儲能技術與柔性直流技術在農村配電臺區相互協同的應用研究

秦 雷，敖 剛，楊 捷，黃 杰，王 柬，董 偉

（云南電網有限責任公司安寧供電局，云南 昆明 650300）

0 前言

配電臺區作為電力系統末端供電環節，數量龐大，電力電量和負荷特性將對整個電力系統的運行產生影響。目前，很多配電臺區采用單線、單變供電方式，不僅可靠性較低，且不同臺區間供電缺乏聯絡，無法做好統一管理。尤其是在農村地區，隨著美麗鄉村建設進程的不斷深入，在構建新型電力系統過程中，用戶側大量分布式電源接入，傳統單電源供電方式無法滿足用戶用電需求，農村電網的安全、穩定運行面臨著新能源分散接入和就地消納等問題帶來的壓力，對居民正常生產生活產生直接影響的低壓配電臺區供電電能質量和可靠性對臺區的供電穩定性提出了更高的要求。同時，相同區域中由于不同負荷存在嚴重差異性，經常產生季節性負荷波動問題，小微企業負荷接入臺區，導致部分臺區負載率呈現逐年遞增的形式[1]。

1 柔性直流技術、儲能技術在農村配電臺區的作用

1.1 支撐高滲透分布式電源消納

近年來，隨著分布式電源裝機的不斷增加，局部區域裝機規模高于配網最高負荷，高滲透率分布式電源和低壓臺區相互結合，給傳統配網各方面帶來嚴重影響，如電能質量、規劃、可靠性等方面，雙向流動中的不確定因素給配電網日常管理工作提出更高要求。而利用交直流混合配電網和直流型分布式電源相互連接，能省略AC/DC 環流環節，直接控制電壓環節，能進一步提高系統安全性。同時，采用不同臺區間的柔性互聯，配置適量的容量儲能裝置，能統一控制不同臺區內能源、儲備、荷載等，實時控制系統運行情況，有效提高配網資源利用率，有效降低配網運行成本。

1.2 電力能源轉型，提升用戶電力獲得感

近年來，清潔能源發展步伐加快，為落實“雙碳”目標，電力是能源轉型的關鍵領域，農村電網作為電網的組成部分，在構建新型電力系統過程中，農村電網的安全、穩定運行面臨著新能源分散接入和就地消納等問題帶來的壓力，通過電力能源終端結構的改變，將清潔能源運用到各產業鏈中，不斷發展、新增清潔能源運用比例，從而降低了碳排放量。但值得注意的是，隨著電力系統不斷完善，雖然使配網末端臺變負載得到了有效改善，但臨時負荷、分布式能源等不可控負荷的接入使配網臺變負載率變得不均衡，從而影響到整個電網電壓質量。而通過柔性直流-儲能技術能完美解決上述問題，進一步拓展電能優化范圍，充分發揮電能自身作用。

1.3 滿足新基建建設要求

目前，在推動新型基礎設施建設中，支持智慧能源建設是投資重點和眾多舉措之一。其中，新能源汽車超快充、大功率電動汽車充電設施是智慧能源基礎設施的組成部分。據統計，2022 年我國充電基礎設施年增長數量達到260 萬臺左右，累計數量達到520 萬臺左右，同比增長近100%。其中，私人充電基礎設施增長超過190 萬臺，累計數量超過340 萬臺?，F在，有很多電動汽車采用移動式負荷接入方式，導致出現各種無序充電行為，進一步提高配變重過載率，增加了配變安全運行風險。為解決大規模充電站接入問題，要建立充儲和光儲充一體化電站，但由于受到區域工程施工條件限制，無法將光伏、儲能充電站集中在相同臺區，只能設置大量光、儲、快充電站，但因這些充電站間缺乏統一控制，導致不同臺區間的負載平衡性嚴重不足。而將柔性直流-儲能技術應用到臺區管理中，建立臺區柔性直流互聯網絡，配置集中（分布式）儲能裝置，能將對方的剩余容量進行共享，加強供電安全，解決私人樁建設限制問題，優化充電站整體布局，引導用戶有序充電。

1.4 提高供電質量的智能電網建設

配電臺區用戶受氣候、季節等條件的影響，用電負荷分布不合理造成臺區三相不平衡，即容易造成用戶用電設備高電壓燒壞或用電設備低電壓無法使用，容易造成配變重過載，影響配電臺區配變及用電設備的安全運行，給配電臺區安全運行埋下隱患。同時，配電臺區有功功率和無功功率分布可以對電壓產生較為顯著的影響，嚴重時會造成電壓越限，線路損耗增大。為了解決以上問題，可以在低壓臺區中采用儲能技術及柔性直流互聯技術進行設計建設。一是儲能技術的應用，可以提高配電臺區的穩定性、改善臺區負荷、電壓特性，減少臺區變壓器增容或新建，并提供無功支撐、提高電能質量；同時，臺區負荷端的儲能能夠在電力系統故障時，減少電壓、頻率波動，提供短期電能質量、供電可靠性支持。二是柔性直流互聯技術應用，可以改變臺區拓撲結構及負荷分配，減少臺區損耗，提高臺區穩定、可靠及可用性。實現臺區負荷轉供，對有特殊保供電需求的用戶提供電力保障。

2 配電臺區柔性直流-儲能關鍵技術

2.1 柔性直流-儲能系統網架結構設計

2.1.1 換流器接線形式

目前，配臺電區供電方式以三相四線制為主，在采用柔性互聯換流器時要注重2 個方面。

三相三線制換流器。能隔離變壓器的輸出浮地，確保相互連接臺區交流側的不平衡故障問題，不會給其他交流臺區穩定性帶來嚴重影響。同時，交流中有諧波和磁場產生的微小電流，干擾大。隔離變可以減少各種雜波。減小干擾，能有效控制高頻諧波，降低電力線路能耗，防止對二次設備和線路造成信號干擾。

三線四線制換流器。能去掉隔離變壓器，具有效率高、能耗小等特征，設備整體偏向于小型，有利于進行集約化配置。結合換流器特征，制定健全的控制措施，如諧波抑制、有功傳輸、無功補償等控制方案，能解決并網臺區三相不平衡問題，從而達到預期的電能質量治理。然而，由于這種換流器缺乏隔離變，零序和負序的電壓分量會導致換流器的輸出功率在電網電壓一旦出現較大幅度波動時呈現出2 倍頻率的波動極易對直流系統的性能產生劇烈沖擊。

單級接線投資量較少，接線方法簡單，但可靠性較差；偽雙級接線的偽雙極直流側沒有接地線，只有正負2 根，被廣泛應用在直流配電系統；而真雙極系統雖然有可靠性高、運行方式靈活、獨立的正負極換流器等優點，但其占地面積過大，須要投入大量資金，控制保護措施非常復雜。由于低壓臺區本身容量小，等級低，屬于多臺區互聯系統，本身穩定性強，所以偽雙級接線方式從各方面考慮，性價比是最高的。在低壓偽雙級接線系統中，通常采用浮地運行接地方式，在母線側設置絕緣檢測設備，檢查單點接地故障；在用戶側設置剩余電流設備，主要作用是保護人身觸電，避免單點接地故障未完全處理，給人身健康帶來威脅，加強系統運行的安全性[2]。

2.1.2 柔性直流-儲能構架和拓撲

公共直流母線集中部署模式。該種模式通常應用在臺區間距較近、大量分布式電源就地接入及對供電可靠性要求較低的區域，各臺區從總電源位置進行電壓接入，低壓側通過AC/DC 換流器和互聯系統相互連接，且在直流側預留接口，能根據接口實際要求接入對應設施。同時，在集中建設模式下，將一、二次設備設置在集裝箱中，集裝箱要根據互聯臺區位置和數據，進一步優化部署位置，降低箱體和臺區間的交流損耗，降低直流側故障概率[3]，如圖1 所示。

圖1 柔性互聯-儲能系統（集中）接線簡圖

分散式直流母線分段調配方式。分散式直流母線分段部署模式適合應用在供電可靠性要求較高、各臺區距離較遠的場所，和集中部署模式相比，其采用互聯單元就地部署，實現低壓直流超越距離相互聯通，提高日常傳輸效率，加強控制系統分散部署的可靠性，結合實際要求和共直流母線結構進行協同設計。根據單元間連接方式不同，主要分為環網和鏈式兩種方式，兩者唯一區別在于環網型在末端設置聯絡開關，讓其具備直流線路N-1 運行能力，加強系統的可靠性，致使其能根據用戶要求選擇對應的運行方法。同時，為進一步提升系統安全性，可設置柴發和儲能作為后備能源，其中柴油發電機能利用ATS 接入臺區和低壓母線相互連接；儲能通過DC/DC 變換器和任何直流母線進行接入[4]，如圖2 所示。

圖2 柔性互聯-儲能系統（分散）接線簡圖

2.2 柔性直流-儲能系統關鍵設備

2.2.1 交流低壓智能斷路器

想要實現臺區智能化發展，就必須將采用智能斷路器替換掉電臺區中不具有電氣測量、采集功能的開關。因此，可合理應用柔性互聯系統，充分發揮其各種功能，如故障功率轉換、動態功率轉化、容災備份等功能，其中動態功率互補功能能在原有設備基礎上進行，而如果想要實現容災備份和故障功率轉化功能，應研發新型斷路器充分完成所有電力參數的準確記錄、數據測量和設備的遠程控制等眾多功能，幫助多種電力參數進行測量、整理、診斷和記錄，并將其總結成日志模式，以達到保護電力設備模塊、模擬報警、探測脫扣曲線等多種成果，保證其和安全自動裝置、上級電網重合閘時間相互匹配[5]。

2.2.2 AC/DC 換流器

目前AC/DC 主要作用是解決臺區互聯系統中的增容限制問題，通過利用互聯系統控制交流系統和AC/DC 換流器相互連接，便于提高四象限瞬時的控制效率。從目前配電臺區運行情況來看，仍然有很多地區配電臺區應用傳統電壓源型換流器，但其因受到技術條件限制，導致其出現各種問題，如開關損耗、電容均壓、電磁干擾等問題，給各配電臺區間互聯工作帶來嚴重影響。隨著社會經濟不斷發展，各種新型技術出現在人們視線范圍內，模塊化多電平換流器憑借自身適用范圍廣、效率高等特征，被廣泛應用到直流配用電系統。同時，考慮到臺區負荷容易受到地理、環境等因素影響，要集中配置相關一、二次設備和控制保護系統，促進換流器向小型化方向發展[6]。

2.2.3 DC/DC 換流器

目前，配電臺區低壓直流母線須要通過DC/DC換流器來完成低壓直流用電負荷接入。直流負荷與電壓不匹配的光伏采用單向DC/DC 換流器接入；儲能電池采用雙向DC/DC 換流器接入；雖然在配電臺區運行中可以正常應用以雙主動全橋為基礎結構的直流變壓器，但還存在著內部橋臂不對稱運行、故障自清等諸多問題，須要深入研究才能完成。同時，對于不同臺區互聯工作環境，要注重處理新基建建設需求接入問題，DC/DC 變換器作為負荷中心環節，當出現電壓過載問題時，能控制供電的穩定性，加強電能質量標準；如果想要解決季節性負荷波動及臨時用電接入問題，要在原本應用的基礎上添加儲能裝置，實現供需協調互動[7]。

2.3 柔性直流-儲能系統運行控制

由于在交流系統中使用各種電力電子元件，增加了電網運行穩定性控制難度系數。目前，將控制分為主站、算法、網絡、監控等環節，通過自律協同邊緣計算，自主決策實現了配電臺區電能交換、電能質量綜合治理和三相平衡。并可利用不同端口換流站的容量，通過上述控制措施對VSC 標準進行自動調節，達到優化配網工作的目的。而交直流混合系統穩定性分析主要針對系統小擾動穩定，通過構建健全的小信號模型，合理選擇控制數據，實現不同單元的功率分配工作，進一步優化母線電壓的動態特征，保證換流器在日常工作中的穩定性。同時，合理容量的儲能裝置能提高能量優化作用。應以最小的設備輸出功能調整量為目標，針對P2G 能量轉換中的能量損耗和環境成本計算，提出綜合能源系統能量協調優化措施，建立數日經濟調度優化模型，經過大量實驗數據證明，這種模型具有較強的經濟性[8-9]，如圖3 所示。

圖3 柔性互聯-儲能系統監控分布拓撲圖

3 柔性直流-儲能系統的運用

3.1 柔性直流-儲能系統運用效果分析

柔性直流-儲能系統通過改變低壓配電網的拓撲結構，從而改善低壓配電網的電壓質量、提高了設備運行的可靠性和穩定性，提高電網的效率，以及改善電網的安全性。

柔性直流-儲能系統在配電臺區的運用還可以通過改變電網的控制策略，改變電網的負荷分配，提高電網的可用性，以及改善電網的可控性。

柔性直流-儲能系統可以緩沖電網的負荷波動，以改善電網的負荷特性；緩沖電網的電壓波動，以改善電網的電壓特性；同時可增加電網的現有容量，減少配電設備的擴容或新建，有效提高配電網運行能力。

3.2 柔性直流-儲能系統運用效益分析

柔性直流-儲能綜合系統的投入使用，對用電負荷低谷期因風力、光伏發電不能就地消納，而產生的多余電量進行儲能，反之在用電負荷高峰期通過柔性直流-儲能系統和配網對用戶進行供電，保持用電平衡，確保了新型電力系統中能源的靈活性，實現配電臺區指標“兩升兩降”（提升供電質量、電網供電能力和電網利潤水平，降低臺區線損、電網運行費和配電網投資）獲得經濟社會效益，一定程度降低碳排放量，提高能源利用效率；同時，避免因配電臺區計劃（故障）停電、新能源車無序充電、季節性（臨時）負荷接入等問題對臺區電網的沖擊，出現供電質量不合格導致用戶及電網企業造成損失。

柔性直流-儲能綜合系統的投入使用，不斷提升用戶用電滿意度和獲得感，降低用戶用電成本，減少用戶對電網企業的投訴率，支撐社會經濟發展，助力“獲得電力”服務水平不斷提升優化。

4 結論

綜上所述，從目前農村配電臺區應用情況來看，雖然能采用開環運行方法，但不能將堆放的剩余容量相互分享，不然2 個臺區間的負載率易出現不均衡問題。針對該種問題，可將儲能技術與柔性直流技術相互協調應用到農村配電臺區中，構建配電臺區柔性直流互聯-儲能裝置的物聯架構方案，實現臺區間相互聯通，有效解決臺區的穩定性，提高臺區電網的可靠性和穩定性，改善電網的負荷分配，加強臺區供電水平，有效優化臺區運營問題。