柔性互联新型配电系统研究现状及发展探索

胡成奕，严方彬，谢琉欣

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

构建以新能源为主体的新型电力系统，是实现“双碳”目标的重要支撑，配电系统则是构建新型电力系统的关键领域［1］。随着分布式电源、储能、新型负荷等分布式资源大规模接入，传统配电网的网架结构和运行调控方式将难以适应新型配电系统的发展要求［2］。因此，相关研究提出了基于电压源换流器（voltage source converter，VSC）的电力电子设备，包括柔性软开关（soft open point，SOP）、柔性环网控制装置（flexible loop network controller，FLNC）、电力电子变压器（power electronic transformers，PET）或固态变压器（solid state transformer，SST）等柔性互联装置（flexible interconnection device，FID），用于应对分布式资源的日益增长以及交直流配电网的柔性互联需求［3］。在网架结构方面，柔性互联装置的广泛应用将促使配电网呈现多层多级互联、清晰网格化的网架结构，具备局域自平衡能力，在极端条件下具有应急支撑能力；在运行调控方面，将由源随荷动、集中分级管控向源荷互动、分层分群调控转变，以局域电网聚合控制，形成全景观测、精准控制、主配协同的新型配电系统调度模式；在需求侧响应方面，电力市场用户将通过市场价格信号或激励机制，参与负荷管理，调整用电模式，提高电网运行可靠性，增强电网应急能力。

柔性互动将成为新型配电系统的显著特征［4］。“柔性”明确了新型配电系统的电力电子化、供电方式直流化、潮流控制灵活化的大趋势。“互动”诠释了新型配电系统的内在含义，电力网络需要形成物理开放格局，柔性互联装置接入配电网，一方面为多元化用电需求打通接口，另一方面为能量控制、互联互供、新能源近端远端消纳提供设备级保障。大规模分布式资源的友好并网，既要通过柔性技术构建软隔离屏障，抑制故障和波动越级，又要通过构建标准化的新体系实现新装置、新负荷并网“即插即用”。

本文基于柔性互联装置，探讨了新型配电系统在网架结构、运行调控、需求侧响应等方面的研究现状，并展望了新型配电系统的未来发展方向，为新型电力系统背景下配电系统领域的研究提供一些思路。

1 柔性互联装置

1.1 柔性软开关

SOP 由2 个VSC 组成，具有端口间功率连续调节功能，在正常运行条件下可进行潮流控制、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［5］。图1所示为VSC的3种主要拓扑结构：两电平VSC、三电平VSC、模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC），其中，MMC 由多个结构相同的子模块级联构成，多电平输出减小了输出电压谐波含量和电磁干扰，能够在实现传统两电平VSC 和三电平VSC 功能的同时改善电能质量，且其模块化设计易于扩展和维护，工程应用前景广阔［6］。

图2所示为典型的基于背靠背VSC的SOP互联双馈线配电网。2个VSC位于2条馈线端点之间，通过公共直流母线连接，直流电容器C可用于提供能量缓冲并降低直流侧电压纹波，VSC 通过脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）输出交流电压，再通过串联滤波器抑制交流谐波，并限制短路电流。VSC 可通过控制输出电压幅值和相位角，实现馈线负载平衡、功率损耗降低和电压分布改善［7］。

图2 基于背靠背VSC的SOP互联双馈线配电网Fig.2 SOP interconnected dual-feeder distribution network based on back-to-back VSC

1.2 柔性环网控制装置

虽然通过上述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，并且SOP只能实现双端互联，缺乏灵活性。

FLNC 通过应用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，进而提高设备利用率与可靠性［8］。利用FLNC可实现多条馈线联络，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］。

图3 所示为含四端口柔性环网控制装置的配电网。

图3 含四端口柔性环网控制装置的配电网Fig.3 Distribution network with four-terminal flexible ring network control device

1.3 电力电子变压器

与常规变压器相比，PET 的优势在于可实现原边电流、副边电压以及功率的灵活控制。PET 应用于新型配电系统后可提高电能质量，增强系统稳定性，实现电力市场下的灵活输电与潮流实时控制［10］。

PET 由电力电子变换器、直流母线和高频变压器组成，应用高频变压器可大幅度减小体积和重量，提高变压器的容量和效率［11］。图4所示为典型的三级型电力电子变压器拓扑结构。

图4 三级型电力电子变压器拓扑结构Fig.4 Topological structure of three-stage power electronic transformer

2 网架结构形态

2.1 交直流混联配电网

随着柔性互联装置的规模化应用，交流配电系统正逐步向交直流混合配电系统演变，形成多端柔性互联配电网络。交直流混合柔性互联的新型配电系统将更有利于分布式电源和新型负荷的接入，实现区域间的能量互济，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［12］。

具体而言，交直流混联配电网具有以下优势：

1）减少能量转换，提高能源效率。例如分布式光伏接入交流配电网时通常需要经过DC/DC 和DC/AC转换，并且需要配置适当的储能装置和复杂的控制系统，而当分布式光伏接入交直流混联配电网时，减少了换流环节，不仅能够降低能量转换过程中的损耗，同时能够缩减用电成本，具有良好的经济性。

2）减少传输损耗，增加传输容量。由于直流传输过程中没有磁滞、涡流、集肤效应和电容损耗，因此交直流混联配电网能够降低部分损耗。另外，一种柔性直流低电压治理装置［13］充分利用直流配电降低损耗的原理，解决了农村偏远地区因供电半径过长、线径过细导致的低电压问题。

3）降低改造成本，优化运行方式。在交直流混联配电网中，采用上述柔性互联装置可实现功率交换控制与潮流优化，从而提高新型配电系统中分布式电源的控制灵活性、稳定性和利用率，同时与建设直流配电网相比，降低改造成本。

图5所示为柔性互联新型配电系统网架结构。

图5 柔性互联新型配电系统网架结构Fig.5 Grid structure of new power distribution system with flexible interconnection

目前，国内外已开展多个柔性互联配电网示范工程。美国弗吉尼亚理工大学CPES 中心提出了四级分层交直流混合配电系统；北卡罗莱纳州立大学则提出了FREEDM 结构，适用于分布式资源“即插即用”的交直流混合配电网［14］；英国Network Equilibrium 项目利用背靠背AC/DC/AC 电力电子转换器，控制双端网络的有功和无功功率传输［15］；德国亚琛工业大学构建了±10 kV 直流配电工程，提出了City of Tomorrow 城市供电方案，将中压直流环网作为城市配电系统的骨干网［16］。杭州江东新城全国首个智能柔性直流配电网工程通过采用区域协调控制、故障快速定位及隔离保护等技术，实现多路电源同时供电，并确保单路电源故障情况下负荷安全经济转移［17］；全国首个五端柔性直流配电示范工程在贵州投入试运行，构建了融合交流配电网、交直流微网、分布式电源、电动汽车充电站为一体的柔性交直流互联配电中心［18］；广东珠海唐家湾三端柔性直流配电工程是国际首个±10 kV、±375 V、±110 V 多电压等级多端柔性直流配电网工程，满足风、光、储、充以及多元直流负荷接入，构建了多端多层级、可网络重构的±10 kV/40 MW 柔性直流配电网，实现了多个换流站的直流柔性互联和备用功率支撑，提高了系统供电可靠性，也是目前世界容量最大的柔性直流配电网工程［19］。

2.2 蜂巢状配电网

当分布式资源以微电网或微电网群的形式接入配电网时，设计合理的互联拓扑是实现新型配电系统柔性互动的关键。因此，相关研究提出了蜂巢状配电网［20］，一种应用于大规模分布式资源的配电结构，可进行能量灵活调配，提高能量利用效率。

图6 为蜂巢状配电网结构形态，由通过FID 互联形成的若干六边形馈线网络组成，六边形区域围成不同电压等级的交直流混联配电网。蜂巢状配电网的网架结构更坚强，新能源消纳能力更好，区域内“源网荷储”规范化配置，系统灵活性更高。

图6 蜂巢状配电网结构形态Fig.6 Structure of honeycomb-shaped distribution network

目前，国网海宁市供电公司正在探索建设蜂巢状配电网，由多个微电网“手拉手”抱团，相互之间建立能量信息基站，按照蜂巢状结构排列起来，促进分布式电源在更大范围内并网发电。此外，国网上海浦东供电公司率先探索打造了“钻石型”配电网，具有全互联、全电缆、全断路器、全自愈等技术特征［21］；南网广州供电局借鉴新加坡组网经验，率先采用20 kV 中压配电网“花瓣型”接线和保护技术，提高供电可靠性［22］。

3 运行调控技术

新型配电系统在运行调控方面将采取多层次多结构的协调运控方式，包括具有信息集中化的集中控制和具有相邻控制对象数据信息采集能力的分散管控，支撑新能源入网，并形成局部区域自治。在多电源供电形成的微电网间或者多微电网形成的微电网群间协调互补，实现信息交互和能量互济，最终实现监测管理和全局优化。

3.1 柔性互联多模式运行技术

当配变负载状态发生改变时，柔性互联新型配电系统的运行状态也将动态调节以维持配网稳定运行。根据系统的柔性互联结构，其运行模式可分为以下3种［23］。

1）柔性互联运行模式。如图3 所示，这种模式下VSC1、VSC2、VSC3 和VSC4 均并网运行，馈线1、馈线2、馈线3和馈线4通过VSC实现柔性互联，馈线功率通过VSC实现双向流动。文献［24］研究了基于大功率电力电子技术的配电网柔性合环实现技术，并通过试验和示范工程证明了柔性合环运行的可行性，实现配电网不同供电线路间潮流的灵活控制。

2）负荷转供运行模式。当配电网某区域故障切除后，下游的负荷仍然保持与VSC之间的电气联系，通过其余馈线进行负荷转供，不会因此失电。文献［25］提出了一种计及分布式电源的负荷在线转供策略，兼顾了故障馈线残余负荷以及非故障馈线安全运行。

3）孤岛运行模式。这种模式下所有VSC均离网，此时由公共直流母线连接的分布式电源为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。当配电网恢复正常供电后，系统可重新根据需求转变为上述两种运行模式。文献［26］提出了一种基于储能的主动配电网自愈恢复供电策略，考虑了储能的选址定容，在符合经济性的前提下最大限度地提高了供电可靠性，减少了配电网故障后对停电区域的停电损失。

含分布式电源的新型配电系统能够提高供电可靠性的主要原因体现在分布式电源与配电网可以互为备用电源。在电网正常运行时，可以利用分布式电源作为重要电力用户的后备电源或者作为主网无法延伸到的边远地区的供电电源；在电网发生故障或出现解列时，可以利用分布式电源为非故障失电区的重要负荷恢复供电，减少停电时间，缩小停电面积，从而提高供电可靠性。

3.2 分布式资源集群调控技术

分布式资源的日益渗透加速推进配电系统态势感知能力的提高。配电能量管理系统（distribution energy management system，DEMS）是实现配电网协调运行的基本手段［27］，通过实时控制和通信技术可达到分布式资源可观、可测、可调、可控，具备源、网、荷、储一体化协调管理能力。通过分布式资源集群调控，可有效提升大规模分布式电源的消纳水平，提高分布式资源与配电网的友好互动水平和综合调控能力，进而增强系统整体供电可靠性、灵活性与运行稳定性。

通过研究配电网台区分布式可调资源特性分析、运行调节能力及建模技术，文献［28］考虑了分布式电源单元层的优化调度策略，给出了经济、社会、环保等综合效益最优模型，并提出当前分布式电源的优化调度主要分为分布式电源的出力预测与运行调度优化。然而，日照强度和温度等外界环境因素影响，分布式光伏输出功率是一个非平稳的随机过程，在配备了一定储能装置后，出力波动可得到一定控制，但参与调度的成本巨大。文献［29］则考虑了分布式电源集群层的管理调控策略，分布式电源采用集群控制方式响应配电网控制需求时，有利于改善电源单体并网导致的波动性强、可控性差问题，呈现友好并网特性和调控能力，保障电网安全经济运行。进一步的，文献［30］考虑了调控云平台层的详细架构，基于云管边端物联网设计理念，探讨了调控云平台的基本功能，利用对全网状态的态势感知获取全天候气象数据、负荷数据、电量数据等信息，管理分布式电源集群，同时通过不同集群间的协调优化提高分布式电源的消纳水平，实现单元内平衡自治、集群间协同互动、系统级友好交互。

3.3 主配网协同运行优化技术

随着我国经济持续快速发展以及电力需求不断扩增，配电网规模日益庞杂，不再是单纯的受电终端，结构布局更趋复杂、故障特征明显变化、调控节点更加细密、潮流变化极不确定，新型配电系统将拥有更多自主权，同时也对电网调度技术支撑能力提出了新的要求。文献［31］提出了集中式一体化、分布式一体化、离散式一体化3 种调配一体化系统建设模式，有效促进主配网系统数据融合。

新型配电系统可采用省—地两层控制架构设计［32］，分布式电源管理系统和配电云主站分别负责实时控制与高级应用，满足主配协同、分层分级监控和运行需求。省级分布式电源调度管理系统主要负责实时监测与控制策略生成，对全省分布式电源进行聚合、监视，从多个维度对全省分布式电源信息进行精准管控；配电云主站主要负责非实时高级分析应用功能与低压接入分布式光伏的采集控制，接受来自分布式光伏调度管理系统的调节需求，同时具备承载能力分析评估、出力预测、分布式光伏与配套储能时序模拟计算等功能。

4 需求侧响应

需求侧响应［33］是指通过激励策略实现负荷或峰值转移，一方面能够为电力运营商提供更加灵活和自然分布的资源，从而减少为满足峰值负荷容量而必需的投资；另一方面，通过用户激励措施，引导电力用户智能用电，从而实现节能高效。需求侧响应能够提高电网安全性和稳定性，提高电能质量。

研究电价导向、激励导向、新能源消纳导向、电网安全导向的电力需求侧响应技术，可以促进供电服务与多功能互补综合能源服务的结合，使得电力消费用户直接与分布式资源联系起来，耦合电能的生产端和销售端，有利于终端能源生产消费方式的全面升级，促进供电服务创新，推动综合能源服务发展。

4.1 虚拟电厂

虚拟电厂［34］作为一个特殊电厂参与需求响应、调峰调频、现货交易等电力市场业务，可为新型配电系统提供管理和辅助服务。虚拟电厂的关键技术主要包括多元聚合技术、协调控制技术、智能计量技术以及信息通信技术。文献［35］将分布式电源、储能、可控负荷有机结合，设计了虚拟电厂运行管理平台，功能模块包括虚拟电厂综合监控管理、电力负荷分析预测管理、虚拟电厂控制策略管理、虚拟电厂运行管理和优化控制。文献［36］提出了一种应用于直流配电系统中的虚拟电厂分布式实时多目标优化控制模型，兼顾经济效率和电压分布。

图7 所示为虚拟电厂管控平台，通过先进信息通信技术和软件系统，实现分布式电源、储能、可控负荷、电动汽车等分布式资源的通信聚合和协调优化。

图7 虚拟电厂管控平台Fig.7 Virtual power plant management and control platform

4.2 电动汽车V2G

电动汽车由于其单体的随机性和群体的集中性特点，导致电动汽车的充电负荷在时间和空间上随机分布，同时又较易形成地区性、暂时性的用电负荷高峰，当其他用电负荷高峰与充电负荷同时出现时，就有可能造成峰上加峰的后果，进而导致网损增大，电能质量降低等危害电网运行的情况出现。利用需求响应机制管理电动汽车充电过程是应对电动汽车大规模增长的有效手段，一方面需求响应采用电价和激励引导的方式，可同时管理数量众多的用电负荷；另一方面需求响应机制给用户一定的补偿，可以确保用户有参与的积极性。电动汽车V2G 概念就是针对上述涉及的关键技术所提出［37］。

文献［38］首先分析了电动汽车参与需求侧响应的稳定性和鲁棒性，文献［39］在此基础上根据电动汽车用户的出行需求和规律特点，结合区域日负荷曲线和峰谷分时电价，提出了一种电动汽车集群调度策略，利用价格激励引导电动汽车有序充放电，实现负荷削峰填谷。

5 结语

新型电力系统背景下，柔性互联技术对新型配电系统的发展有着重要意义。新型配电系统将成为融合规模化分布式电源消纳、源网荷储协同发展、电力市场交易平台的关键领域，本文聚焦柔性互联关键设备，对新型配电系统的网架结构形态、运行调控技术、需求侧响应方面进行了详细阐述，为新型配电系统的发展奠定理论基础。随着“电能替代”进程推进，“云大物移智链”等新技术将深入渗透、影响新型配电系统建设，还将探索数字技术“赋能”新型配电系统的精准规划、高效运营、体制创新等发展新思路、新模式、新焦点。