于IGCT器件的交叉箝位換流器拓撲Fig.6 Topology of ICC-MMC based on IGCT

3.3.2 直流斷路器選型

在多端柔性直流系統(tǒng)當中，通常會存在多條直流線路的交匯點，如圖3所示。為確保清除任一條直流線路上的短路故障，3條直流線路交匯點處需安裝斷路器。如果這些斷路器均采用混合式直流斷路器，則整個系統(tǒng)的成本將十分昂貴。如果可以將交匯點安裝的斷路器整合成一個直流斷路器，并通過優(yōu)化拓撲來減少電力電子串聯(lián)開關的數(shù)量，則系統(tǒng)成本將顯著下降，并可實現(xiàn)多路協(xié)調關斷。

為提高直流斷路器應用于柔性直流配電網的經濟性并實現(xiàn)多路協(xié)調關斷，工程應用三端口耦合負壓型混合式直流斷路器，其拓撲結構如圖7所示[35]。

圖7 三端口混合式直流斷路器的拓撲結構Fig.7 Topology of three port hybrid DC circuit breaker

該三端口混合式直流斷路器包含3條主支路path1-path3，其中path1和path2均是1個完整的耦該三端口混合式直流斷路器包含3條主支路path1—path3，其中path1和path2均是1個完整的耦合負壓型混合式直流斷路器。耦合負壓型混合式直流斷路器由3個并聯(lián)支路組成，包括用于導通直流系統(tǒng)電流的主支路CB1—CB3，用于短時承載并關斷直流系統(tǒng)短路電流和建立瞬態(tài)開斷電壓的轉移支路U1—U2，用于抑制開斷過電壓和吸收線路及限流電抗儲能的耗能支路R1—R2。

3.4 直流控制系統(tǒng)

直流控制系統(tǒng)是整個柔性直流配電網的核心，其基本要求是保持柔性直流配電網中重要負荷的供電可靠性和電能質量需求，在此基礎上實現(xiàn)分布式電源的充分利用。直流控制系統(tǒng)分為三級控制：優(yōu)化層、協(xié)調層和就地層。其中，最優(yōu)層以柔性直流配電網穩(wěn)態(tài)潮流計算為基礎，選擇網絡損耗和電壓質量作為目標函數(shù)，構建柔性直流配電網運行的多目標優(yōu)化數(shù)學模型，如式(1)所示。

minf={Ploss,Ivq}

(1)

式中Ploss為直流配電網的網絡損耗，

(2)

式中：n為直流配電網節(jié)點個數(shù)；Vi和Vj分別為第i個和j個節(jié)點電壓值；yij為第i個節(jié)點和第j個節(jié)點之間支路的直流電導。

Ivq為直流配電網的電壓質量指標，其表達式為：

(3)

式中：Vei為第i個節(jié)點電壓的期望值；ΔVimax為可以接受的最大電壓偏差。通過每個節(jié)點的實際電壓偏差與ΔVmax比值的平方和可以衡量直流配電網的整體電壓質量。

上述多目標優(yōu)化模型需滿足潮流方程約束、直流電壓約束、換流站容量約束、儲能功率限制。通過雜交粒子群優(yōu)化算法對上述多目標優(yōu)化數(shù)學模型進行求解，得到一系列非劣解，并使用模糊技術進行決策得到了直流配電系統(tǒng)集控中心電壓、功率等優(yōu)化指令。以唐家站的最優(yōu)控制為例，其網絡損耗和電壓質量的求解結果如圖8所示。通過實時功率與對應的改善程度相乘，可得唐家站實際的線損改善值，其中線損改善最大值為6.12 kW；電壓偏差最差值為4.95%。

圖8 唐家站最優(yōu)控制結果Fig.8 Optimal control results of Tangjia station

3.5 直流保護系統(tǒng)

柔性直流配電系統(tǒng)的保護系統(tǒng)是快速可靠地切除故障、減少故障影響范圍、保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行的重要保證。直流保護系統(tǒng)工作的實現(xiàn)步驟為：首先確定保護分區(qū)；其次在分區(qū)的基礎上確定保護配置方案；之后根據柔性直流配電系統(tǒng)的運行及故障特性，結合一次設備中隔離設備(直流隔離刀閘、直流斷路器等)的性能與配置，制定保護功能和動作策略，最終完成整個多端直流配電保護系統(tǒng)的研究和設計工作。工程中將故障限流裝置與直流斷路器相結合，大大降低了系統(tǒng)對直流斷路器性能的要求。同時在保護系統(tǒng)的設計中，通過電力電子設備與直流斷路器、負荷開關的協(xié)調配合，完全可以實現(xiàn)直流側故障的隔離和系統(tǒng)的快速恢復。

4 柔性直流配電網的運行

2018年12月25日，珠海三端柔性直流配電網工程成功投運。工程三端滿功率運行時的錄波如圖9所示。典型方式下，柔直實現(xiàn)雞山唐家站間20 MW功率互濟，延緩唐家站擴建主變與相應線路建設投資1 000萬元以上。提高雞山變電站變壓器容量利用率約20%，降低變壓器損耗比約50%。

圖9 三端滿功率運行Fig.9 Full power operation results of three terminals

工程投產至今正常運行超過1 a，成功經滿負荷運行、交流電網故障時三端無功支撐等特殊工況的考驗，累計輸送電量58.260 4 GWh，以0.62元/kWh電費計算，實現(xiàn)經濟效益約2 612萬元。

5 結語

為推動城市能源互聯(lián)網的發(fā)展，開展了基于柔性直流配電網的城市能源互聯(lián)網研究，主要工作內容如下。

1)首先對城市能源互聯(lián)網進行需求分析，提出城市能源互聯(lián)網示范工程的三層架構，即基礎物理層、信息數(shù)據層和應用管理層。通過多能聯(lián)供的綜合能源運營、供需互動的柔性直流配電網絡、集成共享的智慧能源大數(shù)據平臺、服務創(chuàng)新的新型市場模式為應用場景，進行能源互聯(lián)網示范。

2)接著對城市能源互聯(lián)網物理基礎層的核心網絡——柔性直流配電網進行關鍵技術分析。通過突破柔性直流配電網的系統(tǒng)規(guī)劃、運行控制、故障保護等關鍵技術，研制關鍵設備，并通過示范應用，可解決城市配電系統(tǒng)擴容難問題，解決城市配電系統(tǒng)多源多荷的靈活高效接入問題，實現(xiàn)城市高品質高可靠電力供應。

3)最后開展柔性直流配電網示范工程的設計及分析。首先對柔性直流配電網的電氣接線方式、系統(tǒng)運行方式等進行設計及分析，提出工程總體建設方案；接著對換流器和直流斷路器等主要設備進行選型。直流控制保護系統(tǒng)設置三級控制：優(yōu)化層、協(xié)調層和就地層；保護系統(tǒng)按照功能相近原則劃分保護分區(qū)，分別配置保護分區(qū)。

柔性直流配電網示范工程為推進柔性直流配電技術在中國落地、運行奠定了堅實基礎，并對其他工程設計和建設具有參考價值和示范效應，為珠海城市能源互聯(lián)網的發(fā)展進而為建設國際化能源變革城市提供支撐。