黃仁樂,程林,李洪濤(.國網北京市電力公司,北京市0003; .電力系統(tǒng)國家重點實驗室(清華大學電機系),北京市00084)
交直流混合主動配電網關鍵技術研究
黃仁樂1,程林2,李洪濤1
(1.國網北京市電力公司,北京市100031; 2.電力系統(tǒng)國家重點實驗室(清華大學電機系),北京市100084)
配電網擔負著電能的配送任務,傳統(tǒng)配電網的電能傳送是單向的,隨著分布式電源大量接入,配電網的電能可能出現雙向流動。由于分布式電源具有隨機性和間歇性的特點,增加了配電網運行控制的難度。為了滿足大規(guī)模分布式電源接入的要求,在北京延慶建設交直流混合主動配電網,提高配電網的能源配送和優(yōu)化能力,支持高滲透率分布式能源的充分消納,降低系統(tǒng)損耗,提高設備利用率,實現高可靠高質量供電,延緩增容建設投資。
主動配電網;多源協同;分布式電源;能源互聯網;交直流混合智能配電網
國際大電網會議(CIGRE)C6.11項目組于2008年提出了主動配電網的概念,清晰地表明主動配電網具有網絡拓撲結構靈活、潮流可控的特征,便于對分布式電源進行主動控制和主動管理,得到了廣泛的重視[1]。主動配電網的核心價值體現在對配電系統(tǒng)的主動管理,即通過系統(tǒng)內多種可控資源與分布式電源的協調控制實現可再生能源的高滲透率,提高已有資產的利用率[2]。
主動配電網是未來智能配電網的一種發(fā)展模式,世界各國正積極開展相關技術的研究。歐盟已經在丹麥、西班牙以及英國等地深入開展了主動配電網技術研究及示范工程建設,最具影響力的是ADINE示范工程。項目在實際環(huán)境中實時模擬了接入大量分布式電源的主動配電管理并進行了聯合試驗。試驗演示了主動配電網管理系統(tǒng)是如何與含大規(guī)模分布式電源的主動配電網進行交互,從而解決主動配電網中的保護、電壓控制、電能質量、故障穿越和孤島運行等一系列問題[3]。日本東京已經實現了高級配電自動化系統(tǒng),近期公布在豐田、橫濱、北九州、關西等城市開展智能社區(qū)示范工程建設。日本政府十分希望可再生能源能夠在日本的能源結構中發(fā)揮重要作用。日本在新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構(NEDO)的資助下,分別在Aichi、Kyoto、Hachinohe、Kyotango、Shimizu和Sendai等地建立了多項多能源示范工程。以上理論分析和工程實例證實主動配電網有著以下優(yōu)點:滿足高滲透率分布式能源接入需求;能源區(qū)域優(yōu)化配置、高效利用;實現廣泛互聯、高度智能、開放互動;直流電源與負荷即插即用,高效靈活直流用電;多源大數據平臺支撐運行控制與決策支持,支撐商業(yè)模式和運營模式研究。
為了實現高滲透率分布式能源的充分消納,提高配電網能源配送和優(yōu)化能力,國家電網公司啟動了智能電網創(chuàng)新示范區(qū)建設,瞄準未來10年配電網發(fā)展方向,著重推動清潔能源、分布式電源的開發(fā)應用,突出社會廣泛的參與,突出前沿技術的融合,實現能源的互聯與服務的互動,示范城市“能源互聯網”。作為國家綠色能源示范縣、北京市唯一的綠色能源示范區(qū)、北京市新能源與可再生能源示范縣,延慶縣采用“高端研發(fā)制造+科技示范應用”的聯動模式發(fā)展可再生能源產業(yè)和工程,已初步形成風電、太陽能熱利用、光伏及光熱發(fā)電、生物質發(fā)電、智能電網等產業(yè)集聚。八達嶺經濟開發(fā)區(qū)位于延慶縣康莊鎮(zhèn),被命名為北京市新能源產業(yè)基地。園區(qū)已建成多個新能源項目,同時多個新能源發(fā)電項目已列入規(guī)劃。在延慶縣建設智能電網創(chuàng)新示范區(qū),擁有良好資源基礎。
國網北京市電力公司在延慶利用柔直技術升級改造現有配電網,建設拓撲靈活、潮流可控的多源協同主動配電網,示范建設區(qū)域能源互聯網,支持分布式能源的靈活接入和充分消納,實現與智能微電網的協同互動,提升能量傳輸網絡的優(yōu)化配置能力,提高用戶的電能質量和供電可靠性,提高配網設備利用率。
圖1 配電網功能定位示意Fig.1 Example of function of power distribution networks
圖2 延慶地區(qū)主動配電網建設目標示意Fig.2 Example of target of active distributionnetworks in Yanqing
為了加強對配電網中分布式電源、微網、柔性負荷的調控能力,結合延慶地區(qū)電網的現實狀況,國網北京市電力公司提出了多源協同的主動配電網的建設目標:從能源傳輸和配送層面建設可觀可控的主動配電網,實現高滲透率分布式能源的充分消納,提高配電網能源配送和優(yōu)化能力,降低系統(tǒng)損耗,提高設備利用率,延緩增容建設投資,實現能源的高效利用和高品質高可靠供電。配電網的功能定位如圖1。
1.1 未來配電網的基本特征
未來配電網是廣泛互聯、高度智能、開放互動的“能源互聯網”的主要載體,可以實現在廣域范圍內能源生產、傳輸、配送、轉換、消耗的優(yōu)化。相對現有配電網,未來配電網除了承擔電能的配送任務之外,還需要實現區(qū)域內能源的交換和分配,并滿足分布式電源接入及消納的需求。圖2為延慶地區(qū)主動配電網建設目標。
總體上,未來配電網具有以下主要特征:
(1)廣泛互聯。未來配電網實現交流配電網、直流配電網及交直流混合配電網互聯,實現集中式或分布式能源生產、消耗、轉換和存儲等單元互聯,以電力-信息互聯實現信息在能源網中的充分流通和共享,構成形態(tài)多樣、互為支撐、堅強靈活的配電網。
(2)高度智能。未來配電網基于多源信息融合實現高可信度態(tài)勢感知;通過集中調度和分散自優(yōu)化的協同控制,實現電網運行優(yōu)化控制和新能源接入自適應;對設備和網絡風險進行預防控制,通過靈活的網絡重構實現故障自愈,保障可靠供電。
(3)開放互動。通過電網信息分層分級管理及公共信息的透明公開,實現信息共享,使全社會能夠廣泛參與能源調配和電網運行,提供用戶參與互動的多種途徑和方式,滿足用戶多樣化的電力需求,提高用戶參與度與體驗感,實現能源優(yōu)化利用和多方共贏。
1.2 提高配電網的可觀性
傳統(tǒng)配電網中由于缺少足夠的量測手段,導致配電系統(tǒng)的可觀性較差,通常需要通過虛擬量測(pseudo-measurements)解決可觀性的問題。由于這些虛擬量測使用的數據一般是從歷史數據庫或是其他估算的負荷曲線中獲取的,較大的誤差使得配電網絡狀態(tài)估計和趨勢預測比較困難[5]。
在延慶地區(qū)建設的主動配電網可以通過對分布式能源、用戶重要設備、電網信息等多元數據進行采集,通過大數據分析的手段,預測用戶用能行為,辨識分布式能源特性和網絡參數,實現狀態(tài)估計及趨勢預測,感知配電網的發(fā)展態(tài)勢,從而提高主動配電網的可觀性。
1.3 提高配電網的可控性
多源協同的主動配電網通過應用和接入柔直環(huán)網裝置、分布式電源、柔性負荷、電動汽車[6]以及智能微電網群等,為配電網提供了豐富的可控手段,提高主動配電網的可控制性。通過調控,實現拓撲靈活、網絡潮流優(yōu)化、動態(tài)無功電壓調節(jié)和功率波動的平抑。
1.4 提高配電網電能配送和優(yōu)化配置能力
主動配電網通過全局優(yōu)化區(qū)域自治的方式,對能量分層分級平衡,可實現分層區(qū)域內橫向功率調配,從而提高配電網電能配送和優(yōu)化配置能力,達到多能源綜合優(yōu)化利用、平抑新能源功率波動的目的。
項目中提高主動配電網可觀性和可控性的智能配電終端單元(intelligent distribution terminal unit,IDU)技術和柔直環(huán)網裝置閉環(huán)運行技術是國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)課題研究重點。
主動配電網項目選址在延慶八達嶺經濟開發(fā)區(qū)建設,開發(fā)區(qū)已建成豐富的多種分布式電源資源,建設有智能微電網群及多個可調控的柔性負荷。八達嶺經濟開發(fā)區(qū)配電網已經初步具備未來配電網形態(tài),主要體現在高滲透率分布式電源接入,要求配電網進行區(qū)域配送,具備智能微電網與柔性負荷等多種可調控手段,通過升級改造配電網,增加配電網可觀可控性,提高配電網的能源優(yōu)化配置和協同優(yōu)化能力,實現主動配電網的建設。
主動配電網項目利用柔性直流等技術,對開發(fā)區(qū)現有配電網進行升級改造,建設10 kV交直流混聯開閉站,構建主動配電網網架,將周邊智能微電網群、光熱電站和園區(qū)光伏接入主動配電網,利用柔直環(huán)網裝置,將本供電區(qū)間中心開閉站的3段母線連接,一方面實現3段母線間的潮流流動和負載均衡,提高配電網能量傳輸能力,提高分布式電源和負載的就地互補比率,提高設備利用率;還可以提供動態(tài)電壓無功調節(jié)能力,在遇到設備過載或故障檢修時,能夠經濟、安全地實現負荷轉移,大幅減少轉移過程的短時供電中斷,提高供電可靠性和供電質量。為實現主動配電網的可觀可控,對配電網二次系統(tǒng)進行升級。配置可對分布式能源、用戶重要設備、網絡等進行信息采集智能配電單元,預測用戶用電行為、感知功率特性,辨識網絡參數,從而實現配電網的運行態(tài)勢深度感知和調控。
依據主動配電網建設目標,該項目共分為6個方面內容:
(1)系統(tǒng)規(guī)劃與配電網改造。1)應用主動配電網規(guī)劃原則進行系統(tǒng)規(guī)劃;2)通過配電網升級改造,實現分布式電源和智能微電網靈活接入,滿足主動配電網優(yōu)化調控要求。
(2)交直流混聯開閉站建設。1)建設1座10 kV、30 MVA、3段母線、30回出線的交直流混聯開閉站;2)利用柔直環(huán)網裝置連接3段母線,實現母線間負荷均衡和潮流流動;3)以10 kV交直流混聯開閉站為中心,構建配電網網架,實現供電分區(qū)內潮流優(yōu)化、負載均衡,提高配送能力和設備利用率,實現高可靠性、高質量供電。
(3)智能微電網群接入。1)在開發(fā)區(qū)新能源谷建設5 MW級智能微電網群,包含29個子微網,建有光伏、風電、儲能、電動汽車等多種元素;2)微電網作為多能源綜合利用的自治系統(tǒng),可以進行內部調節(jié),滿足與主動配電網接口的交換功率要求;3)通過互動,實現能量相互支援,合作共贏。
(4)光熱發(fā)電接入。實現對中國科學院新能源試驗基地光熱發(fā)電、光伏、風電、直流微電網的接入,通過主動配電網的綜合優(yōu)化,實現對新能源發(fā)電的消納。
(5)屋頂光伏發(fā)電接入。1)分布式屋頂光伏通過10/0.4 kV就近接入到主動配電網;2)通過斷路器、保護、測控、計量、通信高度集成的并網箱實現分布式光伏“即插即用”接入;3)主動配電網通過對分布式電源、柔性負荷、智能微電網進行主動控制以及全局優(yōu)化和區(qū)域調配,實現分布式光伏發(fā)電的充分消納。
(6)多元數據采集建設。通過配置智能配電終端單元進行數據采集,增強主動配電網的可觀測性,為能源管理與公共服務中心大數據平臺提供多元數據采集。
隨著分布式能源資源大量接入傳統(tǒng)配電網,電網的安全性,可靠性,經濟性都亟待提高。但是就現在已有的基礎設施和應用技術而言,傳統(tǒng)的潮流單向傳輸模式導致了配電網的發(fā)展程度遠遠落后與輸電網[7-8]。配電網的發(fā)展面臨著能源需求、安全保障和電能質量等諸多要求,為了提升配電網的科技應用和管理水平,很多新的技術被提出了[9]。
在本次多源協同主動配電網建設工作中,也應用到了許多關鍵支撐技術,主要分為組網技術、單元級綜合感知技術、運行控制技術、保護技術和儲能技術。
4.1 組網技術
4.1.1 柔性組網技術
柔性組網使用柔性直流裝置等電力電子技術,在適當的區(qū)域選擇合適的電網連接方式及設備結構型式,并采用負載均衡、潮流調整等控制技術,使交流、直流、交直流混合等多種網絡結構發(fā)揮各自優(yōu)勢,互聯共存,提升分布式能源接納能力、提高可靠性和供電能力,支撐未來配電網的廣泛互聯。
4.1.2 能量路由器
能量路由器是未來配電網能量和信息廣泛互聯的主要節(jié)點設備,通過柔性變壓、雙向潮流控制、有功無功解耦控制、電能質量治理、電壓支撐、不間斷供電等多種柔性控制技術,為電網提供靈活調節(jié)能力。并結合感知元件和信息交互,采用自檢測、自診斷、自保護等技術,提升設備安全和互動能力。
4.1.3 即插即用的標準接口
標準接口是實現未來配電網開放互動的基礎設備,數據和電力均通過接口相互開放和共享。接口通過信息-物理相融合,包括標準化模型、實時感知、入網控制和可擴展的信息服務等技術,管理本地與配網間的數據和電力雙向流動,同時具有自描述能力,能夠被配電網自動識別,并在線自動納入管理。
4.2 單元級綜合感知技術
4.2.1 智能傳感器網絡技術
智能傳感器網絡作為未來配電網感知末梢,可感知物理、化學、生物、精確時標和空間坐標等信息,轉化為可以利用的電氣量、設備狀態(tài)量、環(huán)境數據等;通過自組網通信構成靈活可靠、廣泛互聯的傳感器網絡,全面地提供配電網運行狀態(tài)原始數據。智能傳感器具備微型化、低功耗、高集成的特征,傳感器自身可實現感知量誤差補償、環(huán)境自適應參數配置、遠程控制、多傳感器數據本地融合及分析等智能化功能。
4.2.2 智能配電終端單元技術
智能配電終端單元一方面通過同步量測技術獲取配電設備電氣信息,另一方面匯集和上傳智能傳感器網絡量測信息。智能終端通過對內外部多源信息融合和處理,自動甄別不良數據,辨識電源和負荷特性,監(jiān)測設備健康狀態(tài)和預判設備故障風險。在配電設備層面對分布式電源出力、電動汽車的充放電需求、用戶用電需求等進行精細預測,協調需求側響應能力、潮流控制手段和供電質量控制措施,配合實現全局和本地協同優(yōu)化運行控制。
4.3 運行控制技術
4.3.1 網絡拓撲靈活控制技術
在安全約束條件下,考慮經濟性以及設備利用率,靈活地對網絡拓撲結構進行重構;基于態(tài)勢感知,在多路電源切換時實現無電壓暫降和短時中斷的安全合環(huán)控制;以提高供電可靠性為目標,在故障和緊急狀態(tài)下進行自愈拓撲控制。
4.3.2 柔性潮流控制技術
基于柔性直流控制技術,在正常運行時,以經濟優(yōu)質為目標,在故障和緊急狀態(tài)下,以安全可靠為目標,對潮流大小和方向進行柔性控制。
4.3.3 電壓暫降治理技術
針對電壓敏感的重要用戶和分布式電源,通過基于快速開關的快速切換技術,解決電壓暫降和短時供電中斷對分布式電源和敏感負荷的影響。
4.3.4 新能源接入電壓控制技術
新能源接入增大了配電網電壓調節(jié)難度。配合本地和全局協調的新能源接入電壓控制,一方面通過對接入點所有無功電壓控制環(huán)節(jié)和控制能力進行實時跟蹤和實時預測,向系統(tǒng)預報本匯入點無功需求和無功可調節(jié)量,由系統(tǒng)進行全局優(yōu)化;另一方面根據系統(tǒng)指定的電壓控制值,通過線路調壓器和移相器等進行本地各無功電壓控制環(huán)節(jié)的聯合控制,保證接入點新能源接入的電壓安全。
4.3.5 三相不平衡治理技術
單相接入的新能源發(fā)電和電動汽車充電負荷具有隨機性、轉移性以及大功率的特點,加劇了配電網的三相不平衡。根據三相負荷不平衡情況,三相并網分布式電源按不平衡補償接入,單相并網分布式發(fā)電采用分相自適應接入,對配電網的三相不平衡進行治理。
4.3.6 可再生能源高滲透區(qū)域諧波治理技術
為了適應大量間歇波動性可再生能源、電力電子裝置、不平衡和非線性負載接入,未來配電網需解決這些單元之間引起的諧波超標和諧振問題。利用可再生能源并網變流器、有源濾波器等電力電子裝置吸收諧波,并為系統(tǒng)提供一定的阻尼抑制諧振,保證配電網的安全穩(wěn)定運行和高質量供電。
4.4 保護技術
隨著分布式電源大量接入,柔性直流技術、即插即用的能量路由器等技術的廣泛應用,電網結構、形態(tài)和功能發(fā)生了新的變化,需要綜合多項技術來實現對新型主動配電網的保護。
4.4.1 交直流混合配電網保護技術
隨著未來電網朝著開放接入、靈活可控的方向發(fā)展,直流配電網絡必然成為配電網中不可缺少的一部分。針對低壓直流配電網,通過直流斷路器,實現故障快速隔離。針對交直流混合配電網,利用多端故障信息和差動保護原理,通過交流側斷路器,實現故障可靠隔離;基于行波故障信息和全網絡精確對時技術,實現直流線路的快速精確定位。
4.4.2 自適應保護
未來配電網由于分布式電源的大量接入,系統(tǒng)運行方式靈活、潮流多變,保護如何適應是關鍵。基于本地量測的電壓電流,實時獲取系統(tǒng)的運行方式,在線調整保護定值,實現保護對系統(tǒng)運行方式的自適應;基于微機保護的可記憶特性,利用線性網絡特點,實現保護對潮流變化的自適應;基于電力電子設備的控制特征和實時量測信息,實現交直流混合配電網保護配置的自適應。
4.4.3 網絡保護
由于未來配電網拓撲結構復雜多變,設備之間的后備保護配合困難,影響整個系統(tǒng)的安全,網絡保護將成為未來配電網后備保護的重要選擇?;诟咚倏煽客ㄐ偶夹g和精確時間同步技術,網絡保護利用配電網全局信息,既可保護單個設備,也能保護整個配電網?;陔娏鞑顒釉淼?,網絡保護可實現免整定和即插即用設備的保護;通過保護分區(qū)和動作配合,實現快速故障隔離和精確故障區(qū)段識別。
4.5 儲能技術
不同儲能形式在規(guī)模、功率密度、能量密度、轉換效率、速率、壽命、成本、可用性、技術成熟上各有優(yōu)缺,針對規(guī)?;瘍δ芟到y(tǒng),將不同的儲能介質結合使用,通過對不同儲能方式配比優(yōu)化設計和功率協調控制,發(fā)揮各自優(yōu)勢,實現混合儲能系統(tǒng)的高效、經濟和可靠運行。分布式的電力儲存,目前多為鋰電池。電池成組的一致性、長期運行的均衡性等存在諸多問題。通過新型的電池成組技術、儲能系統(tǒng)的可用容量與功率的動態(tài)評估技術、多優(yōu)化目標下儲能系統(tǒng)的充放電技術,實現系統(tǒng)的優(yōu)化高效運行。
通過在對車輛用能的分析和用戶行為規(guī)律信息開放及交互基礎上,實現電動汽車即插即用及移動儲能系統(tǒng)狀態(tài)的自主評估與分析,通過車輛集群及自主智能控制,實現與新能源發(fā)電之間的相互協同增效,平抑可再生功率波動,提高新能源發(fā)電消納和存儲能力,并提高配電系統(tǒng)能量利用的整體效率;利用其移動儲能更有自由的時空特性,提供緊急救援。
北京延慶智能電網創(chuàng)新示范區(qū)建設的交直流混合主動配電網,支持分布式能源的靈活接入和充分消納,平抑分布式新能源波動對配電網的影響,提高用戶的電能質量和供電可靠性,提升能量傳輸網絡的優(yōu)化配置能力,示范建設區(qū)域能源互聯網,實現區(qū)域多種能源優(yōu)化協調控制,提高配網設備利用率。交直流混合主動配電網的建設,對未來配電網發(fā)展模式進行了探索,將對配電網發(fā)展產生深遠的影響。
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(編輯:蔣毅恒)
Research on Key Technology of AC/DC Hybrid Active Distribution Network
HUANG Renle1,CHENG Lin2,LI Hongtao1
(1.State Grid Beijing Electric Power Company,Beijing 100031,China; 2.State Key Lab of Power Systems,Department of Electric Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)
Traditional distribution networks undertake the function of distributing energy and providing electricity consumption,therefore the flowtransferringis unilateral.The increasing amount of distributed generation(DG)in today's highly complex restructured power networks change itto bidirectionalflow.Due to the randomness and intermittence of DG,flow fluctuates wildly in a degree,which makes the distribution infrastructure cannot work in economical and efficientways.For the better energy transferring ability of DG,provide high-quality power,Beijing Power Grid build the controllable and observable active distribution(ADN)in energy transferring and distribution operator system field,for the entire energy consumption of high-permeability DG,achieve the aim of efficient energy use and high-quality and high-reliability power supply.
active distribution networks;multi-source;distribution generation;energy internet;AC/DC hybrid smart grid
TM 72
A
1000-7229(2015)01-0046-06
10.3969/j.issn.1000-7229.2015.01.007
2014-11-12
2014-12-09
黃仁樂(1963),男,碩士,教授級高級工程師,長期從事電力系統(tǒng)自動化和電網技術的研究和管理工作;
程林(1973),男,博士,副教授,博士生導師,主要從事電力系統(tǒng)可靠性、主動配電網與電力系統(tǒng)規(guī)劃方向的研究工作;
李洪濤(1975),男,碩士,高級工程師,國家電網公司專業(yè)領軍人才,主要從事配電網設備和運維技術研究工作。
國家高技術研究發(fā)展計劃項目(863計劃) (2014AA051901);國家電網公司科技項目(J2014012)。