福建基于柔直互聯(lián)的饋線型微網(wǎng)工程應(yīng)用

林力輝 陳海龍 黃華生

(1.福建泉州供電公司，福建 泉州 362000;2.福建南安市供電公司，福建 泉州 362300)

1 概述

由于高比例分布式電源的接入，區(qū)域變電站負(fù)荷曲線呈現(xiàn)“反轉(zhuǎn)”，各層級(jí)潮流無序穿越。以某變電站為例，在節(jié)假日，10kV光伏出力會(huì)倒送至110kV電網(wǎng)，最大情況下會(huì)倒送14.9MW，達(dá)到主變壓器容量的18.6%。

由于分布式電源抗擾動(dòng)能力低、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不足，易發(fā)生集中脫網(wǎng)，給電網(wǎng)帶來安全穩(wěn)定壓力。大面積分布式電源接入后會(huì)帶來配電網(wǎng)過/低電壓、電壓暫降、三相不平衡問題，當(dāng)出力大于饋線負(fù)荷時(shí)，未被消納的發(fā)電將倒送至母線或上級(jí)電網(wǎng)，導(dǎo)致并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓抬升過多，甚至高于始端電壓，同時(shí)損耗增大，系統(tǒng)嚴(yán)重故障時(shí)中壓系統(tǒng)分布式光伏可能大面積脫網(wǎng)[1-2]。

為應(yīng)對(duì)分布式電源對(duì)現(xiàn)有配電網(wǎng)的形態(tài)和穩(wěn)定運(yùn)行的挑戰(zhàn)，供電部門2021年提出建設(shè)3個(gè)示范性工程，列為新型電力系統(tǒng)，其中包括基于柔直互聯(lián)的饋線型微電網(wǎng)示范項(xiàng)目。

2 建設(shè)方案

該示范項(xiàng)目采用兩端口柔性直流技術(shù)互聯(lián)，加上蓄電池組，構(gòu)建“分層分級(jí)、峰谷協(xié)調(diào)、就地消納”的交直混合配電網(wǎng)模型，并最終實(shí)現(xiàn)饋線型微電網(wǎng)“自平衡、自調(diào)節(jié)、自管理”的功能[1,3-4]。

①柔性直流互聯(lián)系統(tǒng)兩端口分別通過交流電纜、分界開關(guān)(K1、K2)與10kV配電線路主干線連接。設(shè)備相當(dāng)并接到饋線組的聯(lián)絡(luò)開關(guān)N47兩端。

②柔直互聯(lián)設(shè)備內(nèi)置于預(yù)制艙。含2臺(tái)3MW柔性互聯(lián)變流器、2臺(tái)隔離變壓器、戶外預(yù)制艙(含照明、散熱、消防等設(shè)備)、兩側(cè)中壓開關(guān)柜及相關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)備等。柔直互聯(lián)設(shè)備形成“交-直-交”混合配電網(wǎng)接線，詳見圖1。

圖1 柔直系統(tǒng)接線示意圖

③建設(shè)1座1MW/1MWh儲(chǔ)能預(yù)制艙。儲(chǔ)能電池通過DC/DC變換接入柔直系統(tǒng)的直流側(cè)。儲(chǔ)能預(yù)制艙內(nèi)含1MWh液冷磷酸鐵鋰電池、能量管理系統(tǒng)、匯流柜、控制柜、水冷機(jī)組15kW、消防系統(tǒng)(七氟丙烷+惰性氣體)、UPS柜、DC/DC變換柜、直流配電單元等。

④兩條配電線路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化改造中，涉及所有分段開關(guān)、分界開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜等。開關(guān)設(shè)備改造為一二次融合成套設(shè)備。

⑤柔直艙內(nèi)配置微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)?？刂茖优渲梦㈦娋W(wǎng)協(xié)調(diào)控制器1臺(tái)、縱向加密認(rèn)證裝置2臺(tái)，微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器實(shí)現(xiàn)功率自平衡控制、消峰填谷控制、電壓自調(diào)節(jié)控制、并離網(wǎng)切換控制等自動(dòng)化邊緣計(jì)算和監(jiān)測(cè)功能。

⑥與DMS配電主站實(shí)現(xiàn)配微協(xié)同優(yōu)化控制，實(shí)時(shí)在線展現(xiàn)微電網(wǎng)的運(yùn)行、控制和監(jiān)控，包括新增微電網(wǎng)優(yōu)化控制調(diào)度輔助決策模塊、柔性直流系統(tǒng)管理模塊，饋線自動(dòng)化功能輔助故障研判和輔助調(diào)度決策、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)分析等。

⑦實(shí)現(xiàn)光伏電站群調(diào)群控能力。在10kV光伏電站群調(diào)群控子站增加虛擬同步機(jī)功能，在380V光伏電站增加群調(diào)群控子站。

⑧光伏電站與微電網(wǎng)控制系統(tǒng)，以及微電網(wǎng)控制系統(tǒng)與DMS的通信配置應(yīng)用5G接入技術(shù)。

⑨采用集裝箱式儲(chǔ)能電站模式，即柔直互聯(lián)系統(tǒng)1和柔直互聯(lián)系統(tǒng)2集中布置于標(biāo)準(zhǔn)尺寸集裝箱內(nèi)，由供應(yīng)商負(fù)責(zé)出廠前調(diào)試后整體運(yùn)輸?shù)巾?xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)由施工安裝單位進(jìn)行外部電纜連接與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)后投入運(yùn)行。

⑩《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB51048-2014)，項(xiàng)目各構(gòu)、建筑物和設(shè)備的火災(zāi)危險(xiǎn)分類及其最低耐火等級(jí)相關(guān)規(guī)定，鋰離子電池室火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為戊級(jí)，耐火等級(jí)為二級(jí)，屋外布置時(shí)鋰離子電池設(shè)備火災(zāi)危險(xiǎn)性分類同樣為戊級(jí)，耐火等級(jí)為二級(jí)。

項(xiàng)目實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行溫度，一旦出現(xiàn)溫度異常，將上報(bào)調(diào)度系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)自動(dòng)停止運(yùn)行；設(shè)備和電池箱體、柜體及線纜等設(shè)備的材質(zhì)選用阻燃材料；箱內(nèi)壁選用防火等級(jí)為A級(jí)的金屬巖棉夾芯板，厚度50mm，耐火極限不小于1h；箱內(nèi)設(shè)置手動(dòng)自動(dòng)一體化氣體滅火系統(tǒng)，滅火介質(zhì)采用七氟丙烷(HFC-227ea)；電池集裝箱整個(gè)系統(tǒng)采取消防聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，當(dāng)消防控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)、通風(fēng)散熱等系統(tǒng)都會(huì)停止運(yùn)行，以確保消防滅火系統(tǒng)能夠正常滅火。

2 技術(shù)亮點(diǎn)

①柔直系統(tǒng)模塊化可擴(kuò)展?；谌嶂被ヂ?lián)的饋線型微電網(wǎng)建設(shè)理念，也可由三聯(lián)絡(luò)線路組成饋線組，最大限度地實(shí)現(xiàn)共享儲(chǔ)能。

②微電網(wǎng)運(yùn)行方式豐富。在保留原來交流系統(tǒng)運(yùn)行方式基礎(chǔ)上，增加了雙端直流并列、單側(cè)直流運(yùn)行等運(yùn)行方式，構(gòu)建出多種形態(tài)的微電網(wǎng)，滿足高比例分布式電源接入。項(xiàng)目對(duì)饋線的全場(chǎng)景供電需求和配電網(wǎng)柔性控制的要求具有較高的示范意義。雙端直流系統(tǒng)投入的運(yùn)行方式可實(shí)現(xiàn)光伏跨區(qū)消納、負(fù)載轉(zhuǎn)供、儲(chǔ)能共享和調(diào)相機(jī)運(yùn)行4種運(yùn)行方式；單端柔直系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)調(diào)相機(jī)運(yùn)行和光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行模式。

③多條饋線之間通過柔直互聯(lián)實(shí)現(xiàn)不同電源點(diǎn)饋線之間互聯(lián)互備與可靠供電，實(shí)現(xiàn)分布式光伏在饋線組高效消納、互聯(lián)線路間功率平衡等功能。

④交直流混合配電網(wǎng)接入雛形。依托儲(chǔ)能資源，將柔直系統(tǒng)建設(shè)為饋線型微電網(wǎng)的能源匯集站、能源供給站；儲(chǔ)能系統(tǒng)從柔直直流側(cè)接入，滿足儲(chǔ)能資源在饋線組的容量共享，提升分布式光伏在饋線組高效消納能力[5-6]。

⑤柔直、儲(chǔ)能系統(tǒng)采用分布式可移動(dòng)集裝箱部署，采用模塊化拼接方式建設(shè)，滿足基礎(chǔ)設(shè)施靈活部署要求。

⑥按照“分層分級(jí)、協(xié)調(diào)控制”原則建設(shè)微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的能量?jī)?yōu)化管理、經(jīng)濟(jì)調(diào)度及智慧運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)饋線型微電網(wǎng)“自平衡、自調(diào)節(jié)、自管理”。

3 實(shí)施成效

①饋線型微電網(wǎng)系統(tǒng)采用“分層分級(jí)、協(xié)調(diào)控制”的原則進(jìn)行控制，建設(shè)成就地控制層—微網(wǎng)控制層—配微協(xié)同控制層的三層架構(gòu)(圖2)。

②在配微協(xié)同控制層DMS系統(tǒng)建設(shè)微電網(wǎng)監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控以及微電網(wǎng)和配電網(wǎng)之間的協(xié)同優(yōu)化控制。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

③在微網(wǎng)控制層配置微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器，接入智能融合終端、儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)、光伏監(jiān)控系統(tǒng)等終端設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)控制總量在微電網(wǎng)層級(jí)的快速分解，以及對(duì)各源、荷端的協(xié)同控制。

其中需要功率平衡策略調(diào)節(jié)，功率加載則以兩條線路負(fù)載平衡、光伏消納為目標(biāo)。某典型日，從白蓮線流向垢坑線1MW，白蓮線負(fù)荷從1MW升高至2.27MW，垢坑線負(fù)荷從3.11MW下降至1.83MW；若不進(jìn)行柔直加載，白蓮線最大負(fù)荷2.364MW，反送母線-1.11MW，峰谷差為3.48MW；垢坑線最大負(fù)荷3.85MW，峰谷差2.67MW;柔直加載后白蓮線最大負(fù)荷3.38MW，峰谷差為2.81MW；垢坑線最大負(fù)荷2.84MW，峰谷差2.39MW；能就地消納光伏發(fā)電，未反送母線(圖3)。

圖3 投運(yùn)前的典型日典線(光伏反送3MW)

④對(duì)試點(diǎn)饋線的分布式光伏進(jìn)行群調(diào)群控改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式光伏的“全采集、全感知、全控制”。

群調(diào)群控功能通過5G切片網(wǎng)絡(luò)通道與微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)分層分級(jí)控制。將解決大面積分布式光伏接入后帶來的配電網(wǎng)過/低電壓、系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不足、系統(tǒng)嚴(yán)重故障時(shí)分布式光伏可能大面積脫網(wǎng)等問題。

按調(diào)度、微電網(wǎng)系統(tǒng)、用戶設(shè)置三級(jí)控制策略，充分挖掘光伏逆變器可控資源，增加虛擬同步機(jī)功能。通過對(duì)逆變器調(diào)節(jié)模擬同步發(fā)電機(jī)的電氣模型、下垂調(diào)頻、調(diào)壓特性，使逆變器并網(wǎng)外部特性上與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)相似，增加微電網(wǎng)系統(tǒng)阻尼和慣性，參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻，提升源端自治能力，緩解系統(tǒng)嚴(yán)重故障時(shí)中壓系統(tǒng)分布式光伏大面積脫網(wǎng)問題。充分挖掘光伏PCS可控資源，提升源端無功電壓調(diào)節(jié)能力，解決大面積光伏接入帶來的配電網(wǎng)過/低電壓?jiǎn)栴}。實(shí)現(xiàn)光伏電站開停機(jī)過程中的有功變化率的控制，使光伏電站在并網(wǎng)及正常停機(jī)的過程中，10分鐘功率最大變化量不得超過裝機(jī)容量，1分鐘功率變化不得超過裝機(jī)容量/5[7]。

⑤對(duì)試點(diǎn)饋線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化全覆蓋改造，提升一二次設(shè)備自動(dòng)化水平；完善一二次融合開關(guān)配置，使光伏分界開關(guān)具備反孤島保護(hù)功能。項(xiàng)目其中10kV白蓮線供電半徑3.53km，2021年最大負(fù)載率40.1%，主干線以架空線路為主，10kV垢坑線供電半徑4.01km，2021年最大負(fù)載率62.01%，主干線以架空線路為主，白蓮線與垢坑線為單聯(lián)絡(luò)接線，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已形成標(biāo)準(zhǔn)接線形式。10kV白蓮線柱上開關(guān)共9臺(tái)，其中1臺(tái)為一二次融合自動(dòng)化開關(guān)；環(huán)網(wǎng)柜1座，為非一二次融合成套設(shè)備。10kV垢坑線安裝柱上開關(guān)共15臺(tái)，其中11臺(tái)為一二次融合開關(guān)，兩回線路按以下標(biāo)準(zhǔn)饋線自動(dòng)化原則全覆蓋改造。

線路分段開關(guān)采用一二次融合成套柱上斷路器，具有相間短路、接地故障自動(dòng)判別處理和“三遙”及遠(yuǎn)方投退保護(hù)、重合閘及定值修改等功能，滿足加密認(rèn)證等安全防護(hù)要求，接入配電自動(dòng)化主站，實(shí)現(xiàn)故障定位、快速隔離、恢復(fù)及轉(zhuǎn)電。

線路用戶分界開關(guān)采用一二次融合成套柱上斷路器(用戶分界型)，具有用戶側(cè)相間短路、接地故障自動(dòng)判別處理和“三遙”及遠(yuǎn)方投退保護(hù)、重合閘及定值修改等功能，滿足加密認(rèn)證等安全防護(hù)要求，接入配電自動(dòng)化主站，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)故障定位、快速隔離。裝設(shè)在外部電源(及分布式電源)接入點(diǎn)處時(shí)，保護(hù)應(yīng)具有過壓、高頻低頻等功能。光伏分界開關(guān)具備反孤島保護(hù)功能。微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)應(yīng)具備聯(lián)切用戶功能。同時(shí)，根據(jù)低頻減載切荷方案部署，賦予線路上用戶分界點(diǎn)低頻切負(fù)荷功能。

環(huán)網(wǎng)柜采用一二次融合成套設(shè)備或保測(cè)一體化設(shè)備，進(jìn)、出線均裝設(shè)帶保護(hù)的斷路器。在滿足配網(wǎng)保護(hù)級(jí)數(shù)不多于三級(jí)的前提下，按照線路長(zhǎng)度及負(fù)荷分布相對(duì)均衡的原則，在主干線路上選擇1～2個(gè)斷路器作為保護(hù)分段點(diǎn)。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

本方案項(xiàng)目建設(shè)靜態(tài)投資1679萬元，壽命周期25年。其主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析如下：

①根據(jù)《省級(jí)電網(wǎng)輸配電價(jià)定價(jià)辦法》(發(fā)展價(jià)格規(guī)〔2020〕101號(hào))要求，電網(wǎng)工程準(zhǔn)許收益率為5%，本項(xiàng)目基準(zhǔn)財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率確定為5%[6]。

②固定資產(chǎn)折舊采用分類平均年限法計(jì)算。20年折舊，殘值5%。

③運(yùn)維成本按34萬元/年考慮。

④年收益測(cè)算182.7萬元。其中減少光伏倒送損耗收益0.7981萬元；減少電量損失收益2萬元；減少停電引起的搶修成本19.5萬元；減少停電引起的社會(huì)效益18.48萬元；解決過電壓?jiǎn)栴}帶來的效益84.3萬元；減碳排放效益52.8912萬元；減少配網(wǎng)改造和建設(shè)的收益4.75萬元。

⑤靜態(tài)投資回收期(稅后)13.67年，項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率(稅后)為5.38%。

5 新型電力系統(tǒng)下的規(guī)劃思路

“雙碳”背景下，供電公司在新型電力系統(tǒng)建設(shè)過程中不斷提出示范，理清重點(diǎn)思路和方向，履行電網(wǎng)的責(zé)任和態(tài)度[3]。

在電源側(cè)，在繼續(xù)支持提升清潔能源占比的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)提升網(wǎng)架的消納能力。

在電網(wǎng)側(cè)，繼續(xù)加強(qiáng)配電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)，同時(shí)加大電網(wǎng)智能化建設(shè)，提高群調(diào)群控能力。主干配電網(wǎng)架安全保障能力進(jìn)一步提升，對(duì)間歇性新能源和靈活性、多元化負(fù)荷適應(yīng)能力進(jìn)一步加強(qiáng)，通過構(gòu)建基于柔直系統(tǒng)功率平衡基本解決電網(wǎng)設(shè)備輕重載問題。研究高比例分布式光伏并網(wǎng)條件。應(yīng)用柔性直流互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)架改造。新型電力系統(tǒng)根據(jù)各互聯(lián)饋線負(fù)荷及光伏出力柔性調(diào)整功率，降低因分布式光伏引起的反送風(fēng)險(xiǎn)[8]。

在負(fù)荷側(cè)，一方面積極配合政府推進(jìn)電能替代，另一方面建立需求側(cè)響應(yīng)庫(kù)，完善需求側(cè)響應(yīng)策略；

在儲(chǔ)能側(cè)，配合化學(xué)儲(chǔ)能站、抽水蓄能電站建設(shè)等事項(xiàng)，開展儲(chǔ)能技術(shù)研究。

研究源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)資源深度互動(dòng)，交/直流、配/微網(wǎng)融合的配電新形態(tài)全面形成，滿足各類源荷主體靈活、便捷、高效接入電網(wǎng)[8]。

6 結(jié)束語

隨著大規(guī)模分布式光伏、可調(diào)節(jié)負(fù)荷的接入，配電網(wǎng)從接受并分配電能、潮流單向流動(dòng)的形態(tài)，逐漸演化為多向潮流，從交流系統(tǒng)逐漸演化為交直流柔性互聯(lián)系統(tǒng)。由于缺乏“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”海量資源的監(jiān)控和統(tǒng)籌優(yōu)化控制技術(shù)，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)已無法適應(yīng)新形態(tài)配電網(wǎng)運(yùn)行控制和分布式光伏消納的需要，亟需推進(jìn)配—微網(wǎng)協(xié)同、源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化協(xié)調(diào)控制等新技術(shù)的試點(diǎn)建設(shè)和應(yīng)用推廣。本文從一個(gè)基于柔直的饋線型微網(wǎng)示范項(xiàng)目出發(fā)，討論其建設(shè)概要、技術(shù)亮點(diǎn)、實(shí)施成效，并作經(jīng)濟(jì)分析，對(duì)新型電力系統(tǒng)規(guī)劃提出展望思路，旨在為相關(guān)單位提供參考。