面向新型源荷接入的交直流混合配电网关键技术探索

魏 凯，陈晓燕

（国网武威供电公司,甘肃 武威 733000）

0 引 言

随着经济快速发展，人们对于供电质量与效率的要求不断提高，导致配电网负荷愈加密集，另外新型源荷的不断接入。一定程度上会对配电网工作时的稳定性造成影响，给配电网的安全程度与电力企业经济带来了不小冲击。然而传统交流配电网供电能力有限，难以适应配电网发展的新要求。随着越来越多的分布式新能源和新型电力设备等新型负荷接入，这种不匹配问题会更加严重，电力企业迫切需要创新技术以提高自身灵活性，在各类严峻的挑战中稳步发展[1]。

1 面向新型源荷接入的交直流混合配电网的研究意义

随着社会经济的快速进步，新能源的飞速发展，人民群众及社会建设对用电量的需求越来越大。随着电力设备技术的大力发展，常规的交流配电网技术已然无法满足社会发展与经济建设的需求，直流配电技术显现出巨大的优势。太阳能电池与新能源发电等产生的大部分为直流电，常用的电力设备如大型机械、空调设备以及电力列车等也多数采用直流供电。而在传统的配电网中只有交流配电网，上述直流源荷都需要通过交流/直流变流器变化后接入与之电压等级相对应的交流配电网中。假如可以将上述直流源荷直接接入对应等级的直流配电网中，不仅可以省略使用变流器这一步骤，减小电力与经济损耗，还可以有效保证配电网的供电质量与供电稳定性，因此诞生了交直流配电网技术[2]。交直流混合配电网能够同时使交流和直流供电兼容，不仅能够降低电力系统的复杂程度，实现功率互补，还可以进行交直互相支撑，有效增加配电网的安全与稳定，也是未来配电网的发展趋势。此外，该类型的混合配电网中不存在直流部分与交流部分不同步等问题，可以有效避免来自交流侧的干扰和故障。交流直流混合配电网地使用可实现对电力输送功率的有效控制，不仅可以在稳态运行情况下保障交直流电的高效对接，而且可以在非稳态状态下实现快速的跨区功率转换。

2 交直流混合配电网关键技术分析

2.1 交直流混合配电网网架结构

配电网的结构架构是交流直流混合配电网灵活稳定运行的重要影响因素。业界针对仅存在交流的配电网网架结构相关研究已取得较为理想的成果，但对于交流与直流混合配电网网架结构的相关研究仍存在较大提升空间[3]。在设计交流直流混合配电网网架结构时必须综合考虑两种电流的配电网网架结构，从而构建出有效的交流直流混合配电网网架结构。

在传统只存在交流电的配电网中，高压、中压以及低压配电网网架结构都有所不同，其中高压交流电配电网网架结构为环网式、链式及辐射式，中压配电网结构为单、双环式、多分段联合及辐射式，而低压配电网只采用辐射式结构。

直流电的配电网网架结构类型及特点如下。第一种网状型。其主干网络由不同电压等级的直流主线组成，相应的电子装置将分布式电源、交流与直流负载与主线相连，具有结构简单，不需要特别控制保护的特点，但供电可靠性较差。第二种两端供电型。其可以实现当一侧出现故障时，完好的一侧持续工作，整体稳定性较高[4]。第三种环型。其运行方式类似于第二种网架结构的运行方式，相比于前两种配电网，供电可靠性更高。

根据电力需求的不同，交直流混合配电网可分为柔性直流装置和混合配电网两类。当直流电源负载较少时采用前者，当有高密度直流电源负载接入时采用后者[5]。交直流混合配电网中常用的主要是辐射型交直流混合配电网和多段交直流混合配电网，两者的网络结构分别见图1和图2。

2.2 交直流混合配电网规划设计

交流电配电网规划设计的研究内容大多是新线路或新电源的位置和容量，其设计只考虑目标线路负荷的供电与需求情况。而交直流混合配电网的规划设计，不仅可以提高线路的最大输电能力，而且可以提高电压源变换器（Voltage Source Converter，VSC）互连的两条线间功率控制的程度。因此，规划与设计交直流混合配电网可以综合分析多条线路的动态潮流分布和经济因素，使规划设计方案达到最优，以二者互补的形式为整体运行提供良好支持和保障[6]。并且交直流混合配电网具有更加多变的拓扑结构，在使用场景上也更加多样性，因此要结合实际使用环境对交直流混合配电网进行规划设计，提高其实用性。

2.2.1 交直流混合配电网改造技术

图3所表示的是中电压交流配电网，负荷转供需要常开断路器将两条来自不同变电站的馈线互联，通过重构网络实现，方法烦琐且复杂。图4表示的是中电压交直流混合配电网，其中VSC1将线路1直接转化为直流电，VSC2将线路1与线路2互联之后形成交流与直流混合的配电网，实现负荷转化。换流器内部结构在交流与直流混合配电网中对接线方式与电力传输总量影响最大[7]。

图3 中电压交流配电网

图4 中电压交直流混合配电网

2.2.2 面向新型源荷的交直流混合配电网协调规划

由于面向新型源荷的交流与直流混合配电网运行场景众多，所以进行交直流混合电网的规划阶段不仅要考虑其拓扑结构，还要考虑其新型源荷接入的位置、最大电量及其工作时的调控能力对交直流混合配电网造成的影响，最终做好规划设计。

2.3 交直流混合配电网优化运行

与传统的交流配电网相比，交直流混合配电网可以利用现有线路和空间实现灵活的输电，提高线路的输电能力。但传统交流配电网的调度方法不具备交直流混合配电网的这一优势。因此，在设计交直流混合配电网优化运行技术时必须综合考虑线间功率调节能力，通过电力电子装置进行多方面调控，确保配电网运行在保证安全的前提下满足经济性需求。例如，通过智能软开关连接两个孤岛的方法，有效解决了电力资源空间分布不均匀的问题，提高了配电网供电时的可靠性。由于交流与直流混合配电网VSC运行特性方程具有高度的非凸非线性，因此其线性化方法可以解决分布式调度问题。通过分析新的协调源负荷特性，综合考虑负荷协同优化的影响，采用电源、配电网、负荷以及储能装置相协调的直流配电网多目标优化调度方法，降低对系统运行成本的影响[8]。

对于不同时间尺度的交直流混合配电网进行优化调度，可以通过建立交直流混合配电网不同时间尺度下的优化模型，分析其在不同时间尺度下的优化方法及影响。通过考虑基于高渗透率DG接入交直流混合配电网，可以采用不同时间尺度下的协调控制策略，根据不同的时间尺度选择联络开关或是以电压为变量调整智能软开关和VSC的功率。为了实现潮流的最优化与电能损耗的最低化，预测误差时可以利用有功功率，并估计DG无功功率的概率分布，从而采用合适的配电网协调调度方法。

整体来说，目前面向新型源荷接入的交直流混合配电网优化技术研究方向主要是考虑不同时间尺度下交直流混合配电网的调度，对交流与直流混合配电网的调度研究也已经成为交直流混合配电网技术研究的主要趋势[9]。

2.4 交直流混合配电网故障恢复技术

目前对于故障恢复的研究大多是面向交直流混合输电网和含柔性软开关的配电网。常见的故障修复技术主要是对配电网进行网络重构或形成孤岛，对于单个目标或多个目标，利用智能算法进行计算。针对只存在交流电的配电网的故障恢复，可以建立两层规划模型，分别以主网和孤岛恢复电量最大为目标，并利用智能算法进行求解。针对高压直流输电网的故障恢复，可以结合系统对停电恢复的要求，建立有直流系统参与的电网恢复路径优化模型，该模型可以有效提高路径搜索的速度[10]。对于存在智能柔性软开关的配电网，首先要考虑智能柔性软开关控制能力的灵活性，采用有源配电网故障修复技术，该技术以智能柔性软开关与DG协调控制为基础。

3 结 论

只有加大对交流直流混合配电网关键技术的研究力度，才能使配电网的供电质量和效率适应新时期的人民需求及社会建设需求。配电网的网架结构、规划设计、优化运行以及故障恢复都是影响交流与直流混合配电网运行的关键因素。配电网人员对其要高度重视，需要从实际情况出发，做好交直流混合配电网规划运行关键技术的探索，为我国电力行业的可持续发展奠定良好的基础。