钢铁企业之柔性配电网技术

邓造明

（中冶赛迪电气技术有限公司电力能源事业部，重庆 400013）

引言

随着电力电子技术，特别是大功率电力电子技术的飞速发展，使用电力电子器件，对电能进行变换和控制，可为智能电网的快速、连续、灵活控制提供有效的技术手段。

柔性配电网是智能配电网的子集，是指能实现柔性闭环运行的配电网[1]。它采用灵活交流输电技术，在系统中加装大功率电力电子装置，在不改变网架结构情况下，通过“红绿灯”式的智能调节，优化潮流控制，大幅提升电力传输能力，满足高渗透的分布式电源和储能元件接入的要求，以满足用户提高电能等质量，降低运维成本的要求。

1 柔性配电网定义

柔性配电网（FDN,flexible distribution network）的核心是利用电力电子技术构建“灵活、可靠、高效的配电网，提供更高效的潮流控制，提升配电系统的电能质量、可靠性和运行效率，应对传统负荷以及可再生能源的波动性[2]，保证可再生能源发电、储能设备和用户负荷的协调运行。

智能柔性开关[3-4]是安装于传统联络开关处的新型智能电力电子装置，它使传统闭环设计开环运行的配电网改为柔性闭环运行。

柔性配电网特点。

（1）闭环，对短路电流有阻断能力，柔性直流装置隔离两端交流电网，交流故障电流不能穿越直流装置，以闭环方式提高可靠性。见图1。

图1 柔性配电网原理网络示意图[1]

（2）柔性，柔性直流装置对所连多个支路（可不同电压，可异步电网）的潮流可多方向连续调控，适应负荷和分布式发电（DG）的波动。从交流电网的角度，相当于可控发电机或负荷，有功双向传输，无功可正可负。

（3）快速，全功率响应速度1～5 ms。

2 中压交流双向柔性互联装置控制原理

柔性直流装置目前是最先进的电力电子装置，可自动跟踪负荷变化和发电出力，对电能利用情况实时监控，实现对有功/无功的调度和解耦控制、对电能量优化配置和管理、同时对谐波和电压波动也能兼顾治理。

图2 为柔性互联装置控制原理示意图，每个端口的有功功率、无功控制信息由计费关口信息、负荷信息、发电信息等综合算法形成。

图2 柔性互联装置控制原理示意图

安装中压交流双向柔性互联装置的配电系统，除了具备原来配电系统的全部功能以外，还具有以下传统电力系统所没有的新功能。

（1）变压器之间的负荷均衡

当不同变压器之间出现临时性负荷分配严重不均时，感应式交流双向可控柔性互联装置可以调节各个端口的工作状态，对负荷进行再分配以减少这种临时性不平衡，降低其负面作用。

（2）变压器之间的可控能量交互

当企业内部存在分布式电源时，变压器之间的可控能量交互这一功能尤为重要，具体实现方法同上，可以解决分布式电源的多元消纳，提高分布式能源的利用率。

（3）企业配电网潮流管理

能够精确快速地调节有功的流向和大小，主动管控企业内部配电网的电力潮流，按照更安全更经济更科学的方式流动。

（4）变压器之间的容量相互借用与支撑

当个别变压器出现临时性过负荷时，感应式交流双向可控柔性互联装置可以调节其他端口的多余容量，对该变压器进行容量支持。容量支持一般不是单纯的有功支持或单纯的无功支持，多数情况下是有功和无功协同的支持。

（5）有源母线之间的互为热备用

配电变压器及线路故障是不可预知的，传统的配电方式一旦出现故障，则整台变压器携带的全部负荷将失去动力，可控柔性互联装置的应用将改变这一状况。一旦某段交流母线出现故障，与其相连的端口可以提供规定容量的电力支撑，保障重要负荷不受影响，以把故障损失降至最低。

3 中压交流双向柔性互联装置应用

3.1 以节能降成本为目的的关口潮流控制——最大需量阈值控制

钢铁企业电力运行费用包括电费和基本电价费用，其中基本电价费用按照接网变压器容量（或者按照最大需量）计费，越来越多的企业采用按照最大需量的计费模式，以降低电力运行费用。

根据电力部门制定的标准，最大需量按照15 min平均负荷最大值来自动计费收取。钢铁企业有轧钢、LF 炉等冲击负荷，以及一些不可控原因，引起下网负荷波动比较大，大部分企业又属于粗放管理，造成上报最大需量的裕量偏大，经济性不好。

通过增加FDN 设备，配套精准算法确定阈值，将源/网/荷/DG 等统一管理，快速自动控制潮流，实现最大需量降低，节省基本电价费，提高经济效益。

案例 某钢铁联合企业有2 个220 kV 总降变电站，2 个站实际运行变压器总装机容量600 MVA，通过3 条220 kV 线路与外部电网接网，由于接网变压器容量大，故采用最大需量缴纳基本电费，基本电价费用的最大需量按265 MVA 申报，3 条接网220 kV 线路分别申报容量为：马柏线96 MVA，曲界甲线96 MVA，曲界乙线73 MVA。

2020 全年外购电量10.4 亿kWh，折算年平均下网负荷（外购电功率）118.7 MW，对应的主变年平均负载率21.5%，对应的最大需量年平均利用率48.7%。

最大需量是按照3条220 kV进线的最大需量之和进行申报，实际3 条220 kV 进线的典型日负荷是波动的，三者之间有平衡互补的空间，申报最大需量实际高于实际总最大需量。表1 统计了2021 年某个典型工作日（24 h）3 条220 kV 进线负荷的绝对最大值及其次数、绝对最小值及其次数、小时平均值、自发电倒送次数等。

表1 马柏线、曲界甲线、曲界乙线某个典型日负荷情况

从运行负荷曲线及表1 统计数据看出，负荷波动幅度较大，最大负荷持续时间较短，可以通过柔性互联装置进行负荷均衡，降低绝对最大负荷以减少固定电费，兼顾消除自发电反送电网（节约电能，减少罚款）。

解决方案如图3 所示。50 MVA 中压交流双向柔性互联装置主回路由隔离变压器、4 端口电力电子柔性互联装置组成。隔离变压器的输入端口2个是10 kV，2 个是35 kV，4 端口电力电子柔性互联装置接在隔离变压器的二次侧，受调节指令控制，调节电能在几个端口之间有序流动。实现四台接网主变（T1、T2、T3、T4）之间负荷柔性均衡、能量多向交互、容量多向拆借与支撑，调节3条接网220 kV线路之间的最大需量，节省基本电价费用。

图3 中压交流双向4通道柔性互联装置示意图

中压交流双向柔性互联装置的调度控制指令由计费关口信息、负荷信息（含发电信息）综合形成，对2 个220 kV 变电站内的35 kV 和10 kV 系统（对应4 台变压器低压侧）进行负荷控制（可变、可正、可负），达到降低最大需量上报量40 MVA（投资回收期约2 年），避免自发电上网，同时解决短路电流问题的目的。

3.2 以节能降成本为目的的关口潮流控制——DG上网控制

钢铁企业内部通常配置有资源综合利用自备电厂，为提高发电效率，发电机的容量越来越大，限于原有供配电系统结构及接网的原因，可能会造成正常工况或在其它部分工况下自发电上网，上下网造成差价（或者不允许上网时造成的煤气放散），给企业带来损失，煤气放散造成环境污染，社会效益和经济效益不佳。

案例 某钢铁联合企业有1 个220 kV 总降变电站，2 台220/35/10 kV 100 MVA 主变压器，产能置换升级改造后，全厂负荷150 MW，基本上平均挂在2台变压器上，新上1 台煤气85 MW 发电机接在其中1 台主变的35 kV，正常日发电上网15 万kWh，与电网商谈的上下网差价0.25 元，年损失差价约1350万元。

采用中压交流双向2通道柔性互联装置解决发电上网，详见图4。

图4 中压交流双向2通道柔性互联装置示意图

根据图4 解决方案，中压交流双向柔性互联装置的调度控制指令由计费关口信息、负荷信息、发电信息综合形成，对变电站内的35 kV 进行负荷控制（可变、可正、可负），避免发电上网。

4 结束语

中压交流双向柔性互联装置是柔性配电网技术的典型应用之一，它实现不同中压交流母线之间负荷柔性可控分配与均衡、能量双向交互、容量双向拆借与支撑，满足钢铁企业逐步提高的电力资产负荷率要求和高标准的电能费用价值增加要求。

该装置结合企业配电数字化系统，结合大数据的应用和深度开发，真正实现了企业级配电的柔性互联和智能化，助力企业智能配电网建设，实现能源的高效利用，为实现碳中和目标做出应有的贡献。