面向新型源荷接入的交直流混合配電網關鍵技術探索

魏 凱，陳曉燕

（國網武威供電公司,甘肅 武威 733000）

0 引 言

隨著經濟快速發展，人們對于供電質量與效率的要求不斷提高，導致配電網負荷愈加密集，另外新型源荷的不斷接入。一定程度上會對配電網工作時的穩定性造成影響，給配電網的安全程度與電力企業經濟帶來了不小沖擊。然而傳統交流配電網供電能力有限，難以適應配電網發展的新要求。隨著越來越多的分布式新能源和新型電力設備等新型負荷接入，這種不匹配問題會更加嚴重，電力企業迫切需要創新技術以提高自身靈活性，在各類嚴峻的挑戰中穩步發展[1]。

1 面向新型源荷接入的交直流混合配電網的研究意義

隨著社會經濟的快速進步，新能源的飛速發展，人民群眾及社會建設對用電量的需求越來越大。隨著電力設備技術的大力發展，常規的交流配電網技術已然無法滿足社會發展與經濟建設的需求，直流配電技術顯現出巨大的優勢。太陽能電池與新能源發電等產生的大部分為直流電，常用的電力設備如大型機械、空調設備以及電力列車等也多數采用直流供電。而在傳統的配電網中只有交流配電網，上述直流源荷都需要通過交流/直流變流器變化后接入與之電壓等級相對應的交流配電網中。假如可以將上述直流源荷直接接入對應等級的直流配電網中，不僅可以省略使用變流器這一步驟，減小電力與經濟損耗，還可以有效保證配電網的供電質量與供電穩定性，因此誕生了交直流配電網技術[2]。交直流混合配電網能夠同時使交流和直流供電兼容，不僅能夠降低電力系統的復雜程度，實現功率互補，還可以進行交直互相支撐，有效增加配電網的安全與穩定，也是未來配電網的發展趨勢。此外，該類型的混合配電網中不存在直流部分與交流部分不同步等問題，可以有效避免來自交流側的干擾和故障。交流直流混合配電網地使用可實現對電力輸送功率的有效控制，不僅可以在穩態運行情況下保障交直流電的高效對接，而且可以在非穩態狀態下實現快速的跨區功率轉換。

2 交直流混合配電網關鍵技術分析

2.1 交直流混合配電網網架結構

配電網的結構架構是交流直流混合配電網靈活穩定運行的重要影響因素。業界針對僅存在交流的配電網網架結構相關研究已取得較為理想的成果，但對于交流與直流混合配電網網架結構的相關研究仍存在較大提升空間[3]。在設計交流直流混合配電網網架結構時必須綜合考慮兩種電流的配電網網架結構，從而構建出有效的交流直流混合配電網網架結構。

在傳統只存在交流電的配電網中，高壓、中壓以及低壓配電網網架結構都有所不同，其中高壓交流電配電網網架結構為環網式、鏈式及輻射式，中壓配電網結構為單、雙環式、多分段聯合及輻射式，而低壓配電網只采用輻射式結構。

直流電的配電網網架結構類型及特點如下。第一種網狀型。其主干網絡由不同電壓等級的直流主線組成，相應的電子裝置將分布式電源、交流與直流負載與主線相連，具有結構簡單，不需要特別控制保護的特點，但供電可靠性較差。第二種兩端供電型。其可以實現當一側出現故障時，完好的一側持續工作，整體穩定性較高[4]。第三種環型。其運行方式類似于第二種網架結構的運行方式，相比于前兩種配電網，供電可靠性更高。

根據電力需求的不同，交直流混合配電網可分為柔性直流裝置和混合配電網兩類。當直流電源負載較少時采用前者，當有高密度直流電源負載接入時采用后者[5]。交直流混合配電網中常用的主要是輻射型交直流混合配電網和多段交直流混合配電網，兩者的網絡結構分別見圖1和圖2。

2.2 交直流混合配電網規劃設計

交流電配電網規劃設計的研究內容大多是新線路或新電源的位置和容量，其設計只考慮目標線路負荷的供電與需求情況。而交直流混合配電網的規劃設計，不僅可以提高線路的最大輸電能力，而且可以提高電壓源變換器（Voltage Source Converter，VSC）互連的兩條線間功率控制的程度。因此，規劃與設計交直流混合配電網可以綜合分析多條線路的動態潮流分布和經濟因素，使規劃設計方案達到最優，以二者互補的形式為整體運行提供良好支持和保障[6]。并且交直流混合配電網具有更加多變的拓撲結構，在使用場景上也更加多樣性，因此要結合實際使用環境對交直流混合配電網進行規劃設計，提高其實用性。

2.2.1 交直流混合配電網改造技術

圖3所表示的是中電壓交流配電網，負荷轉供需要常開斷路器將兩條來自不同變電站的饋線互聯，通過重構網絡實現，方法煩瑣且復雜。圖4表示的是中電壓交直流混合配電網，其中VSC1將線路1直接轉化為直流電，VSC2將線路1與線路2互聯之后形成交流與直流混合的配電網，實現負荷轉化。換流器內部結構在交流與直流混合配電網中對接線方式與電力傳輸總量影響最大[7]。

圖3 中電壓交流配電網

圖4 中電壓交直流混合配電網

2.2.2 面向新型源荷的交直流混合配電網協調規劃

由于面向新型源荷的交流與直流混合配電網運行場景眾多，所以進行交直流混合電網的規劃階段不僅要考慮其拓撲結構，還要考慮其新型源荷接入的位置、最大電量及其工作時的調控能力對交直流混合配電網造成的影響，最終做好規劃設計。

2.3 交直流混合配電網優化運行

與傳統的交流配電網相比，交直流混合配電網可以利用現有線路和空間實現靈活的輸電，提高線路的輸電能力。但傳統交流配電網的調度方法不具備交直流混合配電網的這一優勢。因此，在設計交直流混合配電網優化運行技術時必須綜合考慮線間功率調節能力，通過電力電子裝置進行多方面調控，確保配電網運行在保證安全的前提下滿足經濟性需求。例如，通過智能軟開關連接兩個孤島的方法，有效解決了電力資源空間分布不均勻的問題，提高了配電網供電時的可靠性。由于交流與直流混合配電網VSC運行特性方程具有高度的非凸非線性，因此其線性化方法可以解決分布式調度問題。通過分析新的協調源負荷特性，綜合考慮負荷協同優化的影響，采用電源、配電網、負荷以及儲能裝置相協調的直流配電網多目標優化調度方法，降低對系統運行成本的影響[8]。

對于不同時間尺度的交直流混合配電網進行優化調度，可以通過建立交直流混合配電網不同時間尺度下的優化模型，分析其在不同時間尺度下的優化方法及影響。通過考慮基于高滲透率DG接入交直流混合配電網，可以采用不同時間尺度下的協調控制策略，根據不同的時間尺度選擇聯絡開關或是以電壓為變量調整智能軟開關和VSC的功率。為了實現潮流的最優化與電能損耗的最低化，預測誤差時可以利用有功功率，并估計DG無功功率的概率分布，從而采用合適的配電網協調調度方法。

整體來說，目前面向新型源荷接入的交直流混合配電網優化技術研究方向主要是考慮不同時間尺度下交直流混合配電網的調度，對交流與直流混合配電網的調度研究也已經成為交直流混合配電網技術研究的主要趨勢[9]。

2.4 交直流混合配電網故障恢復技術

目前對于故障恢復的研究大多是面向交直流混合輸電網和含柔性軟開關的配電網。常見的故障修復技術主要是對配電網進行網絡重構或形成孤島，對于單個目標或多個目標，利用智能算法進行計算。針對只存在交流電的配電網的故障恢復，可以建立兩層規劃模型，分別以主網和孤島恢復電量最大為目標，并利用智能算法進行求解。針對高壓直流輸電網的故障恢復，可以結合系統對停電恢復的要求，建立有直流系統參與的電網恢復路徑優化模型，該模型可以有效提高路徑搜索的速度[10]。對于存在智能柔性軟開關的配電網，首先要考慮智能柔性軟開關控制能力的靈活性，采用有源配電網故障修復技術，該技術以智能柔性軟開關與DG協調控制為基礎。

3 結 論

只有加大對交流直流混合配電網關鍵技術的研究力度，才能使配電網的供電質量和效率適應新時期的人民需求及社會建設需求。配電網的網架結構、規劃設計、優化運行以及故障恢復都是影響交流與直流混合配電網運行的關鍵因素。配電網人員對其要高度重視，需要從實際情況出發，做好交直流混合配電網規劃運行關鍵技術的探索，為我國電力行業的可持續發展奠定良好的基礎。