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.國網(wǎng)鄭州供電公司，河南 鄭州 450000；2.國網(wǎng)河南能源互聯(lián)網(wǎng)電力設(shè)計院有限公司，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、較低的線路損耗、靈活的控制模式等技術(shù)優(yōu)勢，可以有效改善電力系統(tǒng)的可靠性和可控性，為風(fēng)電、光伏儲能等直流電源的大規(guī)模分布式并網(wǎng)提供“友好”接口?，F(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)勢和發(fā)展空間。電力與國民經(jīng)濟、民生密切相關(guān)，電力供應(yīng)的安全問題更是關(guān)系到國家的安全和國民經(jīng)濟的發(fā)展。隨著我國環(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足用戶的需求，在初期，配電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展主要是為了滿足用戶基本用電負荷需求，并將其作為一種重要的基礎(chǔ)設(shè)施。為達到用戶高可靠度目標(biāo)，需要將原有配網(wǎng)自動化，改造原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)供配電模式向高質(zhì)量供電服務(wù)方向邁進。

目前，我國的配電網(wǎng)絡(luò)存在著并網(wǎng)與孤島兩種運行方式，通過兩種方式的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了電壓振幅的起伏，并利用合閘的方式對抗沖擊電流，以確保城市配電網(wǎng)絡(luò)運行時的安全、可靠，從而實現(xiàn)供電模式的平穩(wěn)切換。為落實此項工作，本文將在此次研究中設(shè)計一種針對城市配電網(wǎng)供電模式的全新、柔性切換方法，旨在通過此次設(shè)計降低供電過程中的損耗，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)。

1 含分布式新能源的城市配電網(wǎng)運行無功補償

為實現(xiàn)對配電網(wǎng)在運行中供電模式的柔性切換，在設(shè)計方法前，應(yīng)落實含分布式新能源的城市配電網(wǎng)運行無功補償，保證終端配電網(wǎng)運行處于一個相對良好的狀態(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)饋線柔性連接開關(guān)在并網(wǎng)時，即配電網(wǎng)存在單側(cè)或雙側(cè)并網(wǎng)時，可以將由蓄電池、光伏以及直流負載構(gòu)成的饋線柔性連接終端作為一個供電服務(wù)終端，為降低終端電能訪問對系統(tǒng)無功均衡的影響，需要DC系統(tǒng)本身能夠在一定的功率因素范圍內(nèi)工作。

為滿足此方面需求，將無功控制方法引入到城市配電網(wǎng)運行補償中，利用雙向換流器，使用虛擬同步發(fā)電機主動控制電網(wǎng)的輸電節(jié)點，實現(xiàn)針對電網(wǎng)本身的無功控制。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置電網(wǎng)無功功率因數(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]。此過程中需要注意的是，無功功率補償存在上限值，只有不超過其上限值的補償，才能在電網(wǎng)中發(fā)揮預(yù)期的效能。最大補償值的計算為

式中：Qmax為配電網(wǎng)運行最大無功補償值；SN為發(fā)電機運行額定功率；P為DC變換器功率因數(shù)。

在配電網(wǎng)饋線柔性連接系統(tǒng)中，如果電網(wǎng)的無功補償超出了其最大補償能力，則必須在電網(wǎng)中增設(shè)無功補償裝置繼續(xù)補償。通過此種方式，實現(xiàn)含分布式新能源的城市配電網(wǎng)運行無功補償。

2 定位城市配電網(wǎng)供電中的異常溫升點

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

式中：d為供電過程中信號發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離；R為異常發(fā)射點的接收值；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，異常溫升點為o，需要隨機選擇3個非同一平面內(nèi)的錨點作為參照點，建立o-ABC定位網(wǎng)，其中A、B、C表示3個非同一平面內(nèi)的錨點（參照點）。連接A、B、C錨點電源，定位異常溫升點的計算公式為

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

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固定點，并根據(jù)不同的溫度變化點建立不同溫度異常點的實際距離和測距的關(guān)系，得出不同溫度異常點的位置。

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)中隨機兩個輸電節(jié)點電壓的幅值與相位呈現(xiàn)一致狀態(tài)時，切換供電開關(guān)不會對電網(wǎng)運行造成負載，也不會產(chǎn)生額外的沖擊電流[5]。因此，可以通過對并網(wǎng)環(huán)流的控制，當(dāng)兩點環(huán)流電壓處于無限接近的狀態(tài)時，切換城市配電網(wǎng)的供電模式，降低負載對配電網(wǎng)安全運行的影響，從而有效控制電網(wǎng)損耗。其中并網(wǎng)環(huán)流的計算公式為

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

計算過程中，如果I=I01+I02，則可以認為在此種狀態(tài)下存在節(jié)點與輸電中心距離相同的現(xiàn)象，但大部分切換行為不滿足或不符合上述條件。此時，可以輔助使用逆變器，控制輸電節(jié)點的電壓，將I01點作為參照，控制I02的電壓產(chǎn)生突變。在調(diào)節(jié)電壓過程中，根據(jù)調(diào)節(jié)器在運行中的飽和狀態(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)滿足上述條件后，驅(qū)動配電網(wǎng)運行模式開關(guān)，即可滿足對供電模式的柔性切換需求。按照上述方式，實現(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。

4 實例應(yīng)用分析

為實現(xiàn)對設(shè)計方法在實際應(yīng)用中效果的校驗，下述將以某試點城市為例，按照本文設(shè)計的方法，布置針對城市配電網(wǎng)運行的柔性切換，以檢驗或證明提出方法在實際應(yīng)用中的效果。

在對此城市配電網(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責(zé)單位的市場調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，由于相關(guān)技術(shù)部門尚未制定針對此配電網(wǎng)的專項供電服務(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，在與負責(zé)人綜合商議后，決定使用本文設(shè)計的方法，部署此城市配電網(wǎng)在運行中的供能服務(wù)切換方式。

為確保測試結(jié)果的真實性與可靠性，在開展相關(guān)研究前，使用實時數(shù)字仿真實驗平臺（Real Time Labratory，RT-LAB）建立此城市配電網(wǎng)的綜合運行模型。設(shè)計配電網(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)計的方法布置供電模式的柔性切換。此過程中，根據(jù)含分布式新能源的城市配電網(wǎng)運行方式對其無功運行進行補償。同時，定位城市配電網(wǎng)供電中的異常溫升點，通過對電網(wǎng)運行過程中的并網(wǎng)環(huán)流控制，實現(xiàn)對供電模式在運行中的柔性切換。

將切換過程中的配電網(wǎng)運行電能損耗作為評價指標(biāo)，對比柔性切換方法前后切換供電模式時對應(yīng)電網(wǎng)的運行損耗，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)運行損耗對比結(jié)果

從圖1的實驗結(jié)果可以看出，應(yīng)用本文方法后，配電網(wǎng)運行切換時，電能損耗量顯著降低。在對應(yīng)的供電模式切換點，未應(yīng)用本文方法的供電模式切換存在瞬時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相對較低的水平。因此，在完成上述設(shè)計后，得到如下所示的實驗結(jié)論：本文設(shè)計的柔性切換方法在實際應(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)濟損失，旨在為用戶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，社會環(huán)境問題日趨嚴峻，開發(fā)新能源系統(tǒng)是一種有效解決能源危機、環(huán)境污染的手段，因此如何實現(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迫切需要解決的問題。為落實此項工作，本文從含分布式新能源的城市配電網(wǎng)運行無功補償、定位城市配電網(wǎng)供電中的異常溫升點、基于并網(wǎng)環(huán)流控制的供電模式柔性切換3個方面開展了配電網(wǎng)供電模式柔性切換方法的設(shè)計。該方法在經(jīng)過實踐檢驗后證明了可以起到降低配電網(wǎng)運行損耗的綜合效果，實現(xiàn)為城市供電服務(wù)單位的市場運營創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益。