含分布式新能源的城市配電網(wǎng)供電模式柔性切換方式探討

李文建，莊海軍，趙亞飛，丁鈺真

（1.國(guó)網(wǎng)鄭州供電公司，河南 鄭州 450000；2.國(guó)網(wǎng)河南能源互聯(lián)網(wǎng)電力設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

與傳統(tǒng)的交流（Alternating Current，AC）配電系統(tǒng)相比，柔性直流（Direct Current，DC）配網(wǎng)具有較小的占地空間、較高的電能質(zhì)量、較低的線(xiàn)路損耗、靈活的控制模式等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以有效改善電力系統(tǒng)的可靠性和可控性，為風(fēng)電、光伏儲(chǔ)能等直流電源的大規(guī)模分布式并網(wǎng)提供“友好”接口。現(xiàn)階段，分布式新能源供電模式在技術(shù)上有著巨大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展空間。電力與國(guó)民經(jīng)濟(jì)、民生密切相關(guān)，電力供應(yīng)的安全問(wèn)題更是關(guān)系到國(guó)家的安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著我國(guó)環(huán)境日益惡化，建設(shè)綠色、可靠、高效的現(xiàn)代化電力能源網(wǎng)絡(luò)已成為當(dāng)務(wù)之急[1]。配電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展始終是為了更好地滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，在初期，配電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展主要是為了滿(mǎn)足用戶(hù)基本用電負(fù)荷需求，并將其作為一種重要的基礎(chǔ)設(shè)施。為達(dá)到用戶(hù)高可靠度目標(biāo)，需要將原有配網(wǎng)自動(dòng)化，改造原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)供配電模式向高質(zhì)量供電服務(wù)方向邁進(jìn)。

目前，我國(guó)的配電網(wǎng)絡(luò)存在著并網(wǎng)與孤島兩種運(yùn)行方式，通過(guò)兩種方式的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了電壓振幅的起伏，并利用合閘的方式對(duì)抗沖擊電流，以確保城市配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)的安全、可靠，從而實(shí)現(xiàn)供電模式的平穩(wěn)切換。為落實(shí)此項(xiàng)工作，本文將在此次研究中設(shè)計(jì)一種針對(duì)城市配電網(wǎng)供電模式的全新、柔性切換方法，旨在通過(guò)此次設(shè)計(jì)降低供電過(guò)程中的損耗，為用戶(hù)提供更加優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)。

1 含分布式新能源的城市配電網(wǎng)運(yùn)行無(wú)功補(bǔ)償

為實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)在運(yùn)行中供電模式的柔性切換，在設(shè)計(jì)方法前，應(yīng)落實(shí)含分布式新能源的城市配電網(wǎng)運(yùn)行無(wú)功補(bǔ)償，保證終端配電網(wǎng)運(yùn)行處于一個(gè)相對(duì)良好的狀態(tài)，在此種條件下切換供電模式，降低或避免由于節(jié)點(diǎn)輸電異常造成的電網(wǎng)異常損耗[2]。當(dāng)城市配電網(wǎng)饋線(xiàn)柔性連接開(kāi)關(guān)在并網(wǎng)時(shí)，即配電網(wǎng)存在單側(cè)或雙側(cè)并網(wǎng)時(shí)，可以將由蓄電池、光伏以及直流負(fù)載構(gòu)成的饋線(xiàn)柔性連接終端作為一個(gè)供電服務(wù)終端，為降低終端電能訪(fǎng)問(wèn)對(duì)系統(tǒng)無(wú)功均衡的影響，需要DC系統(tǒng)本身能夠在一定的功率因素范圍內(nèi)工作。

為滿(mǎn)足此方面需求，將無(wú)功控制方法引入到城市配電網(wǎng)運(yùn)行補(bǔ)償中，利用雙向換流器，使用虛擬同步發(fā)電機(jī)主動(dòng)控制電網(wǎng)的輸電節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)電網(wǎng)本身的無(wú)功控制。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置電網(wǎng)無(wú)功功率因數(shù)，使直流系統(tǒng)的功率因數(shù)與城市配電網(wǎng)的功率因數(shù)呈現(xiàn)適配狀態(tài)[3]。此過(guò)程中需要注意的是，無(wú)功功率補(bǔ)償存在上限值，只有不超過(guò)其上限值的補(bǔ)償，才能在電網(wǎng)中發(fā)揮預(yù)期的效能。最大補(bǔ)償值的計(jì)算為

式中：Qmax為配電網(wǎng)運(yùn)行最大無(wú)功補(bǔ)償值；SN為發(fā)電機(jī)運(yùn)行額定功率；P為DC變換器功率因數(shù)。

在配電網(wǎng)饋線(xiàn)柔性連接系統(tǒng)中，如果電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償超出了其最大補(bǔ)償能力，則必須在電網(wǎng)中增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置繼續(xù)補(bǔ)償。通過(guò)此種方式，實(shí)現(xiàn)含分布式新能源的城市配電網(wǎng)運(yùn)行無(wú)功補(bǔ)償。

2 定位城市配電網(wǎng)供電中的異常溫升點(diǎn)

為降低配電網(wǎng)供電服務(wù)終端由于異常溫升出現(xiàn)切換過(guò)程中的安全事故，應(yīng)設(shè)計(jì)供電中異常溫升點(diǎn)的定位方法，實(shí)時(shí)掌握終端配電網(wǎng)在切換中的運(yùn)行狀態(tài)[4]。在此過(guò)程中，設(shè)定配電網(wǎng)終端供電模式節(jié)點(diǎn)的單位距離為1 m，終端對(duì)于電能的接收功率為q，計(jì)算供電過(guò)程中信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離，公式為

式中：d為供電過(guò)程中信號(hào)發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離；R為異常發(fā)射點(diǎn)的接收值；n為電量損耗指數(shù)；m為電能修正系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，定義供電服務(wù)空間中，異常溫升點(diǎn)為o，需要隨機(jī)選擇3個(gè)非同一平面內(nèi)的錨點(diǎn)作為參照點(diǎn)，建立o-ABC定位網(wǎng)，其中A、B、C表示3個(gè)非同一平面內(nèi)的錨點(diǎn)（參照點(diǎn)）。連接A、B、C錨點(diǎn)電源，定位異常溫升點(diǎn)的計(jì)算公式為

式中：NA為以A為參照點(diǎn)的城市配電網(wǎng)供電模式中異常溫升點(diǎn)的定位結(jié)果；RAB為A、B之間的連通電流；dAC為點(diǎn)A與點(diǎn)B之間的距離；qA為點(diǎn)A位置電能設(shè)備在運(yùn)行中的接收功率。

采用功率校正法，在城市配電系統(tǒng)供電方式中選擇任意兩個(gè)固定點(diǎn)，并根據(jù)不同的溫度變化點(diǎn)建立不同溫度異常點(diǎn)的實(shí)際距離和測(cè)距的關(guān)系，得出不同溫度異常點(diǎn)的位置。

3 基于并網(wǎng)環(huán)流控制的供電模式柔性切換

當(dāng)配電網(wǎng)中隨機(jī)兩個(gè)輸電節(jié)點(diǎn)電壓的幅值與相位呈現(xiàn)一致?tīng)顟B(tài)時(shí)，切換供電開(kāi)關(guān)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成負(fù)載，也不會(huì)產(chǎn)生額外的沖擊電流[5]。因此，可以通過(guò)對(duì)并網(wǎng)環(huán)流的控制，當(dāng)兩點(diǎn)環(huán)流電壓處于無(wú)限接近的狀態(tài)時(shí)，切換城市配電網(wǎng)的供電模式，降低負(fù)載對(duì)配電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響，從而有效控制電網(wǎng)損耗。其中并網(wǎng)環(huán)流的計(jì)算公式為

式中：I為并網(wǎng)環(huán)流；I01、I02為兩個(gè)輸電節(jié)點(diǎn)。

計(jì)算過(guò)程中，如果I=I01+I02，則可以認(rèn)為在此種狀態(tài)下存在節(jié)點(diǎn)與輸電中心距離相同的現(xiàn)象，但大部分切換行為不滿(mǎn)足或不符合上述條件。此時(shí)，可以輔助使用逆變器，控制輸電節(jié)點(diǎn)的電壓，將I01點(diǎn)作為參照，控制I02的電壓產(chǎn)生突變。在調(diào)節(jié)電壓過(guò)程中，根據(jù)調(diào)節(jié)器在運(yùn)行中的飽和狀態(tài)，逐步增加逆變器的環(huán)流，保證直流側(cè)電壓趨近于一致。當(dāng)滿(mǎn)足上述條件后，驅(qū)動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行模式開(kāi)關(guān)，即可滿(mǎn)足對(duì)供電模式的柔性切換需求。按照上述方式，實(shí)現(xiàn)基于并網(wǎng)環(huán)流控制的供電模式柔性切換，完成柔性切換方法的設(shè)計(jì)。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中效果的校驗(yàn)，下述將以某試點(diǎn)城市為例，按照本文設(shè)計(jì)的方法，布置針對(duì)城市配電網(wǎng)運(yùn)行的柔性切換，以檢驗(yàn)或證明提出方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果。

在對(duì)此城市配電網(wǎng)的綜合調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，該城市在電力改造中已實(shí)現(xiàn)了將分布式新能源配電網(wǎng)推廣使用，但在深入供電中心負(fù)責(zé)單位的市場(chǎng)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，由于相關(guān)技術(shù)部門(mén)尚未制定針對(duì)此配電網(wǎng)的專(zhuān)項(xiàng)供電服務(wù)切換模式，導(dǎo)致供電服務(wù)中經(jīng)常出現(xiàn)電流畸變與電能損耗。因此，在與負(fù)責(zé)人綜合商議后，決定使用本文設(shè)計(jì)的方法，部署此城市配電網(wǎng)在運(yùn)行中的供能服務(wù)切換方式。

為確保測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性與可靠性，在開(kāi)展相關(guān)研究前，使用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（Real Time Labratory，RT-LAB）建立此城市配電網(wǎng)的綜合運(yùn)行模型。設(shè)計(jì)配電網(wǎng)在供電服務(wù)模式下的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 城市配電網(wǎng)在供電服務(wù)模式下的技術(shù)參數(shù)

在此基礎(chǔ)上，使用本文設(shè)計(jì)的方法布置供電模式的柔性切換。此過(guò)程中，根據(jù)含分布式新能源的城市配電網(wǎng)運(yùn)行方式對(duì)其無(wú)功運(yùn)行進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)，定位城市配電網(wǎng)供電中的異常溫升點(diǎn)，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的并網(wǎng)環(huán)流控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電模式在運(yùn)行中的柔性切換。

將切換過(guò)程中的配電網(wǎng)運(yùn)行電能損耗作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比柔性切換方法前后切換供電模式時(shí)對(duì)應(yīng)電網(wǎng)的運(yùn)行損耗，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 柔性切換方法應(yīng)用前后的配電網(wǎng)運(yùn)行損耗對(duì)比結(jié)果

從圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，應(yīng)用本文方法后，配電網(wǎng)運(yùn)行切換時(shí)，電能損耗量顯著降低。在對(duì)應(yīng)的供電模式切換點(diǎn)，未應(yīng)用本文方法的供電模式切換存在瞬時(shí)電能損耗量驟升的現(xiàn)象，而應(yīng)用本文方法的供電模式切換不存在電能損耗量驟升的現(xiàn)象，即電能損耗量仍維持在一個(gè)相對(duì)較低的水平。因此，在完成上述設(shè)計(jì)后，得到如下所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的柔性切換方法在實(shí)際應(yīng)用中的效果良好，可以有效降低供電模式切換中的電能損耗，降低供電服務(wù)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，旨在為用戶(hù)提供更加良好的供電服務(wù)保障。

5 結(jié) 論

近幾年，隨著礦物能源的快速消耗，社會(huì)環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，開(kāi)發(fā)新能源系統(tǒng)是一種有效解決能源危機(jī)、環(huán)境污染的手段，因此如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模新能源供電模式在城市居民生活日常用電中的接入是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。為落實(shí)此項(xiàng)工作，本文從含分布式新能源的城市配電網(wǎng)運(yùn)行無(wú)功補(bǔ)償、定位城市配電網(wǎng)供電中的異常溫升點(diǎn)、基于并網(wǎng)環(huán)流控制的供電模式柔性切換3個(gè)方面開(kāi)展了配電網(wǎng)供電模式柔性切換方法的設(shè)計(jì)。該方法在經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)后證明了可以起到降低配電網(wǎng)運(yùn)行損耗的綜合效果，實(shí)現(xiàn)為城市供電服務(wù)單位的市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。