柔性互聯新型配電系統研究現狀及發展探索

胡成奕，嚴方彬，謝琉欣

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

構建以新能源為主體的新型電力系統，是實現“雙碳”目標的重要支撐，配電系統則是構建新型電力系統的關鍵領域［1］。隨著分布式電源、儲能、新型負荷等分布式資源大規模接入，傳統配電網的網架結構和運行調控方式將難以適應新型配電系統的發展要求［2］。因此，相關研究提出了基于電壓源換流器（voltage source converter，VSC）的電力電子設備，包括柔性軟開關（soft open point，SOP）、柔性環網控制裝置（flexible loop network controller，FLNC）、電力電子變壓器（power electronic transformers，PET）或固態變壓器（solid state transformer，SST）等柔性互聯裝置（flexible interconnection device，FID），用于應對分布式資源的日益增長以及交直流配電網的柔性互聯需求［3］。在網架結構方面，柔性互聯裝置的廣泛應用將促使配電網呈現多層多級互聯、清晰網格化的網架結構，具備局域自平衡能力，在極端條件下具有應急支撐能力；在運行調控方面，將由源隨荷動、集中分級管控向源荷互動、分層分群調控轉變，以局域電網聚合控制，形成全景觀測、精準控制、主配協同的新型配電系統調度模式；在需求側響應方面，電力市場用戶將通過市場價格信號或激勵機制，參與負荷管理，調整用電模式，提高電網運行可靠性，增強電網應急能力。

柔性互動將成為新型配電系統的顯著特征［4］。“柔性”明確了新型配電系統的電力電子化、供電方式直流化、潮流控制靈活化的大趨勢。“互動”詮釋了新型配電系統的內在含義，電力網絡需要形成物理開放格局，柔性互聯裝置接入配電網，一方面為多元化用電需求打通接口，另一方面為能量控制、互聯互供、新能源近端遠端消納提供設備級保障。大規模分布式資源的友好并網，既要通過柔性技術構建軟隔離屏障，抑制故障和波動越級，又要通過構建標準化的新體系實現新裝置、新負荷并網“即插即用”。

本文基于柔性互聯裝置，探討了新型配電系統在網架結構、運行調控、需求側響應等方面的研究現狀，并展望了新型配電系統的未來發展方向，為新型電力系統背景下配電系統領域的研究提供一些思路。

1 柔性互聯裝置

1.1 柔性軟開關

SOP 由2 個VSC 組成，具有端口間功率連續調節功能，在正常運行條件下可進行潮流控制、無功補償和電壓調節，在異常運行條件下可進行故障隔離和供電恢復［5］。圖1所示為VSC的3種主要拓撲結構：兩電平VSC、三電平VSC、模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC），其中，MMC 由多個結構相同的子模塊級聯構成，多電平輸出減小了輸出電壓諧波含量和電磁干擾，能夠在實現傳統兩電平VSC 和三電平VSC 功能的同時改善電能質量，且其模塊化設計易于擴展和維護，工程應用前景廣闊［6］。

圖2所示為典型的基于背靠背VSC的SOP互聯雙饋線配電網。2個VSC位于2條饋線端點之間，通過公共直流母線連接，直流電容器C可用于提供能量緩沖并降低直流側電壓紋波，VSC 通過脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）輸出交流電壓，再通過串聯濾波器抑制交流諧波，并限制短路電流。VSC 可通過控制輸出電壓幅值和相位角，實現饋線負載平衡、功率損耗降低和電壓分布改善［7］。

圖2 基于背靠背VSC的SOP互聯雙饋線配電網Fig.2 SOP interconnected dual-feeder distribution network based on back-to-back VSC

1.2 柔性環網控制裝置

雖然通過上述背靠背柔性互聯可實現配電網閉環運行，但是在負荷轉供時仍會出現供電短時中斷，并且SOP只能實現雙端互聯，缺乏靈活性。

FLNC 通過應用3 個或以上的VSC 將多個不同區域的配電網進行互聯，從而形成環網，提高配電網拓撲靈活性，進而提高設備利用率與可靠性［8］。利用FLNC可實現多條饋線聯絡，有效解決不停電負荷轉移，降低配電系統的備用容量；通過調節其交流端口的輸出電壓幅值和相位角，可精準控制各端口的有功和無功功率，進而優化配電系統潮流分布，實現并離網平滑切換［9］。

圖3 所示為含四端口柔性環網控制裝置的配電網。

圖3 含四端口柔性環網控制裝置的配電網Fig.3 Distribution network with four-terminal flexible ring network control device

1.3 電力電子變壓器

與常規變壓器相比，PET 的優勢在于可實現原邊電流、副邊電壓以及功率的靈活控制。PET 應用于新型配電系統后可提高電能質量，增強系統穩定性，實現電力市場下的靈活輸電與潮流實時控制［10］。

PET 由電力電子變換器、直流母線和高頻變壓器組成，應用高頻變壓器可大幅度減小體積和重量，提高變壓器的容量和效率［11］。圖4所示為典型的三級型電力電子變壓器拓撲結構。

圖4 三級型電力電子變壓器拓撲結構Fig.4 Topological structure of three-stage power electronic transformer

2 網架結構形態

2.1 交直流混聯配電網

隨著柔性互聯裝置的規模化應用，交流配電系統正逐步向交直流混合配電系統演變，形成多端柔性互聯配電網絡。交直流混合柔性互聯的新型配電系統將更有利于分布式電源和新型負荷的接入，實現區域間的能量互濟，對負荷提供無功支撐，降低配電系統的電壓波動，在配電系統發生區域故障時能夠快速實現負荷轉供，確保重要負荷的不間斷供電，提升配電系統的穩定性與可靠性［12］。

具體而言，交直流混聯配電網具有以下優勢：

1）減少能量轉換，提高能源效率。例如分布式光伏接入交流配電網時通常需要經過DC/DC 和DC/AC轉換，并且需要配置適當的儲能裝置和復雜的控制系統，而當分布式光伏接入交直流混聯配電網時，減少了換流環節，不僅能夠降低能量轉換過程中的損耗，同時能夠縮減用電成本，具有良好的經濟性。

2）減少傳輸損耗，增加傳輸容量。由于直流傳輸過程中沒有磁滯、渦流、集膚效應和電容損耗，因此交直流混聯配電網能夠降低部分損耗。另外，一種柔性直流低電壓治理裝置［13］充分利用直流配電降低損耗的原理，解決了農村偏遠地區因供電半徑過長、線徑過細導致的低電壓問題。

3）降低改造成本，優化運行方式。在交直流混聯配電網中，采用上述柔性互聯裝置可實現功率交換控制與潮流優化，從而提高新型配電系統中分布式電源的控制靈活性、穩定性和利用率，同時與建設直流配電網相比，降低改造成本。

圖5所示為柔性互聯新型配電系統網架結構。

圖5 柔性互聯新型配電系統網架結構Fig.5 Grid structure of new power distribution system with flexible interconnection

目前，國內外已開展多個柔性互聯配電網示范工程。美國弗吉尼亞理工大學CPES 中心提出了四級分層交直流混合配電系統；北卡羅萊納州立大學則提出了FREEDM 結構，適用于分布式資源“即插即用”的交直流混合配電網［14］；英國Network Equilibrium 項目利用背靠背AC/DC/AC 電力電子轉換器，控制雙端網絡的有功和無功功率傳輸［15］；德國亞琛工業大學構建了±10 kV 直流配電工程，提出了City of Tomorrow 城市供電方案，將中壓直流環網作為城市配電系統的骨干網［16］。杭州江東新城全國首個智能柔性直流配電網工程通過采用區域協調控制、故障快速定位及隔離保護等技術，實現多路電源同時供電，并確保單路電源故障情況下負荷安全經濟轉移［17］；全國首個五端柔性直流配電示范工程在貴州投入試運行，構建了融合交流配電網、交直流微網、分布式電源、電動汽車充電站為一體的柔性交直流互聯配電中心［18］；廣東珠海唐家灣三端柔性直流配電工程是國際首個±10 kV、±375 V、±110 V 多電壓等級多端柔性直流配電網工程，滿足風、光、儲、充以及多元直流負荷接入，構建了多端多層級、可網絡重構的±10 kV/40 MW 柔性直流配電網，實現了多個換流站的直流柔性互聯和備用功率支撐，提高了系統供電可靠性，也是目前世界容量最大的柔性直流配電網工程［19］。

2.2 蜂巢狀配電網

當分布式資源以微電網或微電網群的形式接入配電網時，設計合理的互聯拓撲是實現新型配電系統柔性互動的關鍵。因此，相關研究提出了蜂巢狀配電網［20］，一種應用于大規模分布式資源的配電結構，可進行能量靈活調配，提高能量利用效率。

圖6 為蜂巢狀配電網結構形態，由通過FID 互聯形成的若干六邊形饋線網絡組成，六邊形區域圍成不同電壓等級的交直流混聯配電網。蜂巢狀配電網的網架結構更堅強，新能源消納能力更好，區域內“源網荷儲”規范化配置，系統靈活性更高。

圖6 蜂巢狀配電網結構形態Fig.6 Structure of honeycomb-shaped distribution network

目前，國網海寧市供電公司正在探索建設蜂巢狀配電網，由多個微電網“手拉手”抱團，相互之間建立能量信息基站，按照蜂巢狀結構排列起來，促進分布式電源在更大范圍內并網發電。此外，國網上海浦東供電公司率先探索打造了“鉆石型”配電網，具有全互聯、全電纜、全斷路器、全自愈等技術特征［21］；南網廣州供電局借鑒新加坡組網經驗，率先采用20 kV 中壓配電網“花瓣型”接線和保護技術，提高供電可靠性［22］。

3 運行調控技術

新型配電系統在運行調控方面將采取多層次多結構的協調運控方式，包括具有信息集中化的集中控制和具有相鄰控制對象數據信息采集能力的分散管控，支撐新能源入網，并形成局部區域自治。在多電源供電形成的微電網間或者多微電網形成的微電網群間協調互補，實現信息交互和能量互濟，最終實現監測管理和全局優化。

3.1 柔性互聯多模式運行技術

當配變負載狀態發生改變時，柔性互聯新型配電系統的運行狀態也將動態調節以維持配網穩定運行。根據系統的柔性互聯結構，其運行模式可分為以下3種［23］。

1）柔性互聯運行模式。如圖3 所示，這種模式下VSC1、VSC2、VSC3 和VSC4 均并網運行，饋線1、饋線2、饋線3和饋線4通過VSC實現柔性互聯，饋線功率通過VSC實現雙向流動。文獻［24］研究了基于大功率電力電子技術的配電網柔性合環實現技術，并通過試驗和示范工程證明了柔性合環運行的可行性，實現配電網不同供電線路間潮流的靈活控制。

2）負荷轉供運行模式。當配電網某區域故障切除后，下游的負荷仍然保持與VSC之間的電氣聯系，通過其余饋線進行負荷轉供，不會因此失電。文獻［25］提出了一種計及分布式電源的負荷在線轉供策略，兼顧了故障饋線殘余負荷以及非故障饋線安全運行。

3）孤島運行模式。這種模式下所有VSC均離網，此時由公共直流母線連接的分布式電源為饋線中的重要負載提供短時應急供電，同時為系統運行提供短時能量支撐。當配電網恢復正常供電后，系統可重新根據需求轉變為上述兩種運行模式。文獻［26］提出了一種基于儲能的主動配電網自愈恢復供電策略，考慮了儲能的選址定容，在符合經濟性的前提下最大限度地提高了供電可靠性，減少了配電網故障后對停電區域的停電損失。

含分布式電源的新型配電系統能夠提高供電可靠性的主要原因體現在分布式電源與配電網可以互為備用電源。在電網正常運行時，可以利用分布式電源作為重要電力用戶的后備電源或者作為主網無法延伸到的邊遠地區的供電電源；在電網發生故障或出現解列時，可以利用分布式電源為非故障失電區的重要負荷恢復供電，減少停電時間，縮小停電面積，從而提高供電可靠性。

3.2 分布式資源集群調控技術

分布式資源的日益滲透加速推進配電系統態勢感知能力的提高。配電能量管理系統（distribution energy management system，DEMS）是實現配電網協調運行的基本手段［27］，通過實時控制和通信技術可達到分布式資源可觀、可測、可調、可控，具備源、網、荷、儲一體化協調管理能力。通過分布式資源集群調控，可有效提升大規模分布式電源的消納水平，提高分布式資源與配電網的友好互動水平和綜合調控能力，進而增強系統整體供電可靠性、靈活性與運行穩定性。

通過研究配電網臺區分布式可調資源特性分析、運行調節能力及建模技術，文獻［28］考慮了分布式電源單元層的優化調度策略，給出了經濟、社會、環保等綜合效益最優模型，并提出當前分布式電源的優化調度主要分為分布式電源的出力預測與運行調度優化。然而，日照強度和溫度等外界環境因素影響，分布式光伏輸出功率是一個非平穩的隨機過程，在配備了一定儲能裝置后，出力波動可得到一定控制，但參與調度的成本巨大。文獻［29］則考慮了分布式電源集群層的管理調控策略，分布式電源采用集群控制方式響應配電網控制需求時，有利于改善電源單體并網導致的波動性強、可控性差問題，呈現友好并網特性和調控能力，保障電網安全經濟運行。進一步的，文獻［30］考慮了調控云平臺層的詳細架構，基于云管邊端物聯網設計理念，探討了調控云平臺的基本功能，利用對全網狀態的態勢感知獲取全天候氣象數據、負荷數據、電量數據等信息，管理分布式電源集群，同時通過不同集群間的協調優化提高分布式電源的消納水平，實現單元內平衡自治、集群間協同互動、系統級友好交互。

3.3 主配網協同運行優化技術

隨著我國經濟持續快速發展以及電力需求不斷擴增，配電網規模日益龐雜，不再是單純的受電終端，結構布局更趨復雜、故障特征明顯變化、調控節點更加細密、潮流變化極不確定，新型配電系統將擁有更多自主權，同時也對電網調度技術支撐能力提出了新的要求。文獻［31］提出了集中式一體化、分布式一體化、離散式一體化3 種調配一體化系統建設模式，有效促進主配網系統數據融合。

新型配電系統可采用省—地兩層控制架構設計［32］，分布式電源管理系統和配電云主站分別負責實時控制與高級應用，滿足主配協同、分層分級監控和運行需求。省級分布式電源調度管理系統主要負責實時監測與控制策略生成，對全省分布式電源進行聚合、監視，從多個維度對全省分布式電源信息進行精準管控；配電云主站主要負責非實時高級分析應用功能與低壓接入分布式光伏的采集控制，接受來自分布式光伏調度管理系統的調節需求，同時具備承載能力分析評估、出力預測、分布式光伏與配套儲能時序模擬計算等功能。

4 需求側響應

需求側響應［33］是指通過激勵策略實現負荷或峰值轉移，一方面能夠為電力運營商提供更加靈活和自然分布的資源，從而減少為滿足峰值負荷容量而必需的投資；另一方面，通過用戶激勵措施，引導電力用戶智能用電，從而實現節能高效。需求側響應能夠提高電網安全性和穩定性，提高電能質量。

研究電價導向、激勵導向、新能源消納導向、電網安全導向的電力需求側響應技術，可以促進供電服務與多功能互補綜合能源服務的結合，使得電力消費用戶直接與分布式資源聯系起來，耦合電能的生產端和銷售端，有利于終端能源生產消費方式的全面升級，促進供電服務創新，推動綜合能源服務發展。

4.1 虛擬電廠

虛擬電廠［34］作為一個特殊電廠參與需求響應、調峰調頻、現貨交易等電力市場業務，可為新型配電系統提供管理和輔助服務。虛擬電廠的關鍵技術主要包括多元聚合技術、協調控制技術、智能計量技術以及信息通信技術。文獻［35］將分布式電源、儲能、可控負荷有機結合，設計了虛擬電廠運行管理平臺，功能模塊包括虛擬電廠綜合監控管理、電力負荷分析預測管理、虛擬電廠控制策略管理、虛擬電廠運行管理和優化控制。文獻［36］提出了一種應用于直流配電系統中的虛擬電廠分布式實時多目標優化控制模型，兼顧經濟效率和電壓分布。

圖7 所示為虛擬電廠管控平臺，通過先進信息通信技術和軟件系統，實現分布式電源、儲能、可控負荷、電動汽車等分布式資源的通信聚合和協調優化。

圖7 虛擬電廠管控平臺Fig.7 Virtual power plant management and control platform

4.2 電動汽車V2G

電動汽車由于其單體的隨機性和群體的集中性特點，導致電動汽車的充電負荷在時間和空間上隨機分布，同時又較易形成地區性、暫時性的用電負荷高峰，當其他用電負荷高峰與充電負荷同時出現時，就有可能造成峰上加峰的后果，進而導致網損增大，電能質量降低等危害電網運行的情況出現。利用需求響應機制管理電動汽車充電過程是應對電動汽車大規模增長的有效手段，一方面需求響應采用電價和激勵引導的方式，可同時管理數量眾多的用電負荷；另一方面需求響應機制給用戶一定的補償，可以確保用戶有參與的積極性。電動汽車V2G 概念就是針對上述涉及的關鍵技術所提出［37］。

文獻［38］首先分析了電動汽車參與需求側響應的穩定性和魯棒性，文獻［39］在此基礎上根據電動汽車用戶的出行需求和規律特點，結合區域日負荷曲線和峰谷分時電價，提出了一種電動汽車集群調度策略，利用價格激勵引導電動汽車有序充放電，實現負荷削峰填谷。

5 結語

新型電力系統背景下，柔性互聯技術對新型配電系統的發展有著重要意義。新型配電系統將成為融合規模化分布式電源消納、源網荷儲協同發展、電力市場交易平臺的關鍵領域，本文聚焦柔性互聯關鍵設備，對新型配電系統的網架結構形態、運行調控技術、需求側響應方面進行了詳細闡述，為新型配電系統的發展奠定理論基礎。隨著“電能替代”進程推進，“云大物移智鏈”等新技術將深入滲透、影響新型配電系統建設，還將探索數字技術“賦能”新型配電系統的精準規劃、高效運營、體制創新等發展新思路、新模式、新焦點。