柔直与光储混联主动配电系统研究及应用

张加岭，张家盛，李善波

（1.国网徐州供电公司，江苏徐州221000；2.苏州市科远软件技术开发有限公司，江苏苏州215000）

1 引言

徐州地区配电网沿袭传统配电网发展的方式，使用过程中面临着一些新课题，引发了我们的思考。一是公用配变受季节性负荷影响平均负载率低，运行经济性不高，这也是全省电网的共性问题。二是冲击负荷造成局部配变短时过载，无法有效均衡负载，单纯依靠增加容载比性价比低。三是徐州电网在主动配电网技术领域仍是空白，不具备规模化分布式电源接入必需的主动感知和主动控制能力，目前分布式电源和电动汽车接入对电能质量造成了一定影响。四是供电可靠性与先进地区差距明显，低压配电网无论计划工作或设备故障都会对客户造成停电，用户年平均停电时间较长。

为了解决徐州地区配电网发展中遇到的新问题，我们问计于配电网发展的前沿技术，在主动配电网和柔性直流技术领域找到破题之笔。本文介绍徐州配电室利用柔性直流输电技术形成交直流混合配电系统全额就地消纳分布式电源，同时再合理配备一定容量的储能，最终构建一种柔直与光储混联的主动配电系统。

2 方案介绍

对配电室原有低压结构进行改造，实现柔直系统与传统交流低压良好的衔接与互动，系统结构如图1所示。具体做法是：每段交流400V母线增加1台柔直变流器，通过直流互联形成四端口网络，实现合环运行。同时在直流母线上配置一定容量的储能，并接入分布式光伏，实现光伏储能互补。为完善配电系统网络拓扑，新增1、4段母线母联开关，并对4台低压总开关和3台母联开关进行二次改造。

图1 配电室系统结构示意图

3 关键技术

3.1 柔性直流技术

换流器是电压源型换流器（VSC）,可灵活控制阀侧电压Uc，实现功率的四象限传输，实现有功和无功的控制，并可控制交流侧系统电压，原理如图2、图3所示。

图2 四象限功率控制原理图

图3 VSC原理示意图

3.2 储能技术

储能装置主动参与配电网的电压、频率调节，电池、储能变流器的功率均能双向流动，储能变流器支持PQ、调频调压、VF及VSG等多种运行模式，响应速度快，原理如图4所示。

图4 储能装置功率控制原理图

4 解决的主要问题

4.1 解决配变轻载（空载）问题

系统可以根据负荷情况，依据配变运行效率曲线，自动选择运行方式，对配变进行投退，如图5所示，在极端情况下，S2、S3、S4三台变压器停运，S1一台主变运行，这样可以减少配变轻载或空载时较大的损耗，使得每台配变均运行在效率最优的点，提高配变运行经济性，提高设备利用率。

图5 配变轻空载负荷转供示意图

4.2 解决配变短时过载问题

通过柔直系统进行负荷平衡，优化系统潮流，增加轻载配变的输出，减少过载配变的负荷（如图6所示），使得配变实时保持在经济运行状态。

图6 配变短时过载负荷转供示意图

4.3 解决分布式电源对电网造成的电压波动和谐波污染问题

在本系统条件下，分布式电源可以统一直接接入直流母线，如图7所示，通过柔直变流器的DC/AC转换功能向电网输出电能，既可以保持电网系统电压，避免电压波动、闪变、跌落等，又降低对电网的谐波污染，有效地解决分布式电源规模化、多点接入对系统电能质量的影响

图7 分布式电源接入示意图

4.4 既方便电动汽车“快充”，又能做到有序充电

柔直系统的直流母线可以直接供给电动汽车“快充”，大幅降低充电设施的建设投资，如图8所示。同时，利用柔直系统对潮流双向控制，限制充电功率，实现有序充电，降低集中“快充”对电网设备的损伤。

图8 电动汽车充电桩接入示意图

4.5 显著提升供电可靠性，实现“不停电”

柔直系统可以无缝衔接将失电母线的负荷进行转移，得到非常高的供电可靠性，基本实现“不停电”。如图9所示，极端情况下，S1-S4四台变压器全部失电时，储能和光伏系统对负荷进行短时的供电，保障重要负荷用电持续性。

图9 分布式电源短时负荷转供示意图

4.6 减少双电源的建设成本

采用低压柔性直流输电实现小区间拉手，互为备用电源，如图10所示。解决低压交流互联时供电半径过长带来的损耗大、输送容量不足、电压低等问题，降低建设成本。

图10 低压柔性直流输电小区拉手示意图

5 应用实例

徐州星湖湾配电室柔直与光储混联项目完成国内首个400V基于柔直与光储混联主动配电系统的设备研制及工程示范，面向400V低压配电网，直接解决配电网末端问题，形成一套低压配网供用电新模式，星湖湾配电室系统接线图如图11所示。

6 结束语

柔直与光储混联主动配电系统研究，并以星湖湾配电室为试点应用，作为以电力为中心的能源方案解决者，未来本工程极具推广应用价值。

为同类小区光伏、电动汽车、直流负荷的接入方案提供有益参考，有效应对城市配网负荷持续增长。

图11 星湖湾配电室主接线图

多端口柔直网络扩大分布式电源就地全额消纳能力，实现点线面的分层消纳和统一控制，同时与储能配合，负荷特性显著改善。

为精密制造企业、经济园区、农光互补工程等重要电力客户提供完善的电能解决方案，将成为公司在今后电力市场角逐中的重要竞争力。