儲能技術(shù)與柔性直流技術(shù)在農(nóng)村配電臺區(qū)相互協(xié)同的應(yīng)用研究

秦 雷，敖 剛，楊 捷，黃 杰，王 柬，董 偉

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司安寧供電局，云南 昆明 650300）

0 前言

配電臺區(qū)作為電力系統(tǒng)末端供電環(huán)節(jié)，數(shù)量龐大，電力電量和負(fù)荷特性將對整個電力系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響。目前，很多配電臺區(qū)采用單線、單變供電方式，不僅可靠性較低，且不同臺區(qū)間供電缺乏聯(lián)絡(luò)，無法做好統(tǒng)一管理。尤其是在農(nóng)村地區(qū)，隨著美麗鄉(xiāng)村建設(shè)進(jìn)程的不斷深入，在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過程中，用戶側(cè)大量分布式電源接入，傳統(tǒng)單電源供電方式無法滿足用戶用電需求，農(nóng)村電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行面臨著新能源分散接入和就地消納等問題帶來的壓力，對居民正常生產(chǎn)生活產(chǎn)生直接影響的低壓配電臺區(qū)供電電能質(zhì)量和可靠性對臺區(qū)的供電穩(wěn)定性提出了更高的要求。同時，相同區(qū)域中由于不同負(fù)荷存在嚴(yán)重差異性，經(jīng)常產(chǎn)生季節(jié)性負(fù)荷波動問題，小微企業(yè)負(fù)荷接入臺區(qū)，導(dǎo)致部分臺區(qū)負(fù)載率呈現(xiàn)逐年遞增的形式[1]。

1 柔性直流技術(shù)、儲能技術(shù)在農(nóng)村配電臺區(qū)的作用

1.1 支撐高滲透分布式電源消納

近年來，隨著分布式電源裝機(jī)的不斷增加，局部區(qū)域裝機(jī)規(guī)模高于配網(wǎng)最高負(fù)荷，高滲透率分布式電源和低壓臺區(qū)相互結(jié)合，給傳統(tǒng)配網(wǎng)各方面帶來嚴(yán)重影響，如電能質(zhì)量、規(guī)劃、可靠性等方面，雙向流動中的不確定因素給配電網(wǎng)日常管理工作提出更高要求。而利用交直流混合配電網(wǎng)和直流型分布式電源相互連接，能省略AC/DC 環(huán)流環(huán)節(jié)，直接控制電壓環(huán)節(jié)，能進(jìn)一步提高系統(tǒng)安全性。同時，采用不同臺區(qū)間的柔性互聯(lián)，配置適量的容量儲能裝置，能統(tǒng)一控制不同臺區(qū)內(nèi)能源、儲備、荷載等，實(shí)時控制系統(tǒng)運(yùn)行情況，有效提高配網(wǎng)資源利用率，有效降低配網(wǎng)運(yùn)行成本。

1.2 電力能源轉(zhuǎn)型，提升用戶電力獲得感

近年來，清潔能源發(fā)展步伐加快，為落實(shí)“雙碳”目標(biāo)，電力是能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵領(lǐng)域，農(nóng)村電網(wǎng)作為電網(wǎng)的組成部分，在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過程中，農(nóng)村電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行面臨著新能源分散接入和就地消納等問題帶來的壓力，通過電力能源終端結(jié)構(gòu)的改變，將清潔能源運(yùn)用到各產(chǎn)業(yè)鏈中，不斷發(fā)展、新增清潔能源運(yùn)用比例，從而降低了碳排放量。但值得注意的是，隨著電力系統(tǒng)不斷完善，雖然使配網(wǎng)末端臺變負(fù)載得到了有效改善，但臨時負(fù)荷、分布式能源等不可控負(fù)荷的接入使配網(wǎng)臺變負(fù)載率變得不均衡，從而影響到整個電網(wǎng)電壓質(zhì)量。而通過柔性直流-儲能技術(shù)能完美解決上述問題，進(jìn)一步拓展電能優(yōu)化范圍，充分發(fā)揮電能自身作用。

1.3 滿足新基建建設(shè)要求

目前，在推動新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，支持智慧能源建設(shè)是投資重點(diǎn)和眾多舉措之一。其中，新能源汽車超快充、大功率電動汽車充電設(shè)施是智慧能源基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022 年我國充電基礎(chǔ)設(shè)施年增長數(shù)量達(dá)到260 萬臺左右，累計(jì)數(shù)量達(dá)到520 萬臺左右，同比增長近100%。其中，私人充電基礎(chǔ)設(shè)施增長超過190 萬臺，累計(jì)數(shù)量超過340 萬臺。現(xiàn)在，有很多電動汽車采用移動式負(fù)荷接入方式，導(dǎo)致出現(xiàn)各種無序充電行為，進(jìn)一步提高配變重過載率，增加了配變安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。為解決大規(guī)模充電站接入問題，要建立充儲和光儲充一體化電站，但由于受到區(qū)域工程施工條件限制，無法將光伏、儲能充電站集中在相同臺區(qū)，只能設(shè)置大量光、儲、快充電站，但因這些充電站間缺乏統(tǒng)一控制，導(dǎo)致不同臺區(qū)間的負(fù)載平衡性嚴(yán)重不足。而將柔性直流-儲能技術(shù)應(yīng)用到臺區(qū)管理中，建立臺區(qū)柔性直流互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，配置集中（分布式）儲能裝置，能將對方的剩余容量進(jìn)行共享，加強(qiáng)供電安全，解決私人樁建設(shè)限制問題，優(yōu)化充電站整體布局，引導(dǎo)用戶有序充電。

1.4 提高供電質(zhì)量的智能電網(wǎng)建設(shè)

配電臺區(qū)用戶受氣候、季節(jié)等條件的影響，用電負(fù)荷分布不合理造成臺區(qū)三相不平衡，即容易造成用戶用電設(shè)備高電壓燒壞或用電設(shè)備低電壓無法使用，容易造成配變重過載，影響配電臺區(qū)配變及用電設(shè)備的安全運(yùn)行，給配電臺區(qū)安全運(yùn)行埋下隱患。同時，配電臺區(qū)有功功率和無功功率分布可以對電壓產(chǎn)生較為顯著的影響，嚴(yán)重時會造成電壓越限，線路損耗增大。為了解決以上問題，可以在低壓臺區(qū)中采用儲能技術(shù)及柔性直流互聯(lián)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)。一是儲能技術(shù)的應(yīng)用，可以提高配電臺區(qū)的穩(wěn)定性、改善臺區(qū)負(fù)荷、電壓特性，減少臺區(qū)變壓器增容或新建，并提供無功支撐、提高電能質(zhì)量；同時，臺區(qū)負(fù)荷端的儲能能夠在電力系統(tǒng)故障時，減少電壓、頻率波動，提供短期電能質(zhì)量、供電可靠性支持。二是柔性直流互聯(lián)技術(shù)應(yīng)用，可以改變臺區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及負(fù)荷分配，減少臺區(qū)損耗，提高臺區(qū)穩(wěn)定、可靠及可用性。實(shí)現(xiàn)臺區(qū)負(fù)荷轉(zhuǎn)供，對有特殊保供電需求的用戶提供電力保障。

2 配電臺區(qū)柔性直流-儲能關(guān)鍵技術(shù)

2.1 柔性直流-儲能系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 換流器接線形式

目前，配臺電區(qū)供電方式以三相四線制為主，在采用柔性互聯(lián)換流器時要注重2 個方面。

三相三線制換流器。能隔離變壓器的輸出浮地，確保相互連接臺區(qū)交流側(cè)的不平衡故障問題，不會給其他交流臺區(qū)穩(wěn)定性帶來嚴(yán)重影響。同時，交流中有諧波和磁場產(chǎn)生的微小電流，干擾大。隔離變可以減少各種雜波。減小干擾，能有效控制高頻諧波，降低電力線路能耗，防止對二次設(shè)備和線路造成信號干擾。

三線四線制換流器。能去掉隔離變壓器，具有效率高、能耗小等特征，設(shè)備整體偏向于小型，有利于進(jìn)行集約化配置。結(jié)合換流器特征，制定健全的控制措施，如諧波抑制、有功傳輸、無功補(bǔ)償?shù)瓤刂品桨福芙鉀Q并網(wǎng)臺區(qū)三相不平衡問題，從而達(dá)到預(yù)期的電能質(zhì)量治理。然而，由于這種換流器缺乏隔離變，零序和負(fù)序的電壓分量會導(dǎo)致?lián)Q流器的輸出功率在電網(wǎng)電壓一旦出現(xiàn)較大幅度波動時呈現(xiàn)出2 倍頻率的波動極易對直流系統(tǒng)的性能產(chǎn)生劇烈沖擊。

單級接線投資量較少，接線方法簡單，但可靠性較差；偽雙級接線的偽雙極直流側(cè)沒有接地線，只有正負(fù)2 根，被廣泛應(yīng)用在直流配電系統(tǒng)；而真雙極系統(tǒng)雖然有可靠性高、運(yùn)行方式靈活、獨(dú)立的正負(fù)極換流器等優(yōu)點(diǎn)，但其占地面積過大，須要投入大量資金，控制保護(hù)措施非常復(fù)雜。由于低壓臺區(qū)本身容量小，等級低，屬于多臺區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)，本身穩(wěn)定性強(qiáng)，所以偽雙級接線方式從各方面考慮，性價比是最高的。在低壓偽雙級接線系統(tǒng)中，通常采用浮地運(yùn)行接地方式，在母線側(cè)設(shè)置絕緣檢測設(shè)備，檢查單點(diǎn)接地故障；在用戶側(cè)設(shè)置剩余電流設(shè)備，主要作用是保護(hù)人身觸電，避免單點(diǎn)接地故障未完全處理，給人身健康帶來威脅，加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性[2]。

2.1.2 柔性直流-儲能構(gòu)架和拓?fù)?/p>

公共直流母線集中部署模式。該種模式通常應(yīng)用在臺區(qū)間距較近、大量分布式電源就地接入及對供電可靠性要求較低的區(qū)域，各臺區(qū)從總電源位置進(jìn)行電壓接入，低壓側(cè)通過AC/DC 換流器和互聯(lián)系統(tǒng)相互連接，且在直流側(cè)預(yù)留接口，能根據(jù)接口實(shí)際要求接入對應(yīng)設(shè)施。同時，在集中建設(shè)模式下，將一、二次設(shè)備設(shè)置在集裝箱中，集裝箱要根據(jù)互聯(lián)臺區(qū)位置和數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化部署位置，降低箱體和臺區(qū)間的交流損耗，降低直流側(cè)故障概率[3]，如圖1 所示。

圖1 柔性互聯(lián)-儲能系統(tǒng)（集中）接線簡圖

分散式直流母線分段調(diào)配方式。分散式直流母線分段部署模式適合應(yīng)用在供電可靠性要求較高、各臺區(qū)距離較遠(yuǎn)的場所，和集中部署模式相比，其采用互聯(lián)單元就地部署，實(shí)現(xiàn)低壓直流超越距離相互聯(lián)通，提高日常傳輸效率，加強(qiáng)控制系統(tǒng)分散部署的可靠性，結(jié)合實(shí)際要求和共直流母線結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。根據(jù)單元間連接方式不同，主要分為環(huán)網(wǎng)和鏈?zhǔn)絻煞N方式，兩者唯一區(qū)別在于環(huán)網(wǎng)型在末端設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)，讓其具備直流線路N-1 運(yùn)行能力，加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，致使其能根據(jù)用戶要求選擇對應(yīng)的運(yùn)行方法。同時，為進(jìn)一步提升系統(tǒng)安全性，可設(shè)置柴發(fā)和儲能作為后備能源，其中柴油發(fā)電機(jī)能利用ATS 接入臺區(qū)和低壓母線相互連接；儲能通過DC/DC 變換器和任何直流母線進(jìn)行接入[4]，如圖2 所示。

圖2 柔性互聯(lián)-儲能系統(tǒng)（分散）接線簡圖

2.2 柔性直流-儲能系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

2.2.1 交流低壓智能斷路器

想要實(shí)現(xiàn)臺區(qū)智能化發(fā)展，就必須將采用智能斷路器替換掉電臺區(qū)中不具有電氣測量、采集功能的開關(guān)。因此，可合理應(yīng)用柔性互聯(lián)系統(tǒng)，充分發(fā)揮其各種功能，如故障功率轉(zhuǎn)換、動態(tài)功率轉(zhuǎn)化、容災(zāi)備份等功能，其中動態(tài)功率互補(bǔ)功能能在原有設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行，而如果想要實(shí)現(xiàn)容災(zāi)備份和故障功率轉(zhuǎn)化功能，應(yīng)研發(fā)新型斷路器充分完成所有電力參數(shù)的準(zhǔn)確記錄、數(shù)據(jù)測量和設(shè)備的遠(yuǎn)程控制等眾多功能，幫助多種電力參數(shù)進(jìn)行測量、整理、診斷和記錄，并將其總結(jié)成日志模式，以達(dá)到保護(hù)電力設(shè)備模塊、模擬報(bào)警、探測脫扣曲線等多種成果，保證其和安全自動裝置、上級電網(wǎng)重合閘時間相互匹配[5]。

2.2.2 AC/DC 換流器

目前AC/DC 主要作用是解決臺區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)中的增容限制問題，通過利用互聯(lián)系統(tǒng)控制交流系統(tǒng)和AC/DC 換流器相互連接，便于提高四象限瞬時的控制效率。從目前配電臺區(qū)運(yùn)行情況來看，仍然有很多地區(qū)配電臺區(qū)應(yīng)用傳統(tǒng)電壓源型換流器，但其因受到技術(shù)條件限制，導(dǎo)致其出現(xiàn)各種問題，如開關(guān)損耗、電容均壓、電磁干擾等問題，給各配電臺區(qū)間互聯(lián)工作帶來嚴(yán)重影響。隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，各種新型技術(shù)出現(xiàn)在人們視線范圍內(nèi)，模塊化多電平換流器憑借自身適用范圍廣、效率高等特征，被廣泛應(yīng)用到直流配用電系統(tǒng)。同時，考慮到臺區(qū)負(fù)荷容易受到地理、環(huán)境等因素影響，要集中配置相關(guān)一、二次設(shè)備和控制保護(hù)系統(tǒng)，促進(jìn)換流器向小型化方向發(fā)展[6]。

2.2.3 DC/DC 換流器

目前，配電臺區(qū)低壓直流母線須要通過DC/DC換流器來完成低壓直流用電負(fù)荷接入。直流負(fù)荷與電壓不匹配的光伏采用單向DC/DC 換流器接入；儲能電池采用雙向DC/DC 換流器接入；雖然在配電臺區(qū)運(yùn)行中可以正常應(yīng)用以雙主動全橋?yàn)榛A(chǔ)結(jié)構(gòu)的直流變壓器，但還存在著內(nèi)部橋臂不對稱運(yùn)行、故障自清等諸多問題，須要深入研究才能完成。同時，對于不同臺區(qū)互聯(lián)工作環(huán)境，要注重處理新基建建設(shè)需求接入問題，DC/DC 變換器作為負(fù)荷中心環(huán)節(jié)，當(dāng)出現(xiàn)電壓過載問題時，能控制供電的穩(wěn)定性，加強(qiáng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；如果想要解決季節(jié)性負(fù)荷波動及臨時用電接入問題，要在原本應(yīng)用的基礎(chǔ)上添加儲能裝置，實(shí)現(xiàn)供需協(xié)調(diào)互動[7]。

2.3 柔性直流-儲能系統(tǒng)運(yùn)行控制

由于在交流系統(tǒng)中使用各種電力電子元件，增加了電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性控制難度系數(shù)。目前，將控制分為主站、算法、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控等環(huán)節(jié)，通過自律協(xié)同邊緣計(jì)算，自主決策實(shí)現(xiàn)了配電臺區(qū)電能交換、電能質(zhì)量綜合治理和三相平衡。并可利用不同端口換流站的容量，通過上述控制措施對VSC 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，達(dá)到優(yōu)化配網(wǎng)工作的目的。而交直流混合系統(tǒng)穩(wěn)定性分析主要針對系統(tǒng)小擾動穩(wěn)定，通過構(gòu)建健全的小信號模型，合理選擇控制數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同單元的功率分配工作，進(jìn)一步優(yōu)化母線電壓的動態(tài)特征，保證換流器在日常工作中的穩(wěn)定性。同時，合理容量的儲能裝置能提高能量優(yōu)化作用。應(yīng)以最小的設(shè)備輸出功能調(diào)整量為目標(biāo)，針對P2G 能量轉(zhuǎn)換中的能量損耗和環(huán)境成本計(jì)算，提出綜合能源系統(tǒng)能量協(xié)調(diào)優(yōu)化措施，建立數(shù)日經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化模型，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，這種模型具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性[8-9]，如圖3 所示。

圖3 柔性互聯(lián)-儲能系統(tǒng)監(jiān)控分布拓?fù)鋱D

3 柔性直流-儲能系統(tǒng)的運(yùn)用

3.1 柔性直流-儲能系統(tǒng)運(yùn)用效果分析

柔性直流-儲能系統(tǒng)通過改變低壓配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而改善低壓配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量、提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，提高電網(wǎng)的效率，以及改善電網(wǎng)的安全性。

柔性直流-儲能系統(tǒng)在配電臺區(qū)的運(yùn)用還可以通過改變電網(wǎng)的控制策略，改變電網(wǎng)的負(fù)荷分配，提高電網(wǎng)的可用性，以及改善電網(wǎng)的可控性。

柔性直流-儲能系統(tǒng)可以緩沖電網(wǎng)的負(fù)荷波動，以改善電網(wǎng)的負(fù)荷特性；緩沖電網(wǎng)的電壓波動，以改善電網(wǎng)的電壓特性；同時可增加電網(wǎng)的現(xiàn)有容量，減少配電設(shè)備的擴(kuò)容或新建，有效提高配電網(wǎng)運(yùn)行能力。

3.2 柔性直流-儲能系統(tǒng)運(yùn)用效益分析

柔性直流-儲能綜合系統(tǒng)的投入使用，對用電負(fù)荷低谷期因風(fēng)力、光伏發(fā)電不能就地消納，而產(chǎn)生的多余電量進(jìn)行儲能，反之在用電負(fù)荷高峰期通過柔性直流-儲能系統(tǒng)和配網(wǎng)對用戶進(jìn)行供電，保持用電平衡，確保了新型電力系統(tǒng)中能源的靈活性，實(shí)現(xiàn)配電臺區(qū)指標(biāo)“兩升兩降”（提升供電質(zhì)量、電網(wǎng)供電能力和電網(wǎng)利潤水平，降低臺區(qū)線損、電網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)和配電網(wǎng)投資）獲得經(jīng)濟(jì)社會效益，一定程度降低碳排放量，提高能源利用效率；同時，避免因配電臺區(qū)計(jì)劃（故障）停電、新能源車無序充電、季節(jié)性（臨時）負(fù)荷接入等問題對臺區(qū)電網(wǎng)的沖擊，出現(xiàn)供電質(zhì)量不合格導(dǎo)致用戶及電網(wǎng)企業(yè)造成損失。

柔性直流-儲能綜合系統(tǒng)的投入使用，不斷提升用戶用電滿意度和獲得感，降低用戶用電成本，減少用戶對電網(wǎng)企業(yè)的投訴率，支撐社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，助力“獲得電力”服務(wù)水平不斷提升優(yōu)化。

4 結(jié)論

綜上所述，從目前農(nóng)村配電臺區(qū)應(yīng)用情況來看，雖然能采用開環(huán)運(yùn)行方法，但不能將堆放的剩余容量相互分享，不然2 個臺區(qū)間的負(fù)載率易出現(xiàn)不均衡問題。針對該種問題，可將儲能技術(shù)與柔性直流技術(shù)相互協(xié)調(diào)應(yīng)用到農(nóng)村配電臺區(qū)中，構(gòu)建配電臺區(qū)柔性直流互聯(lián)-儲能裝置的物聯(lián)架構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)臺區(qū)間相互聯(lián)通，有效解決臺區(qū)的穩(wěn)定性，提高臺區(qū)電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，改善電網(wǎng)的負(fù)荷分配，加強(qiáng)臺區(qū)供電水平，有效優(yōu)化臺區(qū)運(yùn)營問題。