基于柔性配电的智能电网

余龙海，廖育武，王培元

(湖北文理学院物理与电气学院，湖北 襄阳 441053)

基于柔性配电的智能电网

余龙海，廖育武，王培元

(湖北文理学院物理与电气学院，湖北 襄阳 441053)

阐述了一种基于电池蓄能和电能直供的交流柔性配电系统，该系统可以实现电力用户与电网之间的能量交互，可以实现电力用户与电力用户之间的能量交互，方便分布式能源发电和消纳，方便基于电力用户端的微型智能电网组建和运行，该组网理念也可以用于新能源发电集中地区的智能电网和能源互联网的组建。

柔性配电；智能电网；能源互联网；电池蓄能；电能直供

智能电网概念中包涵了坚强智能电网、微型智能电网、光伏发电、风力发电、风光互补、能源互联网等。坚强智能电网、微型智能电网两个发展方向都有巨大的发展，而且在逐步地接纳与融合；风力发电和光伏发电作为可再生的绿色能源，将来会占据电力能源供应的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为中国能源供应的主体，风光发电在能源领域重要的战略地位已凸显。目前对风光发电的发展观点一个是引大西北的风光电力抽华中华东华南的水，进行大容量大跨度的输电和蓄能发电，另一个是屋顶光伏就地消纳的微型分布式能源建设。能源互联网概念可以把二者有机地关联起来。

智能电网建设的核心目标——满足电力需求侧的关心，是在需要的时候随时可以买到电，按合理的价格买到达标的电力，有相对独立的议价能力，可以选择供电方式，其实这也是智能电网建设所需要达到的目标。然而，目前的配电，特别是需求侧的配电结构只简单地记录着电量，简单地缴纳电费和无功罚款。

本文提出了一种适用于现代企业级和园区级建设的多元电力和储能一体化的高效智能微电网建设关键技术，是分布式能源、微型智能电网、电力直供、就地消纳、负荷平移、削峰填谷、跨网支撑等智能电网关键词的核心技术的体现，是发电输电智能电网建设的重大技术步骤，为电力需求侧服务、充分满足电力用户需求的具体技术手段。

1 柔性配电站结构

1.1传统配电的典型结构和特征

传统企业级配电站典型的一次结构如图1所示。

图1 传统配电系统的典型结构图

传统的供用电关系单向流动：电能单向流入用户，资金单向流入电网侧。

即买即用，供需不均衡，保障性投资过高，造成能源效率和资产利用率低下。

1.2柔性配电站系统

从配电着手，解决单点接入配电方式与建设智能电网的矛盾，提出柔性配电系统技术思想。理想中的智能电网，也应该是柔性配电站系统。这样的系统包容分布式发电、分散型资源或用户的小型电站；配有适当容量和规模的电蓄能，以解决分布式发电、就地消纳、用电与网侧均衡等问题；方便为第三方供电或向第三方购电的接口；方便分布式柔性配电站互联互通，形成网络化结构。

图2给出了一种柔性配电站系统的一次回路原理，系统的主回路部分为公共电网通过高压开关柜接配电变压器输入侧、变压器输出侧通过配出低压开关柜接低压配母线；在这样一个配电站，比传统配电站新增了蓄能，新增了新能源发电的接入端口，和向第三方授电或受电的端口。蓄能接口和备用电源接口均可以实现能量双向流动，皆为四象限工作且有功和无功均可调的变流器，蓄能电池充放电回路的直流母线还有可方便电容蓄能或其他直流电源接入的端口。企业级储能系统在负荷平移和园区范围实现负荷平衡的方法提供了可行性，从而实现了配电系统供需之间的柔性和负荷时间分布上的柔性；多端接口配电技术，是智能电网建设必须突破的技术之一，可实现能量和信息的网络化交互；多端接口配电方便了多元发电的接入，使配电系统成为一个有源系统，而不再是传统的无源系统；工业园区级微型智能电网建设与运行模式探索。

图2 柔性配电系统的典型原理图

2 基于大容量蓄能电池的交流电力柔性吐纳单元

2.1蓄能系统的基本要求

蓄能用于电力配电系统，参与电能调节，首先是蓄能电池必须符合以下要求：

(1) 足够大的储能容量；

(2) 足够快的功率响应速度；

(3) 足够大的交换功率；

(4) 足够高的储能效率；

(5) 足够小的充放电周期；

(6) 足够长的使用寿命；

(7) 足够小的运行费用。

而用于电池蓄能的变流系统也需要有约束，不是简单的完成充放电任务：

(1) 足够大的视在功率；

(2) 长期在线且有足够的功率响应速度；

(3) 可实现四象限调节，有功和无功均可双向独立的调节；

(4) 与视在功率相匹配的惯性满足的低电压穿越要求；

(5) 实现静止动态的电能消纳和交互。

2.2三相交流回路的电池蓄能控制策略

图3三相交流回路的电池蓄能原理图，系统的主回路部分由大容量动力电池、电池充放电回路、三相交直流变流器回路、三相电抗器组成，主回路硬件还包括电容器(组)、电池充放电回路控制器和交直流变流回路控制器。充放电控制器根据电池电压和逆变器直流母线的动态电压，控制充电和放电的转换和连续调节，以实现逆变器直流母线电压的稳定。变流控制器根据系统的有功无功调节指令，结合系统电压、逆变器输出电压和输出电流的反馈信号，计算逆变器的输出电压对应的电压和相位，控制变流器输出频率与电网频率一致，幅值和相位取决于控制指令的正弦波信号，从而控制变流器输出对应的交流电压和电流I0。

其中，在控制指令的形式上，包括充电、放电的有功指令和感性无功、容性无功的无功指令，由此使得对单相交直流变流器回路实现控制，从而可以在四个象限工作，输出PWM正弦波电压，电容器(组)具有足够大的容量，满足变流器模拟同步发电机动态特性的要求。图4所示的矢量分析图，反映了三相交流回路电池蓄能变流器的核心控制思想和策略。

图4 矢量分析图

变流器输出电抗电压为

Ul=Io×Xl

(1)

式中Xl——连接变流器与电网的电抗值。

变流器的输出电压为

Uo=Us+Ul=Us+Io×Xl

(2)

Io在以变流器最大输出能力为限的一个四象限的圆内任意值。

Io沿着圆周变化：变流器输出特性对应最大视在功率输出，在不同象限对应不同功能，第一至第四象限分别为感性充电、容性充电、容性放电、感性放电。

Io沿着纵轴变化：纯有功充放电，在最大功率充电与最大功率放电之间调节，功率因数为1。

Io沿着横轴变化：纯无功输出，电池无充放电，无功在最大容性与最大感性之间调节。

Io沿着纵向弦变化：输出特性为恒无功输出的充放电调节。

Io沿着横向弦变化：输出特性为恒有功充(放)电的充放电的无功调节。

Io沿着纵圆半径变化：输出特性为恒功率因数的充放电调节。

这一控制策略，对于多元发电接入和接出的复杂网络来说，保证网络稳定和柔性，满足对于系统中的潮流控制、电压调节以及瞬态特性的适应性都非常重要。

3 新型接入端口

互联直供的园区供电方式同样需要技术保障手段，还要考虑电压匹配问题、相位问题、接地电位问题、容量分配问题等一系列问题。因此，接口应该满足：

(1)兼顾双方的电压等级；

(2)有功可双向流动并可以调节；

(3)双向皆可独立进行无功调节；

(4)与视在功率相匹配的惯性，满足低电压穿越要求。

图5 交流电力直供接口回路原理图

交流电力直供接口回路原理见图5，两端分别接于两个不同的配电站，其容量可调、可双向馈电、方便第三方电力接入和馈出的交流电力配电系统的接口电路。分布式发电非常方便接入和就地消纳，或转移至第三方就近消纳；电力直供接口的应用，可以实现配电站之间的能量交互和电压支撑；多端接口的应用方便多元电源的接入和多关联方的能量交互；蓄能应用的配电柔性，就很方便通过配电站之间的直供和关联，形成局域网络的电力柔性；如果说蓄能的应用主要解决发电与用电负荷在时间域的分布均衡问题，那么就近直供解决的是发电与用电负荷在地域分布上的均衡问题；局域网络的智能化建设配以层级网络智能化，才是智能电网建设的未来，是能源互联网建设的重要思想。

4 柔性配电站的设计思路

柔性交流配电站的设计方法上与传统配电站有很多变化，首先根据企业负荷需要，确定峰平谷用电负荷功率容量；变压器容量按照平均负荷来选择，降低固定投资，减少用电固定电费；蓄能的功率容量按照峰值负荷减变压器的容量选择，满足最大负荷时的用电需要，同时兼顾经济性；蓄能的蓄能电量按照峰值负荷减变压器的容量后所需要的电能选择；蓄能的使用方法为谷电时充电蓄能，峰电时放电使用，充放电功率以不高于变压器容量为限。

这些配置必须科学地满足本地负荷的用电需要，如图6所示是一个典型的商场负荷分布特征图。图7所示为平移后的商场负荷分布特征图。所谓平移，就是利用蓄能系统在夜间电力充裕时储存低价电能，在用电高峰电价最高时释放使用。一方面降低公共电网的峰谷压力，一方面降低企业的用电费用。

图7 平移后的商场负荷分布特征图

5 基于柔性配电站的智能电网模型

(1)柔性配电站模型

柔性配电站的基本构成是公共电网输入、站内负荷、站内分布式发电、站内蓄能和站间配入和配出。图8是一个柔性配电站模型，包含了基本功能和配置。

图8 柔性配电站模型

(2)基于柔性配电站的微型智能电网模型

配有发电、蓄能和交互接口的柔性配电站，解决了智能电网建设的核心技术问题，方便形成一个区域内的环状网络，使得多元新能源发电接入、平移负荷、削峰填谷、蓄能、能量管理、跨网直供技术、跨网电压支撑等智能电网理念得到技术保障。这一模型，可以开展工业园区级微型智能电网建设，同时引入公开、开放、平等的运营理念，进行运行模式探索。基于柔性配电站的微型智能电网模型如图9所示。

图9 基于柔性配电站的微型智能电网模型

基于同样的组网理念，可以进一步组建城区级智能电网、城际智能电网、省级智能电网。这是基于电力需求侧的微型智能电网组网思路，对用户的关心给予最现实的关注和用电环境改善。

这一组网理念在中国这个大背景之下，还可以用于大规模风力发电、光伏发电的组网，解决发电侧的时间不均衡问题和地域不均衡问题，彻底解决弃风弃光问题，大幅度提升可再生能源发电在总电量的比例，减少对化石能源的依赖。

从国家电网改革层面来看，该思路提供了一种可以探究的技术方向。

(本文编辑：严 加)

Smart Grid Based Flexible Power Distribution

YU Longhai, LIAO Yuwu, WANG Peiyuan

(School of Physics and Electrical Engineering, Hubei University of Arts and Scince，Xiangyang 441053, China)

This paper describes a flexible AC power distribution system based on battery energy storage and electrical power direct supply. The system can achieve energy interaction between electric power users and the grid and between the power users, convenient to distributed energy generation and consumption, as well as micro smart grid establishment and operation based on power users. The network concept can also be used for smart grid and energy network formation in new energy generation concentration areas.

flexible power distribution; smart grid; energy Internet; battery energy storage; power direct supply

10.11973/dlyny201704018

湖北省自然科学基金项目(ZRZ2014000290)；2017湖南省技术创新专项(重大项目)。

余龙海(1967—)，男，教授，硕士，从事钒电池蓄能系统研究。

TM72

：A

：2095-1256(2017)04-0438-04

2017-04-15