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能源互联网环境下交直流混合配电系统关键技术

2018-09-19

  引言

  伴随经济社会发展和资源环境约束的矛盾日益突出,传统以化石能源为主的能源供给和消费方式已经不能适应当前经济社会发展需要,大力发展可再生能源替代化石能源、降低碳排放,实现“能源转型”已经成为共识[1-3]。

  为适应“能源转型”发展需求,电力系统的物理形态呈现出如下变化趋势:在电源侧,传统火力发电比例将逐渐减少,太阳能、风能等可再生能源发电比例将逐步提高;在负荷侧,用能优化及需求响应的能力水平进一步提升,柔性负荷和主动负荷接入比例大幅增加;在电网侧,网络结构更加坚强,电源及负荷接入更加便捷,系统运行控制更加灵活,未来电网将发展成为综合多元能源、满足供需互动的多样化平台[4-6]。

  伴随能源转型和电力系统物理形态变化,“能源互联网”概念应运而生。能源互联网是指以电力为核心,以智能电网为基础,以接入可再生能源为主,采用先进信息和通信技术及电力电子技术,通过分布式动态能量管理系统对分布式能源设备实施广域优化协调控制,实现冷、热、气、水、电等多种能源互补,提高用能效率的智慧能源管控系统,是智能电网的丰富和发展[7]。中国的能源互联网发展按照技术成熟度,以分布式能源、微电网、需求侧管理、储能和提高能效为切入点,并采用先进信息和通信技术,融合数字模型、技术标准、通信协议,实现电力网、热力网、天然气管网、交通网的智能互联[8-10]。

  为满足能源互联网发展需求,配电网将成为可再生能源消纳的支撑平台、多元海量信息集成的数据平台、多利益主体参与的交易平台以及电气化交通发展的支撑与服务平台,承载着电力流、能量流、信息流的传输与交互。随着电力电子技术发展和进步,为适应能源互联网技术发展需求,直流配电技术凭借其输送能力强、可靠性高等优点已成为当前能源互联网背景下配电系统研究的热点。在直流配电电压等级方面已形成相关标准[11-12],主要规范现有直流配电电压等级的优选值和备选值。另外,在网架结构、接线方式、关键设备、运行控制及保护等方面已开展了相关的研究工作[13-15]。

  随着基于电力电子技术的柔性互联项目在配电系统中各电压等级的试点示范广泛应用,配电系统正在从传统交流系统向交直流混合的智能柔性配电系统演化。柔性配电网络有利于配电网满足各类型分布式电源、储能、柔性负荷的灵活接入和高效运行。同时,柔性互联也使得直流配电网更好地与交流配电网混合运行,配电网络结构将从传统放射型转变为多端闭合互联网络,并进一步向多层、多级、多环的复杂网络方向发展,进而呈现出多元融合与多态混合的新形态[16-20]。

  本文在分析能源互联网基本特性及发展形态的基础上,结合能源互联网发展需求分析交直流混合配电网对提升系统效能的主要技术优势,研究交直流混合配电技术的主要应用场景及其技术特点,重点介绍交直流混合配电网规划设计、关键设备、保护策略、运行控制等方面的关键技术。

  1 交直流配电技术在能源互联网中应用

  目前,各国能源互联网的基本形态均包含交、直流两类母线,交流母线主要满足各类交流负荷用电需求,直流母线接入分布式电源、储能、直流负荷、各类变频类负荷等[21-25]。为实现潮流双向可控,避免电磁环网问题,各个区域电网之间可通过柔性直流技术进行互联。交直流混合配电网的应用可在如下方面满足能源互联网发展需求。

  1.1 节省一次设备投资

  传统交流电网中,在负荷为Plmax的区域内,为满足负荷转供需求,根据DL/T 5729—2016《配电网规划设计技术导则》中规定,高压配电网容载比一般为1.8~2.2,其主变容量选择应为1.8Plmax~2.2Plmax,主变台数n一般应满足如下要求。

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  式中:M为单台主变容量。

  采用柔性直流技术实现不同交流分区互联后,在满足主变N-1条件下,区域内高压配电站主变配置台数n1应满足如下要求。

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  对比式(1)和(2)可知,通过控制各分区间的功率潮流,可大大提升设备利用率,减少区域内一次交流设备的配置容量。

  1.2 减少变压器损耗

  变压器损耗是配电网运行过程中电能损耗的主要来源之一,主要由空载损耗和负载损耗。空载损耗与负载大小无关,一般随变压器的容量增大而增大;负载损耗是与负荷大小有关的可变损耗,随负荷的增大而增大[26]。变压器运行过程中存在最佳负载率,直流互联方案虽然增大了变压器的平均负载率,使一台变压器的负载损耗增加,但通过柔性互联方案可节省约一半变压器空载损耗。总体而言,互联方案有利于减少变压器总体损耗。

  1.3 减少无功补偿设备

  柔直换流站自身可提供无功功率,因此110 kV变电站无需增设无功补偿设备,《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》(国家电网生〔2004〕435号)规定,110 kV变电站的单台主变压器容量为40 MV˙A及以上时,每台主变压器应配置不少于两组的容性无功补偿装置。一般情况下,一组容性补偿装置的容量为6 MV˙A或3 MV˙A。因此,50 MV˙A主变容性补偿容量最少需要两组6 MV˙A的并联电容器,采用互联方案后可以节省主变无功补偿设备的投资。

  1.4 提升系统运行效率

  常见的分布式电源主要有光伏发电、燃料电池和风力发电等,其中光伏发电和燃料电池产生的电能为直流电,通常需要DC/DC和DC/AC两级变换才能并入传统的交流电网;风力发电虽然以交流形式产生电能,但由于风能的间歇性和不确定性,其出力并不稳定,需要通过AC/DC和DC/AC两级变换才能接入交流配电网。电动汽车本身采用直流电驱动,需要通过DC/AC接入交流电网。将这些电源或负荷直接接入直流配电网,可以省去换流环节,降低系统运行损耗,提高能源的转换效率。另外,电能存储装置通过双向斩波器接入直流配电网,结合先进的控制算法可以保证用户在短时间停电时的供电连续性,并起到平抑电网波动的作用。

  1.5 提升系统供电能力

  相同电压等级的直流配电网相对交流配电网而言,其输送容量提升10%~20%,输送距离最大可提升至5倍[27]。由多个可控电源端、可控负荷端、不可控负荷端通过电力线路组成的交直流配电系统是一种可控型复杂网络,其关键设备以全控型半导体器件为基础,易于实现多端、多源的协调控制,能够克服交流配电网闭环运行困难的缺点,具有功率双向可控、快速响应等优良特性。

  1.6 便于各类电源及负荷灵活接入

  在交流配电网中,大容量的风电、太阳能等分布式电源接入后,由于其有功、无功功率可能随机大幅度波动,会引起局部电压的波动,为保证供电质量,必须严格限制其占电源总容量的比例。而直流配电系统可以快速独立地控制有功、无功,保持供电电压恒定,能实现分布式能源的高密度接入和充分利用,在保证供电质量情况下,通过灵活地实现潮流反转,达到稳定交直流电压、平衡系统有功输送、补偿交流无功功率、提高安全稳定运行水平的目的。

  1.7 提高系统供电可靠性

  传统交流配电网,故障发生后,先停电隔离故障,再恢复送电。而故障判别、故障隔离和负荷转供所需时间相对较长,导致供电可靠性不高。而直流系统可合环运行,便于将单电源供电的放射状配电网络变为多电源供电,提高供电可靠性。同时快速的故障定位、故障隔离控制和保护的互相配合,可以实现单一交、直流线路故障后,用户不停电。

  1.8 满足敏感负荷的高质量供电需求

  交流配电网存在多种类型的电能质量问题,如电压波动、电压善变、频率变化、谐波等,均可能对用户产品质量造成较大影响,且治理方法非常复杂。直流配电网中的电能质量主要是电压波动问题。只要解决并联直流电源、负荷之间的协同电压稳定问题,采用高功率储能单元平抑直流网络功率波动的控制方法,可从根本上有效提高直流配电网的高电能质量运行水平。

  2 交直流混合配电系统的主要关键技术

  2.1 规划设计方面

  目前,直流配电技术相关研究尚处于起步阶段,目前规划设计相关研究主要集中在电压等级、网架结构、综合评价等方面[13,28-29]。GB/T 156—2007和IEC60038-2009中对直流电压等级的规定较为一致,明确了直流牵引系统直流电压等级主要有0.75 kV、1.5 kV和3 kV;行业标准YD 5210—2011中规定240 V为中国通信行业标准电压等级;IEEE std 1709–2010中规定船舶用直流电压等级有1.5 kV和±0.75 kV;GB/T 20234—2011中规定电动汽车直流充电接口额定电压为750 V。文献[11]中明确了直流配电的电压等级和传输容量。文献[12]中规定了中低压直流配电应遵循的电压等级和电压偏差。

  有关中压直流配电网典型结构的研究尚处于起步阶段,目前中压直流配电网的典型网络架构包括辐射型、两端型或环型[13]。

  辐射型或树型,是配电网中最基本的拓扑结构,每个负载只能通过一条路径从电源处获得电能。辐射型结构简单,是电网发展初期或者过渡期的一种供电方式。两端供电结构也称“手拉手”结构,通过两路电源可同时为负荷供电,可以闭环运行,也可以一路供电,另一路作为热备用,系统可靠性较高,且可实现不同交流分区间的潮流控制。环型拓扑一般含有多条直流线路和直流母线,方便分布式电源和储能设备接入任意直流母线。环状直流电网有多路电源,有效提高配网的供电可靠性,但其缺点是系统投资较大,保护配置复杂。

  随着能源互联网技术的不断发展,各类分布式电源、多元化负荷接入对配电网造成的压力不断增加,交直流混合配电系统凭借其技术优势可适用多类场景,针对不同类型应用场景中的电源和负荷的分布特性进行分析,结合辐射式、双端式、环式等不同类型典型直流配电网架结构在源荷接入、可靠性等方面的差异,提出交直流混合配电网典型拓扑结构,并结合应用场景需求,明确其主要接线形式也是交直流混合配电技术发展的一项重要内容。综合分析最大负荷需求、负荷同时性、投资运行经济性、智能化和配用互动等因素,研究直流配电系统中换流站、直流变压器、直流断路器、通信、保护、监测等一二次设备配置方法也是当前亟待解决的关键性问题。考虑不同典型应用场景特点研究电压序列、拓扑结构、设施设备、电源接入及用户接入等交直流配电典型单元模块,通过对上述模块的优化组合最终形成交直流配电网典型供电模式,对于推广交直流混合配电技术规范化应用具有重要意义。

  另外,交直流混合配电网典型设计方案需在典型性与覆盖面的广泛性之间找到平衡点,因此要考虑设计的模块化,即不同的模块可以组合成多样化的、满足各种应用场景的交直流混合配电网设计方案,简化交直流配电网工程的设计和管理。在设计方面需要开展的关键技术研究包括:在分析直流配电设施运行特点与功能定位的基础上,提出适应多元化电源、负荷等设施接入的交直流配电系统的典型设施功能与参数指标体系;开展交直流配电网关键设施的设计技术原则与方法研究,明确关键设施的典型电气接线、一次、二次设备典型配置、参数和功能要求;提出关键设施典型设计模块和方案设计的基本远景及方法,明确直流配电网关键设施及多元化电源、负荷接口典型设计方案。

  2.2 关键设备方面

  当前,针对直流配电关键设备的研究主要集中在基于电力电子技术的不同电压等级换流器、直流变压器和中高压直流短路器及其相关控制策略方面[30-34]。目前,工程中常用的电压源型换流器(VSC)主要包括两电平换流器、三电平换流器和模块化多电平(MMC)[35-37]。两电平换流器和三电平换流器优点在于工作原理简单,控制系统构造简单,但两电平换流器和三电平换流器均需要大量的开关器件直接串联,投资较大。另外由于采用PWM调制技术,系统损耗相对较高,且输出电压中纹波含量较高。在直流变压器方面,其主要拓扑包括谐振式高压直流变压器、Buck_Buck/Boost直流变压器、谐振开关电容直流变压器、输入串联输出并联直流变压器、MMC型直流变压器等类型,但尚无适应多场景并具备故障穿越能力的兆瓦级中压直流变压器工程化应用。中压直流断路器方面,主要包括机械式、全固态和混合式等3类,国内相关厂家已开发了开断能力大于10 kA的10 kV混合式直流断路器样机,但成本较高、额定通流损耗严重。部分科研单位开发了开断能力大于15 kA的10 kV机械式直流断路器样机,但存在断口绝缘恢复差、小电流开断困难等问题。

  为满足能源互联网发展需求,高效消纳光伏、风电等分布式可再生能源,实现集中式或分布式能源生产、消耗、转换等单元互联,开发低成本、高性能的直流配用电关键装备成为当前的关键性技术问题。在电源接入侧,以各类能源及储能接入需求为出发点,重点研发具备高可靠性、高效率、高稳定性的电源侧电力电子接口设备及其分层控制策略。在电网侧,重点研究换流阀强弱电紧凑化布局和大电流应力下的优化方法,提出AC/DC换流阀的高可靠设计方案,提出分层分布式控制架构与分区保护架构,实现换流器的可靠保护;采用磁集成技术减小变压器体积和能耗,建立兆瓦级中压直流变压器拓扑优化方案,提出功率快速精准控制策略及故障穿越方法。在用电侧,通过研究宽禁带器件应用技术、多谐振软开关功率变换拓扑和低压高频磁路集成方法,解决变换器拓扑复杂、功率密度较低、一致性较差等问题,同时,整合典型家用电器的电路构架,提出直流化智能化改造方法,实现家用电器能效整体提升。另外,目前快速直流开关主要有机械式和混合式2种。针对机械式开关存在断口绝缘恢复差、开断小电流困难等问题以及混合式开关存在成本高、额定通流损耗高等问题,提出各电压等级直流快速开断方案及拓扑结构,开发高性能、低成本的中低压直流断路器成为目前一项亟待解决的关键性技术问题。

  2.3 保护策略方面

  交直流配电网的安全稳定运行需要完备可靠的保护策略,目前针对该方面的研究主要集中在各类故障对继电保护的影响分析、故障特性分析、保护策略制定等方面[38-41]。部分高校已开展直流配电系统的故障特征与原理分析,提出了多端柔性直流配电网保护方案及限流方法。部分厂商研发了针对换流阀、直流变压器等直流设备的保护装置,但缺乏系统级的保护技术研究及工程应用。

  直流配电系统的故障根据各类设备和系统结构的不同,可分为交流侧故障、换流器故障、直流侧故障三大类。交流侧故障主要指并网变流器与交流电网之间交流母线上的故障以及变压器故障,以线路短路故障为主;变换器故障主要有阀短路、桥臂短路、变换器交流或直流侧出口短路、脉冲触发系统故障、冷却系统故障等;直流侧故障主要指直流母线故障和直流线路故障,包括接地故障、极间故障及断线故障,另外还存在绝缘水平下降、低电压或过电压等不正常运行方式。

  交直流混合配电系统电源类型多、故障类型复杂,多类型换流站和储能的控制策略、分布式电源功率波动对于故障暂态特性影响大,系统运行方式改变后保护原理和定值难以适应,电力电子设备耐受过电压、过电流的能力差,系统直流短路阻抗小,故障对直流母线电压波动影响大。因此,应重点研究分布式电源并网变压器、换流阀等在不同控制方式下的多电压等级直流配用电系统的故障机理;研究多电压等级直流配用电系统在不同拓扑结构下的故障特征。进一步研究基于多点信息的直流配电系统故障快速识别与定位方法,提出多电压等级直流配电系统保护配置方案,并结合相关需求研制直流配电系统保护、测量、控制一体化系列装置及直流用电系统漏电保护装置。

  2.4 运行控制方面

  交直流混合配电系统的电源主要包括交流配电网和太阳能、风电等多种分布式电源,负荷包括常规交、直流负荷以及储能设备、电动汽车充电站等双向可控负荷。运行控制的基本要求是通过对各类设备的主动控制,实现分布式能源的充分利用以及电源与负荷的高效、动态匹配。目前,直流配电网的电压控制方面的研究主要包括主从控制方式、电压下垂控制方式和电压裕度控制等[42-44],主要集中在含分布式电源的直流配电网优化调度、典型运行方式及切换方法、分层控制协调控制策略等方面[45-49]。相关高校等单位围绕含多换流器的低压直流系统控制架构、稳定控制方法展开研究,但系统结构较为简单,时间尺度短,源荷类型单一。

  为推动交直流配电技术发展应用,在运行控制方面尚需开展深入研究。重点研究多换流器并网及多电压等级直流配电系统状态精确划分方法,构建多重状态转换模型。建立多电压等级直流配电系统分层控制架构,研究中压直流配电网多换流器并网分散协调控制策略,分析基于惯性环节的低压区域子网电压稳定控制方法,提出区域子网多换流器间环流抑制方法。结合分布式电源及负荷预测结果,研究基于状态估计的系统网络重构方法,构建直流源荷匹配的系统滚动优化调度模型,提出满足源荷匹配的直流配电系统能量优化控制方法。

  3 结论

  为满足能源互联网智能化发展需求,未来配电网将呈现出交直流混合的形态。交直流混合配电网的应用对于减少一次设备投资、降低配电网损耗、减少无功补偿设备、提升系统运行效率具有重要意义。本文重点针对交直流混合配电网发展的关键技术研究现状及相关技术需求开展分析。交直流混合配电系统应尽快细化典型应用场景划分原则和电压序列选取原则,并进一步明确涵盖典型网架、接线方式、一二次设备配置等方面的典型供电模式;加快研制快速开关设备、兆瓦级直流变压器以及低压直流用电高效高功率密度多输出电能变换设备;提出满足分布式电源及各类负荷灵活接入的优化运行方式及分压分层控制方法;明确直流混合配电网的故障识别方法、故障穿越及快速恢复方法、典型保护配置方案;根据实际工程需要提出交直流混合配电网关键设施及多元化电源、负荷接口典型设计方案。