秦紅霞，王成山，劉 樹，劉 云

(1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；2.天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072)

智能微網(wǎng)與柔性配網(wǎng)相關(guān)技術(shù)探討

秦紅霞1，王成山2，劉 樹1，劉 云1

(1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；2.天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072)

通過對現(xiàn)代配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢分析，指出智能微電網(wǎng)技術(shù)與柔性配網(wǎng)技術(shù)是配網(wǎng)技術(shù)升級的有效手段。對智能微網(wǎng)的運行模式、主要應(yīng)用技術(shù)、運行控制框架等關(guān)鍵技術(shù)進行概述，分析該領(lǐng)域主要技術(shù)發(fā)展情況。對柔性配網(wǎng)概念進行介紹，討論了柔性配網(wǎng)中的關(guān)鍵電力電子設(shè)備構(gòu)成、技術(shù)路線及其應(yīng)用領(lǐng)域。著重分析了柔性配網(wǎng)技術(shù)對既有配網(wǎng)運行模式的改善，探討其應(yīng)用價值。

智能微網(wǎng)；柔性配網(wǎng)；軟開合點

0 引言

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)面向客戶的最后環(huán)節(jié)，是保證電網(wǎng)供電質(zhì)量、提高運行效率、提高供電可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

伴隨著應(yīng)用需求的不斷提高，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)逐步體現(xiàn)出一些不足之處：在運行方面，點多面廣、數(shù)據(jù)量大、設(shè)備繁多，拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜、線路改造頻繁；在維護方面，設(shè)備故障率高、運行維護工作量大，配電網(wǎng)圖形模型維護異常困難。加之分布式能源及儲能大量接入配網(wǎng)、電動汽車接入、微型電網(wǎng)接入與互動、需求側(cè)管理 DSM(需求側(cè)響應(yīng) DR+能效管理 EE+負(fù)荷管理 LM)等，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)在電能供應(yīng)穩(wěn)定性、高效性等方面面臨巨大挑戰(zhàn)，配電網(wǎng)技術(shù)亟待升級[1-3]。

依托先進互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電力電子技術(shù)，建設(shè)智能微電網(wǎng)與柔性配電網(wǎng)，是實現(xiàn)配電網(wǎng)技術(shù)改造，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級的有效途徑。

本文對智能微電網(wǎng)與柔性配電網(wǎng)的相關(guān)概念進行介紹，對該領(lǐng)域目前相關(guān)技術(shù)發(fā)展情況進行總結(jié)，并對其發(fā)展趨勢進行展望。

1 智能微網(wǎng)

為整合分布式發(fā)電的優(yōu)勢，削弱分布式發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊和負(fù)面影響，美國 CERTS(The Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)提出了一種能更好地發(fā)揮分布式發(fā)電潛能的組織形式-微電網(wǎng)(Micro-Grid)。CERTS 將微型電網(wǎng)定義為一組負(fù)荷和微能源的集合，可以以一個單個系統(tǒng)的方式運行，提供熱和電，其基本單元應(yīng)包含微能源、蓄能裝置、管理系統(tǒng)以及負(fù)荷。

微電網(wǎng)是可控的供能系統(tǒng)，可平滑接入大電網(wǎng)和獨立自治運行。微網(wǎng)中能源轉(zhuǎn)換設(shè)備多樣，含有大量電力電子裝置，大量儲能裝置，需要并網(wǎng)運行，又要獨立運行，與大電網(wǎng)相互作用，行為異常復(fù)雜。

1.1 微電網(wǎng)應(yīng)用場景及應(yīng)用模式

1) 并網(wǎng)運行模式

并網(wǎng)模式是指微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并列運行，通過對微電網(wǎng)內(nèi)部分布式能源的合理調(diào)度，協(xié)調(diào)微電網(wǎng)和外網(wǎng)之間的關(guān)系，達(dá)到合理化利用微電網(wǎng)內(nèi)部的資源設(shè)備，同時滿足上層電網(wǎng)對微電網(wǎng)的某些輔助服務(wù)的需求目的。此狀態(tài)下，對大電網(wǎng)來說，微電網(wǎng)可看做一個可控的電源或負(fù)荷，電網(wǎng)調(diào)度中心對微電網(wǎng)有一定的負(fù)荷或發(fā)電曲線調(diào)節(jié)需求。

2) 離網(wǎng)運行模式

離網(wǎng)運行模式是指微電網(wǎng)與大電網(wǎng)解裂運行，微電網(wǎng)依靠自身的主電源建立自身電壓和頻率。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)通過對儲能系統(tǒng)的充放電管理，調(diào)節(jié)分布式電源如燃料電池、柴油發(fā)電機的出力調(diào)度、負(fù)荷側(cè)的控制等，確保微電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電與需求的實時功率平衡，防止儲能電池的過充與過放，保證微電網(wǎng)的長期穩(wěn)定運行。微網(wǎng)離網(wǎng)運行模式主要應(yīng)用于偏遠(yuǎn)無電地區(qū)、海島、關(guān)鍵軍事區(qū)供電領(lǐng)域，也可作為后備電源，實現(xiàn)大電網(wǎng)停電后的短時供電。

3) 并離網(wǎng)切換過程

當(dāng)外部電網(wǎng)發(fā)生故障或微網(wǎng)需要主動離網(wǎng)運行時，微網(wǎng)可以迅速斷開并網(wǎng)開關(guān)與外部電網(wǎng)脫離，轉(zhuǎn)入離網(wǎng)運行模式；當(dāng)外部電網(wǎng)恢復(fù)正?；蛭⒕W(wǎng)需要主動并網(wǎng)時，微網(wǎng)應(yīng)重新并入外部電網(wǎng)。這一過程，稱為微電網(wǎng)的并離網(wǎng)切換過程。微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換過程是保證微網(wǎng)穩(wěn)定運行和供電可靠性的關(guān)鍵。微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換根據(jù)是否停電可劃分為短時停電的有縫切換和不停電的無縫切換。

1.2 微電網(wǎng)主要應(yīng)用技術(shù)

1) 微網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃技術(shù)

微電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃是微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計階段需要解決的首要問題，優(yōu)化規(guī)劃方案合理與否將直接決定微電網(wǎng)的安全運行和經(jīng)濟效益，不合理的配置方案會導(dǎo)致較高的供電成本和較差的性能表現(xiàn)，甚至無法體現(xiàn)出微電網(wǎng)系統(tǒng)自身所固有的優(yōu)越性。因此，微電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃技術(shù)是充分發(fā)揮微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)越性的前提和關(guān)鍵。

微電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃技術(shù)主要包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以及分布式發(fā)電單元類型、容量、位置的選擇與確定。根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷和可利用能源情況，綜合考慮設(shè)備的運行特性、初期投資與運行維護費用、能源利用效率、環(huán)境友好程度及系統(tǒng)控制策略等因素，通過優(yōu)化計算確定微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分布式發(fā)電單元的配置信息，實現(xiàn)整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性、安全性、經(jīng)濟性化。如文獻[4]提出了一種適用于并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)和獨立型微電網(wǎng)系統(tǒng)的雙層優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計模型。

微電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃需根據(jù)所在地的地理位置和條件、氣象資料、電網(wǎng)資料、分布式電源工作特性、供能需求以及系統(tǒng)設(shè)計要求等數(shù)據(jù)來確定微電網(wǎng)各組成部分的類型和容量，以及相應(yīng)運行策略等參數(shù)，以使微電網(wǎng)盡可能工作在理想的匹配狀態(tài)下，達(dá)到經(jīng)濟性、可靠性和環(huán)保性等方面的優(yōu)化。微電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃體系涵蓋的內(nèi)容相當(dāng)豐富，涉及可再生資源與負(fù)荷模型、分布式電源及系統(tǒng)模型、優(yōu)化規(guī)劃方法、運行策略、求解算法、規(guī)劃方案穩(wěn)定性校核等諸多方面。

2) 微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)

協(xié)調(diào)控制技術(shù)是微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)和保障，是構(gòu)建微電網(wǎng)的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，同時也是協(xié)調(diào)網(wǎng)內(nèi)軟硬件系統(tǒng)實現(xiàn)既定控制目標(biāo)的關(guān)鍵支撐技術(shù)[5]。與此同時，微電網(wǎng)本身具有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靈活、電源類型多樣、控制方式復(fù)雜、運行模態(tài)多的特點，其運行控制更具難度。具體體現(xiàn)為微電網(wǎng)中分布式電源種類豐富，既含有傳統(tǒng)的電機等旋轉(zhuǎn)設(shè)備，又包含新型的光伏蓄電池等直流型設(shè)備；既含有燃?xì)廨啓C等動態(tài)響應(yīng)較慢的原動裝置，也含有快速動作的電力電子裝置。外部環(huán)境的光照、溫度等變量甚至跨越了秒級、分鐘級、小時級等不同的時間尺度，既包括并網(wǎng)、離網(wǎng)運行穩(wěn)態(tài)運行過程，也包括并離網(wǎng)轉(zhuǎn)換、短路故障等暫態(tài)運行過程，因此系統(tǒng)的運行控制需要綜合考慮不同設(shè)備、不同控制目標(biāo)的時間響應(yīng)差異性和相關(guān)性，針對系統(tǒng)運行工況，合理制定運行控制策略。

3) 微電網(wǎng)的能量管理技術(shù)

微電網(wǎng)能量管理的作用是根據(jù)微電網(wǎng)運行監(jiān)控系統(tǒng)中存儲的包括各種微電源出力、負(fù)荷功率、氣象資料在內(nèi)的各種歷史數(shù)據(jù)以及未來一段時間的氣象數(shù)據(jù)和負(fù)荷信息，進行風(fēng)電、光伏出力預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果和優(yōu)化控制目標(biāo)編制風(fēng)機、光伏、負(fù)荷的投切計劃、儲能系統(tǒng)的充放電計劃以及各種設(shè)備的檢修計劃，從而實現(xiàn)微電網(wǎng)實時功率分配和運行優(yōu)化，并通過系統(tǒng)分析提高微電網(wǎng)運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。能量管理可以依據(jù)市場信息、負(fù)荷需求、分布式電源或儲能的運行約束、可再生資源狀況等條件，通過對分布式電源、儲能單元、負(fù)荷等的優(yōu)化調(diào)度或協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟、環(huán)保、可靠運行。

4) 直流及交直流混合微電網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)

直流微電網(wǎng)的特性是系統(tǒng)中的分布式電源、儲能裝置、負(fù)荷等均連接至直流母線，直流網(wǎng)絡(luò)再通過電力電子逆變裝置連接至外部交流電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式[6]。直流微電網(wǎng)通過電力電子變換裝置可以向不同電壓等級的交流、直流負(fù)載提供電能，分布式電源和負(fù)荷的波動可由儲能裝置在直流側(cè)調(diào)節(jié)。

目前交流微電網(wǎng)仍然是微電網(wǎng)的主要形式。在交流微電網(wǎng)中，分布式電源、儲能裝置等均通過電力電子裝置連接至交流母線，通過對 PCC處開關(guān)的控制，可實現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)運行與孤島運行的切換。

交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在這類微電網(wǎng)中既含有交流母線又含有直流母線，既可以直接向交流負(fù)荷供電又可以直流向直流負(fù)荷供電。

圖1 典型交直流混合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Hybrid AC/DC micro-grid structure

5) 微電網(wǎng)群的運行管理技術(shù)

微電網(wǎng)群是微電網(wǎng)、多微電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展到一定階段形成的產(chǎn)物。多個微電網(wǎng)通過微電網(wǎng)公共連接點接入電網(wǎng)。各微電網(wǎng)之間可以實現(xiàn)一定程度的能量互濟與合作運營。微電網(wǎng)群結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 微網(wǎng)群結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure of micro-grid group

微網(wǎng)群控制系統(tǒng)按功能可劃分為三層。

第一層是單元層，包括風(fēng)力、光伏、儲能和負(fù)荷測控終端。風(fēng)力、光伏電源/儲能的測控終端完成分布式電源/儲能對頻率和電壓的一次調(diào)節(jié)；負(fù)荷測控終端根據(jù)電網(wǎng)的要求，按優(yōu)先級和容量匹配原則切除負(fù)荷，同時監(jiān)控負(fù)荷功率變化及開斷情況，保證系統(tǒng)安全運行。

第二層是微電網(wǎng)層，包括微電網(wǎng)控制器和微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)在風(fēng)力、光伏、負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)上，完成微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源/儲能的發(fā)電計劃制定，并將發(fā)電計劃下發(fā)到微電網(wǎng)控制器。微電網(wǎng)控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)下達(dá)的發(fā)電計劃，實現(xiàn)離并網(wǎng)平滑切換、分布式電源控制、儲能控制、分級負(fù)荷控制、微電網(wǎng)的電壓、頻率控制等功能。

第三層是微網(wǎng)群層，包括微網(wǎng)群控制器和微網(wǎng)群能量管理系統(tǒng)。微網(wǎng)群能量管理系統(tǒng)在群內(nèi)風(fēng)力、光伏、負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)上，完成微網(wǎng)群內(nèi)的微電網(wǎng)發(fā)電計劃制定，并將計劃下發(fā)到微網(wǎng)群控制器。微網(wǎng)群控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行微網(wǎng)群能量管理系統(tǒng)下達(dá)的發(fā)電計劃，按群目標(biāo)制定控制方法，實現(xiàn)微網(wǎng)群的離并網(wǎng)切換，微電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線功率控制。為了維持微網(wǎng)群內(nèi)電壓頻率穩(wěn)定，在單元層、網(wǎng)控層及群控層分層實施電壓、頻率調(diào)整，各層采用不同的時間尺度，保證功率平衡并維持電壓、頻率在允許的范圍內(nèi)。

1.3 微電網(wǎng)運行控制架構(gòu)

微電網(wǎng)系統(tǒng)中含有大量不穩(wěn)定的分布式電源，系統(tǒng)的高效、可靠運行控制難度較高。與傳統(tǒng)的變電站監(jiān)控相比，微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)除了常規(guī)的監(jiān)視和控制外，微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)需要考慮整個微電網(wǎng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性。

在控制方面，微電網(wǎng)內(nèi)光伏、風(fēng)機等分布式電源出力具有隨機性和波動性，而且使用大量電力電子裝置的逆變電源不具有大電網(wǎng)的電源自同步性和慣性，微電網(wǎng)中負(fù)荷波動對系統(tǒng)電壓頻率影響更大、變化更快，而大電網(wǎng)中負(fù)荷波動相對沖擊小。因此整個微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)需要考慮到微電網(wǎng)的快速穩(wěn)定控制。

在監(jiān)視方面，系統(tǒng)信息量大。由于微電網(wǎng)中使用儲能，儲能管理單元 BMS需要大量上傳電池信息(單體電池電壓、端電壓、充放電電流、SOC、模塊箱溫度、蓄電池相關(guān)充放電控制參數(shù)、告警信息等必要信息)至監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)目前項目實施的結(jié)果來看，儲能管理單元 BMS通信信息量大，有龐大的信息點進入監(jiān)控數(shù)據(jù)庫處理。

在保護方面，獨立供電系統(tǒng)相對于大電網(wǎng)而言，缺乏大容量的電源作為系統(tǒng)頻率電壓的有力支撐，因此在主網(wǎng)任一點發(fā)生故障，都可能引起全網(wǎng)系統(tǒng)電壓下降，如果不能及時切除故障，將可能擴大故障范圍，引起連鎖反應(yīng)，甚至造成主網(wǎng)電壓崩潰的嚴(yán)重后果。

因此微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計既需要處理大容量的信息接入，又要保證緊急情況控制和保護的快速性。

基于以上原因，國內(nèi)微電網(wǎng)項目的運行控制構(gòu)架中一些廠家和科研院所提出了監(jiān)視網(wǎng)和控制網(wǎng)分離的微電網(wǎng)三層兩網(wǎng)的自動化與保護系統(tǒng)架構(gòu)。整個系統(tǒng)架構(gòu)基于 IEC61850 的通訊體系，三層是指：優(yōu)化控制與監(jiān)視層、協(xié)調(diào)控制與保護層、就地控制與保護層。兩網(wǎng)是指：監(jiān)視采用MMS網(wǎng)，中央控制與區(qū)域保護采用 GOOSE+SV 網(wǎng)。兩者分開組網(wǎng)，既保證控制信息的快速性又保證監(jiān)視信息的全面性。

優(yōu)化控制與監(jiān)視層具備傳統(tǒng) SCADA 以及系統(tǒng)經(jīng)濟運行功能，根據(jù)系統(tǒng)的預(yù)測與運行信息，做出系統(tǒng)決策。優(yōu)化控制與監(jiān)視層通過監(jiān)視網(wǎng) IEC61850 MMS與各層設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，保證監(jiān)控數(shù)據(jù)的完整性。

協(xié)調(diào)控制與保護層進行微電網(wǎng)的區(qū)域保護以及整個微電網(wǎng)的快速穩(wěn)定控制。協(xié)調(diào)控制與保護層的中央控制器通過控制網(wǎng) IEC61850 GOOSE 與就地控制設(shè)備交互必要的可定制的 GOOSE 信息，減少冗余信息在控制網(wǎng)的傳輸，保證數(shù)據(jù)獲取和控制的快速性。協(xié)調(diào)控制與保護層的微電網(wǎng)區(qū)域保護裝置通過 SV 與就地保護裝置交互，獲取全網(wǎng)的電壓電流及狀態(tài)信息，通過 GOOSE 協(xié)議將命令下發(fā)到終端，實現(xiàn)微電網(wǎng)的快速保護。

就地控制與保護層實現(xiàn)就地微源的測量與控制，以及微電網(wǎng)的后備保護。

2 柔性配電網(wǎng)

柔性配電網(wǎng)是使用先進電力電子技術(shù)，對傳統(tǒng)配電網(wǎng)進行升級改造的產(chǎn)物。利用電力電子裝置控制對象多樣、控制速度快、調(diào)節(jié)能力強的特點，改變原有配電網(wǎng)系統(tǒng)的潮流與無功分布狀態(tài)等運行參數(shù)，有效的提升配電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性、可控性和運行潛力。

2.1 柔性配電網(wǎng)關(guān)鍵電力電子設(shè)備

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力電子裝備技術(shù)日趨成熟，并在工業(yè)中大量應(yīng)用?；谂潆娋W(wǎng)運行的基本要求，三種電力電子裝備可以在配電網(wǎng)中能夠起到顯著地作用，具有極大的應(yīng)用前景。

1) ACDC(ACAC)換流器

ACDC或ACAC換流器指通過電力電子變換裝置，實現(xiàn)交流到直流或交流到交流之間能量轉(zhuǎn)化的設(shè)備。通常ACAC換流器由兩種背靠背連接ACDC換流器拼接構(gòu)成，目前主流采用的ACDC換流器為VSC 形式(電壓源型換流器)。通過 ACDC 換流器，可實現(xiàn)多個配電饋線之間的連接與協(xié)調(diào)控制。

ACDC換流器具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇，包括兩電平結(jié)構(gòu)、二極管鉗位式三電平結(jié)構(gòu)、模塊化多電平 MMC 結(jié)構(gòu)(Modular Multi-level Converter)等多種[7]。鑒于中壓配電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓水平，模塊化多電平MMC結(jié)構(gòu)是應(yīng)用較為恰當(dāng)?shù)囊环N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其主電路拓?fù)淙鐖D3所示，通過子模塊的投切狀態(tài)組合形成所需的輸出電壓，具有結(jié)構(gòu)簡單、器件要求低等特點。綜合考慮經(jīng)濟成本，技術(shù)難度及系統(tǒng)特性等，柔性直流配電工程可采用 MMC 與 VSC 共存的混合式多端換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]。

圖3 MMC 拓?fù)銯ig. 3 MMC topology

2) DCDC 換流器

DCDC換流器指通過電力電子變換裝置，實現(xiàn)不同電壓等級間能量傳遞的設(shè)備。

DCDC換流器可分為輸入輸出不隔離型與隔離型兩種。前者以 BUCK、BOOST等變換電路為主，結(jié)構(gòu)簡單、控制穩(wěn)定，但限于電壓變比、功率等級等因素，僅適用于低壓配電網(wǎng)，無法在中壓配電網(wǎng)中使用。后者主要指電力電子變壓器，其基本電路是，直流電壓經(jīng)逆變電路斬波后成為高頻方波，再經(jīng)高頻變壓器轉(zhuǎn)換為電壓較低的高頻方波，最后由整流電路轉(zhuǎn)換符合電壓要求的直流能量。依據(jù)容量與電壓的要求，電力電子變壓器原副邊可進行串并聯(lián)的獨立設(shè)計。此外，直流變壓器還有推挽、正激、半橋等多種新式。電力電子變壓器可實現(xiàn)輸入、輸出間的電氣隔離，并能實現(xiàn)高變比變換，在中壓配電網(wǎng)中有較大的應(yīng)用潛力。

3) 直流斷路器

相比于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)，柔性配電網(wǎng)中的電力電子裝置構(gòu)建了直流電網(wǎng)，分布式電源與直流負(fù)荷直接接入直流電網(wǎng)，帶來了應(yīng)用的便利性和效率的提升。但是如何解決直流故障分?jǐn)嗯c故障隔離，又帶來的新的問題。

直流斷路器分為機械式、固態(tài)式和混合式三種。機械式直流斷路器可以關(guān)斷非常大的電流，并具有成本低、損耗小的優(yōu)點，但其開斷速度慢，不能滿足電力電子設(shè)備快速保護的要求[9-10]。固態(tài)直流斷路器開斷速度迅速，但其開關(guān)損耗較高，且價格昂貴[11]。為克服兩者的缺點，通過將機械式直流斷路器和固態(tài)直流斷路器集成在一個裝置上，從而形成混合式斷路器?；旌鲜街绷鲾嗦菲鹘Y(jié)合了機械開關(guān)良好的靜態(tài)特性與電力電子器件良好的動態(tài)性能，用快速機械開關(guān)來導(dǎo)通正常運行電流，用固態(tài)電力電子器件來分?jǐn)喽搪冯娏鳎哂型☉B(tài)損耗小、開斷時間短、無需專用冷卻設(shè)備等優(yōu)點，是目前中高壓直流斷路器研發(fā)的新方向，有著廣闊的應(yīng)用前景[12]。

2.2 柔性配電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

在常規(guī)交流配電網(wǎng)中，以斷路器、隔離開關(guān)等元件實現(xiàn)配網(wǎng)饋線間的聯(lián)絡(luò)，通過切換開關(guān)元件的通斷狀態(tài)改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，進而調(diào)整潮流的分布。這種非0即1的調(diào)整方式，拓?fù)涓淖兒笙到y(tǒng)的潮流分配仍然為自然分配，調(diào)整靈活度有限。

采用電力電子裝置作為饋線聯(lián)絡(luò)開關(guān)或稱之為軟開關(guān)點(Soft Open Point，SOP)，構(gòu)建柔性配電網(wǎng)后，可以精準(zhǔn)而快速的調(diào)整饋線間的功率流動，從而有效控制網(wǎng)絡(luò)潮流分布，實現(xiàn)多種系統(tǒng)控制目標(biāo)[13]。

1) 提升分布式電源接入能力

分布式新能源，尤其是分布式光伏越來越多的應(yīng)用到實踐當(dāng)中，代表著新能源應(yīng)用的未來。很多研究表明，分布式光伏發(fā)電裝置接入配電網(wǎng)后，將使得接入點及相關(guān)局部線路的電壓升高，產(chǎn)生配電網(wǎng)中局部電壓越限的問題。其電壓提升幅度與線路參數(shù)、用戶負(fù)荷大小、光伏發(fā)電出力及其接入位置密切相關(guān)。由于這些約束條件變化頻繁，對此問題的治理變得很復(fù)雜，由此將極大限制分布式新能源滲透率的提升。這一問題的本質(zhì)是新能源與就地負(fù)荷的不匹配造成的，通過加入 SOP電力電子接口裝置，可有效調(diào)整各饋線間及接入點分段母線間的潮流分布，進而避免電壓越限問題出現(xiàn)，提升分布式電源的滲透率，為分布式光伏的廣泛應(yīng)用帶來可能。

圖4展示的相關(guān)仿真結(jié)果，證明了如上的論述，通過加裝 SOP 裝置，可將范例的配網(wǎng)分布式能源接入滲透率從 27%提升至 76%。

2) 提升分布式電源接入能力

智能配電網(wǎng)負(fù)荷類型豐富，時間、空間分布呈現(xiàn)動態(tài)不平衡特性，不同饋線間的潮流可能出現(xiàn)極大的差異。如圖5 所示系統(tǒng)，兩段饋線 A/B 間，負(fù)荷差異達(dá)到 50%以上，如無相關(guān)調(diào)節(jié)措施，差異性將始終存在，在總體中壓系統(tǒng)配電容量充足的情況下，造成局部饋線過載，被迫進行設(shè)備升級改造，或過載運行，帶來運行風(fēng)險。

圖4 采用 SOP 裝置仿真結(jié)果Fig. 4 Simulation result by using SOP device

圖5 利用 SOP 平衡線間負(fù)荷仿真結(jié)果Fig. 5 Simulation result by using SOP to balance load

圖5 比較了饋線間無開關(guān)、有傳統(tǒng)開關(guān)并閉合、接入 SOP 開關(guān)三種情況下兩條饋線的負(fù)荷情況。通過傳統(tǒng)母聯(lián)開關(guān)的方式，可以一定程度上解決饋線過載問題，但只能部分解決問題，饋線間的不平衡依然存在。通過加裝電力電子接口 SOP裝置，可以完全平衡饋線間的負(fù)荷，將運行過載風(fēng)險降到最低，將配電設(shè)備利用率提到最高。

3) 降低配網(wǎng)運行損耗

現(xiàn)代電網(wǎng)的負(fù)荷越來越復(fù)雜，動態(tài)波動性越來越強，同時大量分布式新能源的接入，造成潮流變換越來越復(fù)雜，分布不均勻性難以預(yù)測與控制，網(wǎng)損問題會日益突出。通過在關(guān)鍵節(jié)點加裝 SOP 裝置，以潮流分布優(yōu)化、減小流動路徑為目標(biāo)，可以動態(tài)調(diào)節(jié)饋線間的潮流分布，極大降低饋線上的損耗，即使考慮SOP的自身損耗，其綜合效率，在很多工況下仍然是具有應(yīng)用價值的。

圖6展示了一個典型配網(wǎng)，負(fù)荷中包含分布式電源發(fā)電，通過 SOP 裝置，將放射性電網(wǎng)改變?yōu)槎嘀剡B接的環(huán)網(wǎng)，各段饋線的潮流均可控，在很多工況下系統(tǒng)總體損耗有明顯降低。表1給出了一個典型運行工況下的系統(tǒng)整體損耗，加裝SOP后，整體損耗明顯降低。

圖6 配網(wǎng)仿真模型Fig. 6 Simulation model of distribution system

表1 采用 SOP 后配網(wǎng)損耗Table 1 Loss of using SOP

4) 緊急情況供電

配電網(wǎng)工況復(fù)雜，故障發(fā)生頻繁。通過常規(guī)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，在故障清除后，可以重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，恢復(fù)供電.但是由于機械式開關(guān)的開合時間，必然存在短時停電的情況。

通過加裝 SOP 裝置，可以在配網(wǎng)部分饋線發(fā)生故障后，更為快速的恢復(fù)饋線供電，在配合快速開關(guān)(如電子開關(guān))的情況下，甚至可以實現(xiàn)不間斷供電。當(dāng)然這項功能的實現(xiàn)，需要的設(shè)備容量與成本較高，但對于部分核心關(guān)鍵負(fù)荷，是具有實際應(yīng)用意義的。

5) 配網(wǎng)供電電能質(zhì)量的提升

除了有功潮流調(diào)度能力，電力電子接口 SOP 裝備具有諸多附加功能，如通過無功控制改善系統(tǒng)中的無功容量缺口，提升電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓水平與暫態(tài)電壓穩(wěn)定能力等。

3 結(jié)語

本文通過對當(dāng)前配網(wǎng)發(fā)電、輸電、用電情況的分析，指出配網(wǎng)的設(shè)計、調(diào)度與應(yīng)用面臨新的挑戰(zhàn)，通過建設(shè)智能微網(wǎng)與柔性配網(wǎng)，可有效的解決配網(wǎng)面臨的問題。本文完整的介紹了智能微網(wǎng)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，并對其應(yīng)用場景和應(yīng)用模式進行了討論。對柔性配網(wǎng)的構(gòu)成基礎(chǔ)-電力電子變流器設(shè)備進行了介紹，分析了不同設(shè)備的應(yīng)用特點。依據(jù)柔性配電網(wǎng)的特點與優(yōu)勢，就其對傳統(tǒng)配電網(wǎng)的功能提升進行了重點討論。相關(guān)仿真及計算結(jié)果表明，柔性配電技術(shù)將極大的提升傳統(tǒng)配電系統(tǒng)的供電可靠性、電能質(zhì)量、分布式能源接入能力、電網(wǎng)資產(chǎn)利用率等關(guān)鍵指標(biāo)。綜上分析，智能微網(wǎng)與柔性配電技術(shù)將極大地提升配網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)水平，有助于配網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。

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(編輯 葛艷娜)

Discussion on the technology of intelligent micro-grid and flexible distribution system

QIN Hongxia1, WANG Chengshan2, LIU Shu1, LIU Yun1
(1. Beijing Sifang Automation Co., Ltd., Beijing 100085, China; 2. School of Electrical Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Through the analysis of the development trend of modern distribution system, it is pointed out that the smart micro-grid technology and flexible distribution system technology are an effective means to upgrade the distribution system technology. The operation mode, main application technology and operation control framework of intelligent micro-grid are summarized, and the development of the main technology in this field is analyzed. The concept of flexible distribution system is introduced, and the flexible distribution system in key power electronic equipment, technical route and its application field are discussed. The flexible distribution system technology to improve the existing distribution system operation mode is analyzed, and its application value is discussed.

smart grid; flexible distribution system; soft open point

10.7667/PSPC201663

2016-06-20

秦紅霞(1971-)，女，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動化，繼電保護、安全穩(wěn)定控制等領(lǐng)域的研究工作；E-mail: qinhx@sf-auto.com

王成山(1962-)，男，教授，主要從事電力系統(tǒng)安全性分析、城市電力系統(tǒng)規(guī)劃、分布式發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究工作；

劉 樹(1981-)，男，高級工程師，主要從事電力電子技術(shù)、柔性輸配電技術(shù)、微網(wǎng)技術(shù)等領(lǐng)域的研究工作。