含高滲透率新能源的新型交直流儲能系統的配電網規劃

張旭，李陽，劉曉，韓捷，李俊林，林勸立，張桂凱，彭偉梁

(1.廣東電網廣州供電局有限公司，廣州510620; 2.廣東電網有限責任公司電網規劃研究中心，廣州510062)

0 引言

2021年3月，中國提出要構建以新能源為主體的新型電力系統，彰顯了我國堅定不移走綠色發展道路的雄心和決心，也為我國能源電力行業高質量發展指明了方向、提供了根本遵循。實現雙碳目標，能源是主戰場，電力是主力軍。建設以新能源為主體的新型電力系統，是推動電力清潔低碳發展的必然選擇。儲能是實現“雙碳”目標的重要支撐技術之一，儲能產業的發展與成熟對于加快構建以新能源為主的電力系統具有重要意義[1 - 3]。面對新能源波動性、隨機性和間歇性等特性，新型電力系統電力平衡愈加困難，系統調節資源需求進一步加大，且新能源大規模并網后系統呈現高度電力電子化特征，新型電力系統在持續可靠供電、電網安全穩定等方面面臨重大挑戰，實現清潔能源靈活接入和充分消納，提高能源穩定供應保障需求日益增加[4 - 6]。推動能源領域結構性改革，可進一步發揮現代化電網核心平臺作用，支撐和推動電源側、用戶側綠色低碳發展，推動源荷儲靈活互動、協調發展，在配電網技術領域，開展高滲透率新能源的配電網規劃優化，實現“源網荷儲”協調發展成為未來新型電力系統的重要研究方向[7 - 9]。

目前，針對以新能源為主體的新型電力系統，如何實現“源網荷儲”協調發展探索交直流儲能研究，已取得一定成果[10 - 15]。文獻[10]構建了基于柔性直流技術的城市配電網，建立了核心的直流運行控制、故障保護和設備研制技術體系，建設成功投運了三端柔性直流配網工程，具有很前沿的示范意義。文獻[11]對儲能規劃技術、裝備研發及商業模式等方面進行了介紹，重點對容量配置和選點布局、協調控制及運營模式進行了評述。文獻[12]充分考慮電熱氣耦合系統框架下節能降損需求，將儲電，儲熱。儲冷設備和需求側靈活性負荷視為系統廣義儲能資源，提出一種能源系統優化運行模型。文獻[13]針對交直流混合配電系統中的供電經濟性問題，設計了采用交直流混合供電的典型配電網結構，但缺乏對交直流配電網的應用場景進行深入分析。文獻[14]研究了建筑直流配電系統的控制架構和直流配電能量管理系統在智能建筑中的應用，提出了直流配電系統和能源管理系統融合模式，實現設備間相互控制和節能的作用。文獻[15]分析了園區多能互補系統不同能源需求的影響因素，采用縱橫交叉優化深度網絡進行園區冷熱電負荷預測，為后續協調開展“源網荷儲”規劃布局提供了基礎條件。

綜合以上的理論研究成果，積極有效地推進了儲能系統和直流配電網技術的發展，為進一步推廣示范儲能技術在新型交直流系統中應用，解決構建以新能源為主體的新型電力系統中，新能源呈現出隨機性、波動性問題，提高清潔能源消納率。本文首先對新型儲能的特性，在改善城市電網供電可靠性的優勢進行了分析，對儲能模塊交直流配電網應用場景、技術和經濟優勢進行了分析；提出了新型交直流儲能系統技術方案，可支持多元化發展，提供靈活多樣的能源有序接入服務，以儲能模塊的新型交直流配電網物理構架為基礎，實現分布式能源和電動汽車靈活接入，可滿足數據中心等交直流用戶需求，提供高質量高可靠的供能，實現能源梯級利用，有效提升園區電壓質量，保障清潔能源充分消納，減少線路損耗和用電成本；最后通過某地區新型交直流儲能系統示范項目實際案例，從經濟和社會效益等方面表明了本方案的可行性。

1 儲能特性及應用場景分析

1.1 新型交直流儲能系統應用場景

儲能是智能電網、可再生能源高占比能源系統、“互聯網+”智慧能源的重要組成部分和關鍵支撐技術，將在綠色交通的發展、電力體制改革、能源的變革中發揮不可或缺的作用。對于城市電網，儲能可以有效地實現需求側管理、減小晝夜峰谷差、平滑負荷，可以提高電力設備的運行效率、降低供電成本，還可以作為促進可再生能源消納、提高電網運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動的一種手段，是將城市電網打造成世界一流的綠色電網不可或缺的關鍵設備。

新型交直流儲能系統是一種新型配電網絡，在技術實用化初級階段主要運用于軌道交通、飛機艦船、數據中心等專業領域系統；現階段主要用于直流配電工程示范系統中；展望未來，隨著技術創新不斷進步發展，可在城市和民用供電系統廣泛推廣使用中，可提升交流系統運行可靠性指標，改善不同饋線和母線之間的功率不平衡帶來的各類問題，可用于遠距離中壓交流線路的低電壓治理改造，和線路傳輸容量的提升，以及集中式、離岸分布式電源接入等。新型交直流儲能系統多場景應用及展望如圖1所示。

圖1 新型交直流儲能系統多場景應用及展望Fig.1 Multi-scenario application and prospect of new AC/DC energy storage system

1.2 儲能交直流系統技術優勢

隨著直流用電設備的普及，負荷側電動汽車、電子設備等直流負荷日益增長，交流電網存在電壓波動、電網諧波、三相不平衡等電能質量問題，在輸配電過程中存在無功功率損耗，需要配置無功補償設備，增加投資費用。相比于直流電，交流電存儲更加困難和復雜，存在成本太高等問題[16]。

新型交直流儲能的配電網系統兼容交直流供電,以儲能設備為基本單元模塊，提高系統響應速度；同時分布式新能源屬于直流設備，可直接接入直流配電網省去大量逆變型電力電子設備；不需要接入交流系統后再次逆變，可以減小系統復雜度，有利于系統的穩定性。電力電子變壓器和直流斷路器的發明也提升了變換效率和可靠性，為基于儲能模塊的新型交直流混合配電網奠定發展基礎。新型交直流儲能系統可靠性提升示意圖如圖2所示。

圖2 新型交直流儲能系統可靠性提升示意圖Fig.2 Schematic diagram of reliability improvement of new AC/DC energy storage system

2 新型交直流儲能系統構架模型

新型交直流儲能配電網系統，基于大數據平臺管理實現多種能源優勢互補，支持全生命周期、全方位覆蓋，支持多元化發展，提供靈活多樣的能源有序接入服務，以儲能模塊的新型交直流配電網物理構架為基礎，實現分布式能源和電動汽車靈活接入，可滿足數據中心等交直流用戶需求，提供高質量高可靠的供能，實現能源梯級利用，改善用能環境和質量，提高能源利用效率。

2.1 新型交直流儲能系統物理架構層

建立新型交直流配電網能源互聯網系統，以儲能模塊為基礎單元，實現風、光、儲靈活有序接入，充分開發分布式能源資源，提升綜合能源利用效率，在負荷高峰期間可直接將地熱能和余熱轉換為冷能，有效降低空調負荷，節能減排。采用光纖通信及5G通信傳輸技術，具備實時性、雙向性、靈活性的通信傳輸特性。新型交直流儲能系統物理架構層是保障地區能源高效運行的基礎，開展多種能源高效轉化和優化調度的具體實施平臺。新型交直流儲能系統物理架構層如圖3所示。

圖3 新型交直流儲能系統物理架構層Fig.3 Physical architecture layer of new AC/DC energy storage system

2.2 需求側響應管理層

充分發揮新型交直流儲能的配電網系統靈活有序的接入優勢，構建“開放共享、雙向通信、智能調控”的“網-端”接口，針對不同的用戶，在商業區、居民區、工業園區，打破傳統拉閘限電的被動式管理模式，在智能家居、智能樓宇、智能小區實現具有自主管理、靈活需求側響應的智慧能源管理終端[17 - 19]。基于大數據和信息管理信息系統，賦予用戶智能化信息元素，使得能源系統具有更高的可控性和柔性。充分發揮價格調節機制、用戶節能診斷、用能服務管理、信息系統管理等需求側響應機制，滿足用戶多元化定制需求，衍生能源增值服務。面向能源終端用戶提供定制化的用能大數據信息服務，對用能行為進行實時感知與動態分析，實現遠程化、趣味化的智能用能控制等服務。需求側響應管理層如圖4所示。

圖4 需求側響應管理層Fig.4 Demand side response management

3 規劃流程及數學模型

3.1 規劃流程

根據上述思路，考慮高滲透率新能源的新型交直流儲能系統的配電網規劃策略流程如圖5所示。

圖5 規劃策略流程圖Fig.5 Flow chart of planning strategy

對示范區電網現狀和高滲透率新能源資源條件進行分析，通過區域特點進行新型交直流儲能系統初步劃分，開展園區電力負荷和能源需求預測；其次，結合園區交直流設備和資源稟賦，充分考慮交直流電器、電動汽車、儲能設備等開展應用場景模塊化定制，結合電網規劃潮流約束、可靠性約束等條件，制定園區規劃方案，對重要用戶制定高可靠性用電方案；最后，開展規劃園區協同規劃方案經濟和社會效益評估，輸出新型交直流儲能系統的配電網規劃方案。

3.2 數學模型目標函數

建立能源互聯網多能互補信息系統，實現分布式能源靈活接入和能源高效利用，通過采用儲能模塊交直流配電網技術方案，有效提升園區電壓質量，保障清潔能源充分消納需求，提高供電可靠性，減少線路損耗和用電成本。根據資源稟賦特征，數學模型目標函數為園區能源資源建設和運行成本綜合最優，決策因素主要為初始建設投資和運維投資。數學模型函數表示式如式(1)所示。

F=FGird+FEV+FES+Fchp

(1)

式中FGird、FEV、FES、Fchp分別為交直流電網、充電設施、儲能設施、分布式能源系統的投資維護成本，具體計算如式(2)所示。

(2)

3.3 約束條件

園區電網系統除滿足傳統電網電壓和電流以及有功和無功功率約束外，還應滿足交直流電網平衡約束要求。約束條件為：

Pci+Pcdci+Plossi=0

(3)

式中：Pci為換流站注入交流側的有功功率；Pcdci為換流站注入直流側有功功率；Plossi為換流站的有功損耗。假設直流電網中有ndc個直流節點；Gdci為節點i和j之間的直流線路電導；Idci為第i個直流節點電流；Udci為第i個直流節點電壓；Udcj為第j個直流節點電壓，則第i個直流節點直流電網注入功率模型如式(4)所示。

(4)

4 新型交直流儲能系統協調發展技術構架

4.1 協調發展規劃目標

根據規劃園區資源稟賦和特性，為滿足示范園區高滲透率新能源消納，提高能源利用效率，考慮能源互聯網微網系統運行特性和能量流動方向，充分考慮地區能源耦合互補優勢，智能集成多能互補信息系統，實現能源互補和梯級利用，有效降低峰谷差；采用新型交直流儲能的配電網系統技術方案，可更高效地接納直流負荷，可有效保障新能源充分消納和靈活接入，提高重要用戶供電區域供電可靠性，降低線路損耗和用電成本，減少新增發電裝機容量和變電站用地需求，實現節能減排，能源高效利用的目標。

4.2 新型交直流儲能系統技術構架

新型交直流儲能系統技術構架如圖6所示。

圖6 新型交直流儲能系統技術構架Fig.6 Technical framework of new AC/DC energy storage system

基于高可靠性的直流配電網，采用儲能模塊新型混合配電系統，包括新能源接入、交直流混聯配電系統、儲能電動汽車配電系統，采用10 kV/±0.4 kV兩級主回路拓撲結構，搭建電能雙向流動設備和分布式能源接入處理技術，適用于用戶端分布式能源、電動汽車、電力電子設備的時間隨機性和空間波動性特點。有效解決分布式電源接入電網造成電壓波動，并能有效抑制能源雙向流動造成的穩定性問題，相比常規交流電網可靠性更高，支持多用戶主體參與能源管理，提升能源運營效率和服務[20 - 21]。

5 算例分析

5.1 示范區發展概況

根據示范區氣候特性，正常氣候下每年采暖期為11月初至2月底，供冷期為5月初至11月底。示范區以高新技術產業、醫療制造、數據中心、金融產業、教育科研為主，規劃總面積為36 km2，經地質初步勘探，具備良好風能、光能、地熱能等開發條件，新能源資源條件較好，新區屬于開發起步階段，當前開發強度不高，新能源電動汽車、直流數據中心直流用電需求較大，能源耦合高效利用前景廣闊。根據負荷預測結果，遠期供熱負荷需求約300 MW,供冷需求約95 MW。

5.2 高滲透率新能源系統協調規劃方案

5.2.1 高滲透率新能源綜合開發利用

根據地區新能源開發和建設運營經濟和技術成本，優先采用地熱能供冷供熱，電制冷作為地熱能和燃氣鍋爐的補充，滿足剩余供冷供熱需求。在夜間用低谷電進行儲能，白天氣溫高時釋放冷能，配置一定比例的新型儲能設備，從而提高能源的利用效率[22 - 25]。適用于酒店、賓館、醫院等集中供冷和集中供熱的公共建筑。根據園區自身需求和能源特性，初步采用33.6 MW的淺層地熱能供熱方案配置，總供冷比例的11.3%；淺層地熱能供冷裝機容量為35.61 MW，占總供冷比例的37.9%。

5.2.2 分布式能源系統配置

園區各類制冷機組特性如表1所示。根據園區用戶用能需求和分布式能源機組特性，其中煙氣型溴化鋰制冷機組制冷能效比較高，污染小、節能效率高、可進行余熱利用，具備一定供能調節能力，能效比高，使用廣泛，同時配置一定比例的儲能設備，提高能源效率，在負荷高峰期進行放能，在負荷低谷期進行儲能，實現能源優勢互補和調節能力。初步推薦配置電制冷和水蓄冷機組共53.42 MW，占整個園區供能約56.8%。各類型制冷機組性能參數對比如表1所示。

表1 各類制冷機組特性Tab.1 Characteristics of refrigerating units

5.2.3 新型交直流儲能系統技術方案

含儲能模塊的交直流混合配電網適合高密度直流源負荷接入的情況，實現新型配用電系統的多維狀態監控；建立高可靠性、可自愈直流配用電系統的保護；結合區域智能電網建設需求，開展新型交直流儲能的配電網系統靈活供電技術，支持分布式能源充分消納，支持儲能設備和新能源電動汽車即插即用。滿足地區可再生能源時空高度隨機和離散、空調負荷比重大，制冷季節長等特點。新型交直流儲能系統技術方案如表2所示。

表2 新型交直流儲能系統技術方案Tab.2 Technical scheme of new AC/DC energy storage system

新型交直流儲能系統框架圖如圖7所示。

圖7 新型交直流儲能系統框架圖Fig.7 Frame diagram of new AC/DC energy storage system

根據園區發展需求，可配置中壓交流用戶接入點4個，總接入配置容量為20 MW；中壓直流電網接入點1個，總配置容量為15 MW；低壓交流電壓分布式配置容量10 MW，按平均每戶5 kW/戶測算，若按線路約75%的負載率測算，可接入低電壓用戶約1 500戶；10 kV儲能容量配置2 MWh，根據實際需要配置1～2臺儲能設備；直流電動汽車充電樁20～30個，可滿足分布式清潔能源充分消納靈活接入。

5.2.4 高供電可靠性效益分析

新型交直流儲能配電網系統可用于交流系統柔性互聯，提升交流系統運行可靠性指標，改善不同饋線和母線之間的功率不平衡帶來的各類問題。在電網側，深入挖掘信息系統數據，分析可轉供電率、環網率指標與實際轉供電的對應關系，提高實際轉供電率，重點推進環網線路卡脖子、環網點設置不合理等制約提升合環轉供電水平的項目；在用戶側，采用新型直流配電網技術方案，基于信息化大數據技術，支持分布式能源消納，通過配置若干個靈活可靠的儲能設備作為后備電源，提高供電可靠性。在規劃區核心區域，重要用戶年戶均停電時間小于0.5 min，供電可靠性可達到國際一流水平。

5.2.5 經濟和社會效益分析

園區供能技術方案如表3所示。

表3 園區供能技術方案 Tab.3 Technical scheme of regional energy supply

根據規劃，園區各類用戶總制熱和制冷面積區域約28.67×104m2，其中供熱總負荷約11.52 MW，供冷總負荷約16.15 MW，燃氣機組制冷量約8 MW，因此電制冷和水蓄能供冷能力需求為8.15 MW。本項目可配置2臺2.85 MW大溫差離行式機組，通過提高進出水溫度差約6 ℃，可以大大降低水泵的流量和揚程，進而達到降低水泵功率和系統整體能耗的目標，同時配置一座地上3 500 m3的儲能設備，進行夜間利用低谷電進行蓄冷，在夏季高峰負荷時期進行供冷，可滿足約25%的供冷負荷需求，減少了總裝機容量又降低了日常運行費用。根據各能源類型投資綜合成本分析，結合地熱供熱方案綜合成本最優，成本約為采用常規燃氣鍋爐的70%～80%。

在經濟效益方面，根據初步測算，其中商務服務中心年節約電費238萬元、體育中心年節約電費38萬元、園區中心醫院年節約電費121萬元。按照20 a運行成本周期測算，本文方案相比傳統方案整體費用節省約4 740萬元，方案對比詳見表4。在社會效益方面，采用清潔能源及地熱供能相比傳統火力發電，顆粒固體排放物幾乎為零，二氧化碳排放減少約40%，減少建設一座110 kV變電站用地需求，采用直流配電網降低了線路損耗，供電可靠性得到了大幅提升，降低了企業和用戶投資用能成本，有效提高了園區能源互聯網利用效率。

表4 經濟測算對比分析 Tab.4 Comparative analysis of economic calculation萬元

6 結語

本文首先介紹了新型儲能的技術特性，在改善城市電網供電可靠性的優勢進行了分析，對儲能模塊交直流配電網應用場景、技術和經濟優勢進行了分析；并建立了能源互聯網儲能交直流多能互補信息系統，實現分布式能源靈活接入和能源高效利用；通過采用新型交直流儲能系統配電網技術方案，有效提升了園區電壓質量，保障清潔能源充分消納需求，提高供電可靠性，減少線路損耗和用電成本；最后通過某地區新型交直流儲能系統示范項目實際案例，從經濟和社會效益等方面，表明了本方案的可行性。

為實現碳達峰、碳中和目標，保障能源供應安全，推動能源互聯網產業多元化和規模化發展，建設以新能源為主體的新型電力系統提供了參考和經驗。

本次研究未考慮儲能技術革命，儲能成本大幅下降，大規模儲能設施集中充放電對電網規劃和運行的影響，值得后續深入研究。