低压柔直互联系统在配电网中的应用研究

张 哲，徐何君

（上海电力设计院有限公司，上海 200023）

配电网正在经历由传统配电网向智能配电网的过渡，由传统配电自动化发展为新一代配电自动化，实现配电运营协同管理［1］。随着分布式电源和电动汽车的规模化发展，传统配电网将面临电能质量以及供电可靠性等诸多挑战。因此，研究建设包含分布式电源、多元化负荷且具有主动协调控制和运行管理能力的新型配电网是配电技术发展的必然方向［2］。

1 配电网的发展和需求

1.1 配电网发展现状

在配电网典型接线方式中，架空线路采用的是多分段单联络/三联络，电缆线路采用的是单射式、双射式、单环网/双环网以及“三双”接线等，配电网整体运行灵活性与经济性较国外先进城市尚有差距。随着国内配电网改造项目的开展，配电网从过去以辐射状接线逐步转变为双回路供电、环形网络供电及多分段多联络等供电网络结构。近年来“双花瓣”“钻石型”等高可靠性智能配电网结构也在上海、雄安等地得到应用［3］。

配电自动化是实现配电网主动控制的基础。常规配电自动化系统以一次网架和设备为基础，综合利用计算机技术及通信等技术，实现配电网运行监视和控制的自动化。配电自动化系统具备配电数据采集与监视控制（SCADA）、故障处理、分析应用及与相关应用系统互连等功能，主要由配电自动化系统主站/子站、配电自动化终端和通信网络等部分组成。

近年来，新一代的配电自动化系统应用智能融合终端实现配电台区一体化综合管控，应用智能辅控装置、远动网关、数据终端单元（DTU）、一二次（融合）成套设备实现中低压设备状态监测与配电室全景监测，应用光纤纵差保护、智能分布式馈线自动化等技术实现配电网故障快速自愈。

1.2 新型电力系统下的配电网需求

随着“双碳”目标的推进，新型电力系统下高渗透率分布式电源接入电网，配电网正在由无源网络变为有源网络，源网荷互动要求不断增加，加上分布式储能、数据中心及充放电站等负荷在电网中的占比不断提升，对电力系统特别是配电网的安全可靠性和经济运行能力提出更高要求［4］。

传统配电网采用“闭环设计、开环运行”方式，电源结构单一，源-网-荷之间单向传输，联动性弱；配电网内台区/馈线间功率不平衡，分布式电源与负荷渗透率不一，跨台区调控能力不足，设备利用率低［5］；在故障发生时，台区间资源无法相互快速支援，易扩大事故范围，导致系统可靠性下降，不能很好适应和满足分布式电源接入以及多能协同运行的要求，亟需有效的柔性调控手段以根据运行情况灵活调整网架拓扑，满足分布式电源及多元负荷“即插即用”需求，实现源、网、荷、储的高效互动［6］。

2 低压柔直互联系统

2.1 柔性互联技术

传统配电网依靠断路器和联络开关的开断动作实现“闭环设计、开环运行”的供电控制。基于电力电子设备的柔性互联是将配电网中各台区/馈线、各交/直流配电子网或微电网（群）等通过柔性互联设备（FID）连接，实现分布式新能源、储能设备、电动汽车等的友好接入，并在各台区间实现智能调度，达到潮流控制、有功无功功率优化、协同保护等功能，具备控制连续、响应速度快、动作频繁和故障率低等特性［7］。

配电网馈线间柔性互联基本方式如图1 所示。柔性互联的关键技术是通过柔性软开关（SOP）和柔性环网控制装置（FLNC）实现配电网的柔性互联，并构建多元的设备接入形式［8］。

图1 配电网馈线间柔性互联基本方式

基于背靠背电压源换流器（VSC）的典型互联双馈线配电网示意如图2 所示。柔性软开关由2个VSC 组成，具有端口间功率连续调节功能，在正常运行时可进行潮流控制、无功补偿和电压调节，在异常运行条件下可进行故障隔离和供电恢复［9］。软开关彻底改变了常规配电网“闭环设计、开环运行”的供电方式，是构成全面可控柔性互联配电网的核心装备。

图2 基于背靠背VSC 的典型互联双馈线配电网示意

2.2 基于多端口电能路由器的柔直互联系统

背靠背柔性互联可实现配电网闭环运行，但是在负荷转供时仍会出现供电短时中断，柔性环网控制装置（FLNC）通过3 个或以上的VSC 将多个不同区域的配电网进行互联，从而形成环网，提高配电网拓扑灵活性，从而实现多条馈线联络，有效解决不停电负荷转移，降低配电系统的备用容量。通过调节其交流端口的输出电压幅值和相位角，可精准控制各端口的有功和无功功率，进而优化配电系统潮流分布，实现并离网平滑切换［9］。

基于多端口电能路由器的柔直互联装置是台区低压柔性互联系统的核心设备，与常规联络开关相比，柔性互联技术可以解耦控制有功功率、无功功率，改善功率传输的灵活性，不仅具备断开和连通功能，而且没有常规机械式开关动作次数的限制，运行模式柔性切换，控制方式灵活多样［10-11］。基于多端口电能路由器的柔直互联系统示意如图3 所示。

图3 基于多端口电能路由器的柔直互联系统示意图

3 典型应用场景

3.1 配电台区间功率分配平衡

配电变压器低压侧的柔性互联，可以在不改变现有交流网架结构的条件下，实现不同供电台区互连和双向潮流灵活控制，解决不同台区或馈线之间重载、轻载的功率不平衡问题，实现馈线间负荷的实时平衡运行，优化配电变压器容量和负荷利用率；电能路由器交流端口同时具备无功支撑能力，对所连接的低压馈线可进行无功补偿，提高用户侧电能质量，减小常规台区系统无功补偿设备；在故障情况下，可实现故障侧馈线负荷的灵活快速转供，以及非故障区域的快速恢复，提高供电安全性和可靠性，实现馈线间的互备互供。

3.2 新型负荷的优化配置和互动

以多端口电能路由器为核心，将交流配电、直流配电、柔性互联、微电网等系统有机集成，形成基于柔直互联的交直流混合配电网，可以实现电动汽车、分布式电源和储能的友好接入，是源网荷储互动的基础。当某些台区/线路负荷轻载时，可根据自身实时负荷率，充分利用其剩余容量，通过电能路由器为其他重载台区或电动汽车充电站供电，实现各配电变压器利用率均衡。当区域内台区/线路负荷重载，配电变压器备用容量不足时，可通过储能装置为充电站供电；此外，通过柔性互联实现电动汽车到电网（V2G）或换电站到电网（S2G）的接入，利用电动汽车电池或储能装置，实现削峰填谷和需求侧响应。

3.3 分布式新能源的友好接入和高比例消纳

对于分布式电源的大量接入，电能路由器可集成多台区/馈线，采用台区/馈线间潮流互动的方式协助高渗透率的分布式发电消纳，并平滑其引入的功率波动与高电压越限问题，解决新能源出力波动导致的需对单台区进行大规模增容的问题，减少一次设备的投资。在电网故障孤岛状态下，由公共直流母线连接的分布式电源可为台区/馈线中的重要负载提供短时应急供电，同时为系统运行提供短时能量支撑。

4 工程案例

4.1 农网台区柔性互联案例

项目所在河北某新区某村现有16 台配电变压器，总容量为6 490 kVA。其中，400 kVA 配变10 台，200 kVA 配变3 台，630 kVA 配变3 台，冬季最大负荷3 881.94 kW，台区平均负载率61.72%。其中，1 号台区、5 号台区、11 号台区的负荷率差别较大存在严重的负荷不均衡问题，预测最大负荷率分别为57.84%，82.35%，29.30%。村内现有光伏装机容量为300 kWp，储能系统总容量为800 kWh。本项目将1 号台区、5 号台区、11 号台区在低压侧进行互联组成低压直流互联系统，实现台区负荷率平衡，预计系统内最大平均负荷率52.91%，有效降低3 台配电变压器之间的负载率差异，提高配电变压器的负荷利用率。结合区域内现有分布式光伏和储能设备的位置条件，现有光伏保留在5 号台区。储能系统分别接入1 号台区和11 号台区，同时考虑未来预计新增的分布式光伏和储能设备，在低压柔直互联网络的主网架上布置光伏、储能、充电桩、直流负荷接口等多种预留接口。

低压柔直互联系统运行工作模式包括转供功能、检修/故障状态、光伏消纳3 种，可实现以下系统功能。

（1）平衡各台区负荷率，实现各台区之间容量互济。

（2）提高供电可靠性，减少检修或故障导致的用户停电时间。

（3）提高光伏就地消纳能力。

低压柔直互联系统主要设备为柔性互联AC/DC 柜：1 号柔性互联AC/DC 柜，核心设备包括1×189 kW 双向AC/DC 变流器；2 号柔性互联AC/DC 柜，核心设备包括1×189 kW 双向AC/DC 变流器；3 号柔性互联AC/DC 柜，核心设备包括1×125 kW 双向AC/DC 变流器。

低压柔直互联AC/DC 柜内部主要设备有：双向AC/DC 变流器，1 套；就地监控系统，1 套；环控系统，1 套；智能融合终端，3 套。

低压柔直互联网络示意如图4 所示。

图4 低压柔直互联网络示意

4.2 长三角“水乡客厅”微电网案例

长三角“水乡客厅”微电网示范工程在上海青浦水乡区域协同运营中心区域建设微电网。“水乡客厅”微电网系统接线示意如图5 所示。

图5 “水乡客厅”微电网系统接线示意

微电网系统配置2 台10/0.4 kV 容量1 250 kVA 配电变压器接入系统10 kV 交流母线。微电网系统设置380 V 交流母线和±375 V 直流母线，均采用单母分段接线。两段交流母线和两段直流母线间通过多端口电能路由器连接，其中P2 和P3 端口分别通过250 kW 交直流变换器给直流Ⅰ段和直流Ⅱ段供电，P1 端口为低压柔性互联端口，通过250 kW 背靠背变换器连接2 台配变台区低压侧，实现柔性互联与功率互济。微电网系统内光、风、储、荷按照一定的容量分别接入交流和直流母线。正常运行时，微电网单元正常自治运行，当某个微电网单元出现重载或者新能源电源无法消纳时，可采用低压柔性互联下的负载均衡、失电支援、源荷转供、经济运行、重要负荷保供电等运行策略。

5 结语

柔性互联装备是一种可在配电网若干关键节点上替代常规联络开关的新型柔性一次设备，柔性互动将成为新型配电系统的显著特征，可为促进“双碳”目标的实现提供有力支撑。

（1）低压柔直互联系统可以实现不同配电台区间的容量互济，提高配电网灵活可控能力和运行可靠性。

（2）交直流混合柔性互联的新型配电系统可实现系统中所有电源包括储能系统、分布式光伏系统、分布式风电系统和电动汽车等新型负荷的互联互通，实现配电网络源、网、荷、储多方互动的能量路由运行控制，将更有利于分布式电源和新型负荷的接入，实现区域间的能量平衡，并对负荷提供无功支撑，降低配电系统的电压波动。在配电系统发生区域故障时也能够快速实现负荷转供，确保重要负荷的不间断供电，提升配电系统的稳定性与可靠性。