低壓柔直互聯系統在配電網中的應用研究

張 哲，徐何君

（上海電力設計院有限公司，上海 200023）

配電網正在經歷由傳統配電網向智能配電網的過渡，由傳統配電自動化發展為新一代配電自動化，實現配電運營協同管理［1］。隨著分布式電源和電動汽車的規?；l展，傳統配電網將面臨電能質量以及供電可靠性等諸多挑戰。因此，研究建設包含分布式電源、多元化負荷且具有主動協調控制和運行管理能力的新型配電網是配電技術發展的必然方向［2］。

1 配電網的發展和需求

1.1 配電網發展現狀

在配電網典型接線方式中，架空線路采用的是多分段單聯絡/三聯絡，電纜線路采用的是單射式、雙射式、單環網/雙環網以及“三雙”接線等，配電網整體運行靈活性與經濟性較國外先進城市尚有差距。隨著國內配電網改造項目的開展，配電網從過去以輻射狀接線逐步轉變為雙回路供電、環形網絡供電及多分段多聯絡等供電網絡結構。近年來“雙花瓣”“鉆石型”等高可靠性智能配電網結構也在上海、雄安等地得到應用［3］。

配電自動化是實現配電網主動控制的基礎。常規配電自動化系統以一次網架和設備為基礎，綜合利用計算機技術及通信等技術，實現配電網運行監視和控制的自動化。配電自動化系統具備配電數據采集與監視控制（SCADA）、故障處理、分析應用及與相關應用系統互連等功能，主要由配電自動化系統主站/子站、配電自動化終端和通信網絡等部分組成。

近年來，新一代的配電自動化系統應用智能融合終端實現配電臺區一體化綜合管控，應用智能輔控裝置、遠動網關、數據終端單元（DTU）、一二次（融合）成套設備實現中低壓設備狀態監測與配電室全景監測，應用光纖縱差保護、智能分布式饋線自動化等技術實現配電網故障快速自愈。

1.2 新型電力系統下的配電網需求

隨著“雙碳”目標的推進，新型電力系統下高滲透率分布式電源接入電網，配電網正在由無源網絡變為有源網絡，源網荷互動要求不斷增加，加上分布式儲能、數據中心及充放電站等負荷在電網中的占比不斷提升，對電力系統特別是配電網的安全可靠性和經濟運行能力提出更高要求［4］。

傳統配電網采用“閉環設計、開環運行”方式，電源結構單一，源-網-荷之間單向傳輸，聯動性弱；配電網內臺區/饋線間功率不平衡，分布式電源與負荷滲透率不一，跨臺區調控能力不足，設備利用率低［5］；在故障發生時，臺區間資源無法相互快速支援，易擴大事故范圍，導致系統可靠性下降，不能很好適應和滿足分布式電源接入以及多能協同運行的要求，亟需有效的柔性調控手段以根據運行情況靈活調整網架拓撲，滿足分布式電源及多元負荷“即插即用”需求，實現源、網、荷、儲的高效互動［6］。

2 低壓柔直互聯系統

2.1 柔性互聯技術

傳統配電網依靠斷路器和聯絡開關的開斷動作實現“閉環設計、開環運行”的供電控制?；陔娏﹄娮釉O備的柔性互聯是將配電網中各臺區/饋線、各交/直流配電子網或微電網（群）等通過柔性互聯設備（FID）連接，實現分布式新能源、儲能設備、電動汽車等的友好接入，并在各臺區間實現智能調度，達到潮流控制、有功無功功率優化、協同保護等功能，具備控制連續、響應速度快、動作頻繁和故障率低等特性［7］。

配電網饋線間柔性互聯基本方式如圖1 所示。柔性互聯的關鍵技術是通過柔性軟開關（SOP）和柔性環網控制裝置（FLNC）實現配電網的柔性互聯，并構建多元的設備接入形式［8］。

圖1 配電網饋線間柔性互聯基本方式

基于背靠背電壓源換流器（VSC）的典型互聯雙饋線配電網示意如圖2 所示。柔性軟開關由2個VSC 組成，具有端口間功率連續調節功能，在正常運行時可進行潮流控制、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［9］。軟開關徹底改變了常規配電網“閉環設計、開環運行”的供電方式，是構成全面可控柔性互聯配電網的核心裝備。

圖2 基于背靠背VSC 的典型互聯雙饋線配電網示意

2.2 基于多端口電能路由器的柔直互聯系統

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，柔性環網控制裝置（FLNC）通過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，從而實現多條饋線聯絡，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］。

基于多端口電能路由器的柔直互聯裝置是臺區低壓柔性互聯系統的核心設備，與常規聯絡開關相比，柔性互聯技術可以解耦控制有功功率、無功功率，改善功率傳輸的靈活性，不僅具備斷開和連通功能，而且沒有常規機械式開關動作次數的限制，運行模式柔性切換，控制方式靈活多樣［10-11］?；诙喽丝陔娔苈酚善鞯娜嶂被ヂ撓到y示意如圖3 所示。

圖3 基于多端口電能路由器的柔直互聯系統示意圖

3 典型應用場景

3.1 配電臺區間功率分配平衡

配電變壓器低壓側的柔性互聯，可以在不改變現有交流網架結構的條件下，實現不同供電臺區互連和雙向潮流靈活控制，解決不同臺區或饋線之間重載、輕載的功率不平衡問題，實現饋線間負荷的實時平衡運行，優化配電變壓器容量和負荷利用率；電能路由器交流端口同時具備無功支撐能力，對所連接的低壓饋線可進行無功補償，提高用戶側電能質量，減小常規臺區系統無功補償設備；在故障情況下，可實現故障側饋線負荷的靈活快速轉供，以及非故障區域的快速恢復，提高供電安全性和可靠性，實現饋線間的互備互供。

3.2 新型負荷的優化配置和互動

以多端口電能路由器為核心，將交流配電、直流配電、柔性互聯、微電網等系統有機集成，形成基于柔直互聯的交直流混合配電網，可以實現電動汽車、分布式電源和儲能的友好接入，是源網荷儲互動的基礎。當某些臺區/線路負荷輕載時，可根據自身實時負荷率，充分利用其剩余容量，通過電能路由器為其他重載臺區或電動汽車充電站供電，實現各配電變壓器利用率均衡。當區域內臺區/線路負荷重載，配電變壓器備用容量不足時，可通過儲能裝置為充電站供電；此外，通過柔性互聯實現電動汽車到電網（V2G）或換電站到電網（S2G）的接入，利用電動汽車電池或儲能裝置，實現削峰填谷和需求側響應。

3.3 分布式新能源的友好接入和高比例消納

對于分布式電源的大量接入，電能路由器可集成多臺區/饋線，采用臺區/饋線間潮流互動的方式協助高滲透率的分布式發電消納，并平滑其引入的功率波動與高電壓越限問題，解決新能源出力波動導致的需對單臺區進行大規模增容的問題，減少一次設備的投資。在電網故障孤島狀態下，由公共直流母線連接的分布式電源可為臺區/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。

4 工程案例

4.1 農網臺區柔性互聯案例

項目所在河北某新區某村現有16 臺配電變壓器，總容量為6 490 kVA。其中，400 kVA 配變10 臺，200 kVA 配變3 臺，630 kVA 配變3 臺，冬季最大負荷3 881.94 kW，臺區平均負載率61.72%。其中，1 號臺區、5 號臺區、11 號臺區的負荷率差別較大存在嚴重的負荷不均衡問題，預測最大負荷率分別為57.84%，82.35%，29.30%。村內現有光伏裝機容量為300 kWp，儲能系統總容量為800 kWh。本項目將1 號臺區、5 號臺區、11 號臺區在低壓側進行互聯組成低壓直流互聯系統，實現臺區負荷率平衡，預計系統內最大平均負荷率52.91%，有效降低3 臺配電變壓器之間的負載率差異，提高配電變壓器的負荷利用率。結合區域內現有分布式光伏和儲能設備的位置條件，現有光伏保留在5 號臺區。儲能系統分別接入1 號臺區和11 號臺區，同時考慮未來預計新增的分布式光伏和儲能設備，在低壓柔直互聯網絡的主網架上布置光伏、儲能、充電樁、直流負荷接口等多種預留接口。

低壓柔直互聯系統運行工作模式包括轉供功能、檢修/故障狀態、光伏消納3 種，可實現以下系統功能。

（1）平衡各臺區負荷率，實現各臺區之間容量互濟。

（2）提高供電可靠性，減少檢修或故障導致的用戶停電時間。

（3）提高光伏就地消納能力。

低壓柔直互聯系統主要設備為柔性互聯AC/DC 柜：1 號柔性互聯AC/DC 柜，核心設備包括1×189 kW 雙向AC/DC 變流器；2 號柔性互聯AC/DC 柜，核心設備包括1×189 kW 雙向AC/DC 變流器；3 號柔性互聯AC/DC 柜，核心設備包括1×125 kW 雙向AC/DC 變流器。

低壓柔直互聯AC/DC 柜內部主要設備有：雙向AC/DC 變流器，1 套；就地監控系統，1 套；環控系統，1 套；智能融合終端，3 套。

低壓柔直互聯網絡示意如圖4 所示。

圖4 低壓柔直互聯網絡示意

4.2 長三角“水鄉客廳”微電網案例

長三角“水鄉客廳”微電網示范工程在上海青浦水鄉區域協同運營中心區域建設微電網?！八l客廳”微電網系統接線示意如圖5 所示。

圖5 “水鄉客廳”微電網系統接線示意

微電網系統配置2 臺10/0.4 kV 容量1 250 kVA 配電變壓器接入系統10 kV 交流母線。微電網系統設置380 V 交流母線和±375 V 直流母線，均采用單母分段接線。兩段交流母線和兩段直流母線間通過多端口電能路由器連接，其中P2 和P3 端口分別通過250 kW 交直流變換器給直流Ⅰ段和直流Ⅱ段供電，P1 端口為低壓柔性互聯端口，通過250 kW 背靠背變換器連接2 臺配變臺區低壓側，實現柔性互聯與功率互濟。微電網系統內光、風、儲、荷按照一定的容量分別接入交流和直流母線。正常運行時，微電網單元正常自治運行，當某個微電網單元出現重載或者新能源電源無法消納時，可采用低壓柔性互聯下的負載均衡、失電支援、源荷轉供、經濟運行、重要負荷保供電等運行策略。

5 結語

柔性互聯裝備是一種可在配電網若干關鍵節點上替代常規聯絡開關的新型柔性一次設備，柔性互動將成為新型配電系統的顯著特征，可為促進“雙碳”目標的實現提供有力支撐。

（1）低壓柔直互聯系統可以實現不同配電臺區間的容量互濟，提高配電網靈活可控能力和運行可靠性。

（2）交直流混合柔性互聯的新型配電系統可實現系統中所有電源包括儲能系統、分布式光伏系統、分布式風電系統和電動汽車等新型負荷的互聯互通，實現配電網絡源、網、荷、儲多方互動的能量路由運行控制，將更有利于分布式電源和新型負荷的接入，實現區域間的能量平衡，并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也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。