基于分布式電源柔性配電網(wǎng)的運行研究

潘 潔

（桂林信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541199）

0 引 言

電力在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，電網(wǎng)安全可靠地運行，供電充足，是國民經(jīng)濟全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)保障。傳統(tǒng)以礦物燃料為能源的發(fā)電方式所產(chǎn)生的污染物質(zhì)及廢棄物對環(huán)境造成嚴重的危害，隨著各國對綠色發(fā)展的重視程度越來越高，使用清潔能源發(fā)電已然成為當(dāng)今社會發(fā)展的必然趨勢，應(yīng)用可再生能源如風(fēng)電、太陽能等是一種必然選擇。以分布式電源為基礎(chǔ)，在配電系統(tǒng)中引入新能源，可以有效減少碳排放，充分利用可再生新能源。在現(xiàn)行《2023 年能源工作指導(dǎo)意見》及《“十四五”控制溫室氣體排放工作方案》中明確，“節(jié)能、潔凈、安全”是我國能源發(fā)展中不可回避的核心問題。為構(gòu)建“綠色、低碳”的新能源發(fā)展格局，分布式電源的大規(guī)模接入必將推動配網(wǎng)形態(tài)的轉(zhuǎn)型。

1 分布式電源的種類

分布式能源的分類方式有很多種，按照發(fā)電功率能否可調(diào)控將其分成可控型和不可控型2 種。一般而言，在配電網(wǎng)絡(luò)中，許多分布式電源，如太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能等無法控制，會受自然環(huán)境以及氣候條件等不確定因素的影響[1]。人們通常將這些能源歸結(jié)為不可控制的分布式電源。而隨著電力電子設(shè)備在配電系統(tǒng)中的普及，可控型分布式能源（如小型燃氣輪機、燃料電池等）所占的比重逐漸增大。尤其是在電動汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用的背景下，電動車群充電可有效參與配電網(wǎng)優(yōu)化運營，并通過對充電站或充電樁的運營策略進行優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)凈負載的調(diào)控。

2 柔性配電網(wǎng)的特性分析

電力電子器件在配電系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，為配電系統(tǒng)的進一步變革和提升創(chuàng)造新的機會。相較于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)，柔性配電網(wǎng)能夠充分利用電力電子器件的功率調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)分布式電源輸出的精準(zhǔn)控制和負荷變動的即時反應(yīng)，并降低饋線間的潮流相互作用，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，具體分析如下[2]。

2.1 源-網(wǎng)-荷的演化

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)隨源-網(wǎng)-荷形式的改變而改變，并表現(xiàn)出顯著的差異性。在技術(shù)層次上，隨著源、網(wǎng)、荷三方面新元素的融合與發(fā)展，配電網(wǎng)改造與升級將成為必然趨勢，并對其運行能力的穩(wěn)定性提出更為嚴格的標(biāo)準(zhǔn)。

在供電端，由于高滲透率分布式能源的接入，配電網(wǎng)的運行環(huán)境得到顯著改善；在電網(wǎng)端，配電網(wǎng)電力電子化的發(fā)展使電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力得到極大的提高；在負荷端，柔性負荷和電動汽車等新型負荷的持續(xù)接入使得負荷需求更加復(fù)雜，但也為需求側(cè)的應(yīng)對提供條件。從源—網(wǎng)—荷結(jié)構(gòu)的演變軌跡可知，在初始階段，配電網(wǎng)的可控性較弱，資源協(xié)調(diào)能力有限，難以滿足復(fù)雜多樣的需求。技術(shù)的推進不斷增強配電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力。隨著電力系統(tǒng)應(yīng)用的日益多樣化，源-網(wǎng)-荷結(jié)構(gòu)的不斷演變，使得柔性配電網(wǎng)的出現(xiàn)成為必然選擇。

2.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化

近年來，電力系統(tǒng)中發(fā)展進度最快、變化幅度最大的當(dāng)屬配電網(wǎng)，從傳統(tǒng)的放射型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸演變?yōu)槎喽嘶ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)，并持續(xù)向多態(tài)、多級和多環(huán)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。我國配電網(wǎng)在發(fā)展初期，主要是以單一輻射式為基礎(chǔ)，以滿足社會發(fā)展對電力的基本需求。隨著人們生活水平的不斷提高，用戶對電能質(zhì)量和供電穩(wěn)定性的需求持續(xù)增長，配電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成也進行了相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)發(fā)展的需要。與此同時，為建設(shè)一個堅強、可靠、智能化的電力系統(tǒng)，配電網(wǎng)絡(luò)正在進行著深刻的變革。未來，為適應(yīng)我國經(jīng)濟發(fā)展對配電網(wǎng)的需要，配電網(wǎng)的綠色、智能化以及高質(zhì)量將會持續(xù)發(fā)展。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)只是一個單向的信息流，由各數(shù)據(jù)收集模塊向中央控制中心傳送數(shù)據(jù)。隨著云平臺等技術(shù)的不斷發(fā)展，配電網(wǎng)中的信息流變得更加復(fù)雜，數(shù)據(jù)交互更加頻繁。在此基礎(chǔ)上，利用該廣域測量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對配電網(wǎng)中重要電力參數(shù)的實時檢測，以滿足實際的工作需要。

2.3 柔性配電網(wǎng)的特征

與常規(guī)配電網(wǎng)相比，柔性配電網(wǎng)具有調(diào)節(jié)能力更強、響應(yīng)速度更快、測量精度更高、運行目標(biāo)層次更高等特點。

柔性配電網(wǎng)的調(diào)控能力會在源-網(wǎng)-荷的各環(huán)節(jié)中體現(xiàn)出來，按其物理性質(zhì)可分為初級調(diào)控能力、信息調(diào)控能力以及用戶調(diào)控能力3 個層次。初級調(diào)控能力是指在配電網(wǎng)中，利用各種可調(diào)裝置，對負荷進行有效均衡，并對潮流進行合理分配的能力。信息調(diào)控能力是指柔性配電網(wǎng)利用更為準(zhǔn)確的預(yù)報方法，提前制定合理的調(diào)度策略，確保系統(tǒng)的運行既安全又可靠。用戶調(diào)控能力的核心思想是在電力交易機制和市場導(dǎo)向的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)用戶以理性的態(tài)度參與到配電網(wǎng)的優(yōu)化運營[3]。

柔性配電網(wǎng)相較于傳統(tǒng)配電網(wǎng)展現(xiàn)出更高的響應(yīng)速度，主要歸因于電力電子設(shè)備的迅速反應(yīng)能力。基于光伏陣列和儲能裝置的新型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整逆變器的導(dǎo)通角，可以將部分分布式電源從不可調(diào)度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)度狀態(tài)，再結(jié)合傳統(tǒng)的配網(wǎng)優(yōu)化方法，最大限度地發(fā)揮分布式電源性能，又能增強系統(tǒng)的經(jīng)濟性與安全性，改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量，減少系統(tǒng)的阻塞。與此同時，隨著儲能裝置、柔性軟開關(guān)和其他各種快速響應(yīng)設(shè)備接入后，柔性配電網(wǎng)調(diào)控能力會進一步提高[4]。

隨著多種負荷預(yù)測方法的廣泛應(yīng)用，以及智能終端的推廣使用，電力系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有了更高的要求。廣域測量系統(tǒng)實現(xiàn)廣域配電網(wǎng)電能質(zhì)量的實時檢測，并能夠滿足柔性配電網(wǎng)絡(luò)對各種類型、大范圍、深層次信息的檢測和信息收集的實際需要。在此基礎(chǔ)上，通過整合、分析、判斷信息，實現(xiàn)對當(dāng)前電網(wǎng)運行狀況的全面感知和評價。

此外，柔性配電系統(tǒng)的一個重要特點就是其運行指標(biāo)的不斷豐富和完善。在配電網(wǎng)開發(fā)與建設(shè)之初，以保障電能的高效供給為其基本運作目的。因此，保障電力系統(tǒng)的有效供給，提高電力系統(tǒng)的供電可靠度，就成為了配電系統(tǒng)調(diào)度員的一項重要工作。隨著配電網(wǎng)形態(tài)的變化，各種類型客戶的持續(xù)接入，以及運行目標(biāo)和評價指標(biāo)的持續(xù)提升，推動配電網(wǎng)的不斷進步，這主要體現(xiàn)在對電能質(zhì)量和經(jīng)濟運行需求的關(guān)注度。

3 考慮多種可控設(shè)備的聯(lián)合優(yōu)化策略

3.1 優(yōu)化系統(tǒng)運行狀態(tài)

應(yīng)優(yōu)化配電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，進一步分析接入可控設(shè)備對配電網(wǎng)運行裕度的影響。柔性軟開關(guān)的連接位置設(shè)在節(jié)點18 和33 之間，如圖1 所示。容量設(shè)置為1 MVA，換流器的損耗系數(shù)設(shè)為0.02。

圖1 柔性軟開關(guān)的連接位置

構(gòu)建無可控裝置、引入儲能裝置以及引入柔性軟開關(guān)裝置3 類典型場景，如表1 所示。通過對1 d內(nèi)不同場景下配電網(wǎng)運行裕度指數(shù)及網(wǎng)損數(shù)據(jù)的分析可知，當(dāng)無可控裝置時，高比例的分布式電源接入會加劇電力失衡，線路運行裕度、節(jié)點電壓裕度、系統(tǒng)運行損耗等指標(biāo)均會呈現(xiàn)較低水平。通過引入可控制裝置，可以有效提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。隨著電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的增強，各柔性配電網(wǎng)的運行裕度也隨之增大。當(dāng)電力系統(tǒng)接入儲能裝置后，可實現(xiàn)對電能的合理儲存與釋放，從而提升配電網(wǎng)在不同時段的調(diào)峰能力。然而，鑒于儲能系統(tǒng)在每日使用后需要重新設(shè)置其荷電狀態(tài)，在某種程度上限制運行裕度的進一步提升。在此基礎(chǔ)上，通過引入柔性軟開關(guān)裝置，可使各饋線間實現(xiàn)柔性互聯(lián)，顯著提升整個系統(tǒng)的調(diào)整性能。整體而言，隨著可控裝置的接入，電網(wǎng)的運行裕度指標(biāo)持續(xù)增加，同時運行損耗也在逐漸減少，這表明配電網(wǎng)絡(luò)的運行狀況呈現(xiàn)出良好的變化趨勢。因而，通過接入可控設(shè)備，能夠優(yōu)化配電網(wǎng)的運行效率，減少系統(tǒng)運行中的損耗并使供電質(zhì)量得以提高。

表1 3 種場景對柔性配電網(wǎng)運行狀態(tài)的影響

為探討接入可控設(shè)備后不會造成其他節(jié)點裕度的降低，選取節(jié)點33、3 節(jié)點30、節(jié)點18 的運行情況進行詳細分析。如表2 所示，3 個場景中，通過分析節(jié)點18、30、33 的電壓裕度指標(biāo)可知，接入可控裝置后，電壓裕度指標(biāo)都有大幅度的提高。

表2 各場景中特殊節(jié)點的電壓裕度指標(biāo) 單位：kV

3.2 控制消納策略

在柔性配電網(wǎng)中，將多個受控設(shè)備連接到電網(wǎng)，可以增加配電網(wǎng)中分布式電源的裝機容量。在柔性配電網(wǎng)的實際運行中，需要考慮裝機容量不變的情況，選擇已經(jīng)接入分布式電源的節(jié)點作為裝機容量的候選節(jié)點，并深入探討影響分布式電源裝機容量的各種因素[5]。為最大限度地應(yīng)對分布式電源發(fā)電量的需求，各個接入點的分布式電源的功率因數(shù)需統(tǒng)一調(diào)整為1.0。

在可控裝置的應(yīng)用下，隨著可控裝置的數(shù)量增加，柔性配電網(wǎng)的消納能力也隨之增加。同時，從系統(tǒng)的運行裕度指數(shù)可知，為消納分布式電源的發(fā)電量，配電網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)能力已接近枯竭，表現(xiàn)為線路功率余量和節(jié)點電壓余量均趨近0。通過對不接入任何可控設(shè)備和接入儲能設(shè)備后的運行情況進行比較，發(fā)現(xiàn)在采用儲能裝置作為調(diào)節(jié)方式的條件下，隨著分布式電源消納量的增加，系統(tǒng)運行中的損耗也隨之增加。通過智能軟開關(guān)和儲能裝置協(xié)同運行可有效提升分布式電源消納能力，同時大幅降低系統(tǒng)運行的損耗。因此，接入儲能設(shè)備可以優(yōu)化運行時間的分配，并有效提升配電網(wǎng)的消納能力。

4 結(jié) 論

對于含有分布式能源的柔性配電網(wǎng)，目前仍需要進一步的研究，以改進配電網(wǎng)的運行質(zhì)量。在構(gòu)建含有分布式能源的靈活配網(wǎng)的優(yōu)化運行數(shù)學(xué)模型過程中，可控裝置的種類仍可不斷充實與發(fā)展，而加入動態(tài)反應(yīng)技術(shù)、需求側(cè)反應(yīng)技術(shù)等，則可進一步充實有關(guān)的數(shù)學(xué)模型。在靈活配網(wǎng)的最優(yōu)運行中，如何將分布式能源加入電力系統(tǒng)的潮流調(diào)整，最大限度地挖掘可用資源的潛能，達到靈活配網(wǎng)中不同時段之間電力功率的動態(tài)平衡，是一個值得深入探討的問題。