储能技术与柔性直流技术在农村配电台区相互协同的应用研究

秦 雷，敖 刚，杨 捷，黄 杰，王 柬，董 伟

（云南电网有限责任公司安宁供电局，云南 昆明 650300）

0 前言

配电台区作为电力系统末端供电环节，数量庞大，电力电量和负荷特性将对整个电力系统的运行产生影响。目前，很多配电台区采用单线、单变供电方式，不仅可靠性较低，且不同台区间供电缺乏联络，无法做好统一管理。尤其是在农村地区，随着美丽乡村建设进程的不断深入，在构建新型电力系统过程中，用户侧大量分布式电源接入，传统单电源供电方式无法满足用户用电需求，农村电网的安全、稳定运行面临着新能源分散接入和就地消纳等问题带来的压力，对居民正常生产生活产生直接影响的低压配电台区供电电能质量和可靠性对台区的供电稳定性提出了更高的要求。同时，相同区域中由于不同负荷存在严重差异性，经常产生季节性负荷波动问题，小微企业负荷接入台区，导致部分台区负载率呈现逐年递增的形式[1]。

1 柔性直流技术、储能技术在农村配电台区的作用

1.1 支撑高渗透分布式电源消纳

近年来，随着分布式电源装机的不断增加，局部区域装机规模高于配网最高负荷，高渗透率分布式电源和低压台区相互结合，给传统配网各方面带来严重影响，如电能质量、规划、可靠性等方面，双向流动中的不确定因素给配电网日常管理工作提出更高要求。而利用交直流混合配电网和直流型分布式电源相互连接，能省略AC/DC 环流环节，直接控制电压环节，能进一步提高系统安全性。同时，采用不同台区间的柔性互联，配置适量的容量储能装置，能统一控制不同台区内能源、储备、荷载等，实时控制系统运行情况，有效提高配网资源利用率，有效降低配网运行成本。

1.2 电力能源转型，提升用户电力获得感

近年来，清洁能源发展步伐加快，为落实“双碳”目标，电力是能源转型的关键领域，农村电网作为电网的组成部分，在构建新型电力系统过程中，农村电网的安全、稳定运行面临着新能源分散接入和就地消纳等问题带来的压力，通过电力能源终端结构的改变，将清洁能源运用到各产业链中，不断发展、新增清洁能源运用比例，从而降低了碳排放量。但值得注意的是，随着电力系统不断完善，虽然使配网末端台变负载得到了有效改善，但临时负荷、分布式能源等不可控负荷的接入使配网台变负载率变得不均衡，从而影响到整个电网电压质量。而通过柔性直流-储能技术能完美解决上述问题，进一步拓展电能优化范围，充分发挥电能自身作用。

1.3 满足新基建建设要求

目前，在推动新型基础设施建设中，支持智慧能源建设是投资重点和众多举措之一。其中，新能源汽车超快充、大功率电动汽车充电设施是智慧能源基础设施的组成部分。据统计，2022 年我国充电基础设施年增长数量达到260 万台左右，累计数量达到520 万台左右，同比增长近100%。其中，私人充电基础设施增长超过190 万台，累计数量超过340 万台。现在，有很多电动汽车采用移动式负荷接入方式，导致出现各种无序充电行为，进一步提高配变重过载率，增加了配变安全运行风险。为解决大规模充电站接入问题，要建立充储和光储充一体化电站，但由于受到区域工程施工条件限制，无法将光伏、储能充电站集中在相同台区，只能设置大量光、储、快充电站，但因这些充电站间缺乏统一控制，导致不同台区间的负载平衡性严重不足。而将柔性直流-储能技术应用到台区管理中，建立台区柔性直流互联网络，配置集中（分布式）储能装置，能将对方的剩余容量进行共享，加强供电安全，解决私人桩建设限制问题，优化充电站整体布局，引导用户有序充电。

1.4 提高供电质量的智能电网建设

配电台区用户受气候、季节等条件的影响，用电负荷分布不合理造成台区三相不平衡，即容易造成用户用电设备高电压烧坏或用电设备低电压无法使用，容易造成配变重过载，影响配电台区配变及用电设备的安全运行，给配电台区安全运行埋下隐患。同时，配电台区有功功率和无功功率分布可以对电压产生较为显著的影响，严重时会造成电压越限，线路损耗增大。为了解决以上问题，可以在低压台区中采用储能技术及柔性直流互联技术进行设计建设。一是储能技术的应用，可以提高配电台区的稳定性、改善台区负荷、电压特性，减少台区变压器增容或新建，并提供无功支撑、提高电能质量；同时，台区负荷端的储能能够在电力系统故障时，减少电压、频率波动，提供短期电能质量、供电可靠性支持。二是柔性直流互联技术应用，可以改变台区拓扑结构及负荷分配，减少台区损耗，提高台区稳定、可靠及可用性。实现台区负荷转供，对有特殊保供电需求的用户提供电力保障。

2 配电台区柔性直流-储能关键技术

2.1 柔性直流-储能系统网架结构设计

2.1.1 换流器接线形式

目前，配台电区供电方式以三相四线制为主，在采用柔性互联换流器时要注重2 个方面。

三相三线制换流器。能隔离变压器的输出浮地，确保相互连接台区交流侧的不平衡故障问题，不会给其他交流台区稳定性带来严重影响。同时，交流中有谐波和磁场产生的微小电流，干扰大。隔离变可以减少各种杂波。减小干扰，能有效控制高频谐波，降低电力线路能耗，防止对二次设备和线路造成信号干扰。

三线四线制换流器。能去掉隔离变压器，具有效率高、能耗小等特征，设备整体偏向于小型，有利于进行集约化配置。结合换流器特征，制定健全的控制措施，如谐波抑制、有功传输、无功补偿等控制方案，能解决并网台区三相不平衡问题，从而达到预期的电能质量治理。然而，由于这种换流器缺乏隔离变，零序和负序的电压分量会导致换流器的输出功率在电网电压一旦出现较大幅度波动时呈现出2 倍频率的波动极易对直流系统的性能产生剧烈冲击。

单级接线投资量较少，接线方法简单，但可靠性较差；伪双级接线的伪双极直流侧没有接地线，只有正负2 根，被广泛应用在直流配电系统；而真双极系统虽然有可靠性高、运行方式灵活、独立的正负极换流器等优点，但其占地面积过大，须要投入大量资金，控制保护措施非常复杂。由于低压台区本身容量小，等级低，属于多台区互联系统，本身稳定性强，所以伪双级接线方式从各方面考虑，性价比是最高的。在低压伪双级接线系统中，通常采用浮地运行接地方式，在母线侧设置绝缘检测设备，检查单点接地故障；在用户侧设置剩余电流设备，主要作用是保护人身触电，避免单点接地故障未完全处理，给人身健康带来威胁，加强系统运行的安全性[2]。

2.1.2 柔性直流-储能构架和拓扑

公共直流母线集中部署模式。该种模式通常应用在台区间距较近、大量分布式电源就地接入及对供电可靠性要求较低的区域，各台区从总电源位置进行电压接入，低压侧通过AC/DC 换流器和互联系统相互连接，且在直流侧预留接口，能根据接口实际要求接入对应设施。同时，在集中建设模式下，将一、二次设备设置在集装箱中，集装箱要根据互联台区位置和数据，进一步优化部署位置，降低箱体和台区间的交流损耗，降低直流侧故障概率[3]，如图1 所示。

图1 柔性互联-储能系统（集中）接线简图

分散式直流母线分段调配方式。分散式直流母线分段部署模式适合应用在供电可靠性要求较高、各台区距离较远的场所，和集中部署模式相比，其采用互联单元就地部署，实现低压直流超越距离相互联通，提高日常传输效率，加强控制系统分散部署的可靠性，结合实际要求和共直流母线结构进行协同设计。根据单元间连接方式不同，主要分为环网和链式两种方式，两者唯一区别在于环网型在末端设置联络开关，让其具备直流线路N-1 运行能力，加强系统的可靠性，致使其能根据用户要求选择对应的运行方法。同时，为进一步提升系统安全性，可设置柴发和储能作为后备能源，其中柴油发电机能利用ATS 接入台区和低压母线相互连接；储能通过DC/DC 变换器和任何直流母线进行接入[4]，如图2 所示。

图2 柔性互联-储能系统（分散）接线简图

2.2 柔性直流-储能系统关键设备

2.2.1 交流低压智能断路器

想要实现台区智能化发展，就必须将采用智能断路器替换掉电台区中不具有电气测量、采集功能的开关。因此，可合理应用柔性互联系统，充分发挥其各种功能，如故障功率转换、动态功率转化、容灾备份等功能，其中动态功率互补功能能在原有设备基础上进行，而如果想要实现容灾备份和故障功率转化功能，应研发新型断路器充分完成所有电力参数的准确记录、数据测量和设备的远程控制等众多功能，帮助多种电力参数进行测量、整理、诊断和记录，并将其总结成日志模式，以达到保护电力设备模块、模拟报警、探测脱扣曲线等多种成果，保证其和安全自动装置、上级电网重合闸时间相互匹配[5]。

2.2.2 AC/DC 换流器

目前AC/DC 主要作用是解决台区互联系统中的增容限制问题，通过利用互联系统控制交流系统和AC/DC 换流器相互连接，便于提高四象限瞬时的控制效率。从目前配电台区运行情况来看，仍然有很多地区配电台区应用传统电压源型换流器，但其因受到技术条件限制，导致其出现各种问题，如开关损耗、电容均压、电磁干扰等问题，给各配电台区间互联工作带来严重影响。随着社会经济不断发展，各种新型技术出现在人们视线范围内，模块化多电平换流器凭借自身适用范围广、效率高等特征，被广泛应用到直流配用电系统。同时，考虑到台区负荷容易受到地理、环境等因素影响，要集中配置相关一、二次设备和控制保护系统，促进换流器向小型化方向发展[6]。

2.2.3 DC/DC 换流器

目前，配电台区低压直流母线须要通过DC/DC换流器来完成低压直流用电负荷接入。直流负荷与电压不匹配的光伏采用单向DC/DC 换流器接入；储能电池采用双向DC/DC 换流器接入；虽然在配电台区运行中可以正常应用以双主动全桥为基础结构的直流变压器，但还存在着内部桥臂不对称运行、故障自清等诸多问题，须要深入研究才能完成。同时，对于不同台区互联工作环境，要注重处理新基建建设需求接入问题，DC/DC 变换器作为负荷中心环节，当出现电压过载问题时，能控制供电的稳定性，加强电能质量标准；如果想要解决季节性负荷波动及临时用电接入问题，要在原本应用的基础上添加储能装置，实现供需协调互动[7]。

2.3 柔性直流-储能系统运行控制

由于在交流系统中使用各种电力电子元件，增加了电网运行稳定性控制难度系数。目前，将控制分为主站、算法、网络、监控等环节，通过自律协同边缘计算，自主决策实现了配电台区电能交换、电能质量综合治理和三相平衡。并可利用不同端口换流站的容量，通过上述控制措施对VSC 标准进行自动调节，达到优化配网工作的目的。而交直流混合系统稳定性分析主要针对系统小扰动稳定，通过构建健全的小信号模型，合理选择控制数据，实现不同单元的功率分配工作，进一步优化母线电压的动态特征，保证换流器在日常工作中的稳定性。同时，合理容量的储能装置能提高能量优化作用。应以最小的设备输出功能调整量为目标，针对P2G 能量转换中的能量损耗和环境成本计算，提出综合能源系统能量协调优化措施，建立数日经济调度优化模型，经过大量实验数据证明，这种模型具有较强的经济性[8-9]，如图3 所示。

图3 柔性互联-储能系统监控分布拓扑图

3 柔性直流-储能系统的运用

3.1 柔性直流-储能系统运用效果分析

柔性直流-储能系统通过改变低压配电网的拓扑结构，从而改善低压配电网的电压质量、提高了设备运行的可靠性和稳定性，提高电网的效率，以及改善电网的安全性。

柔性直流-储能系统在配电台区的运用还可以通过改变电网的控制策略，改变电网的负荷分配，提高电网的可用性，以及改善电网的可控性。

柔性直流-储能系统可以缓冲电网的负荷波动，以改善电网的负荷特性；缓冲电网的电压波动，以改善电网的电压特性；同时可增加电网的现有容量，减少配电设备的扩容或新建，有效提高配电网运行能力。

3.2 柔性直流-储能系统运用效益分析

柔性直流-储能综合系统的投入使用，对用电负荷低谷期因风力、光伏发电不能就地消纳，而产生的多余电量进行储能，反之在用电负荷高峰期通过柔性直流-储能系统和配网对用户进行供电，保持用电平衡，确保了新型电力系统中能源的灵活性，实现配电台区指标“两升两降”（提升供电质量、电网供电能力和电网利润水平，降低台区线损、电网运行费和配电网投资）获得经济社会效益，一定程度降低碳排放量，提高能源利用效率；同时，避免因配电台区计划（故障）停电、新能源车无序充电、季节性（临时）负荷接入等问题对台区电网的冲击，出现供电质量不合格导致用户及电网企业造成损失。

柔性直流-储能综合系统的投入使用，不断提升用户用电满意度和获得感，降低用户用电成本，减少用户对电网企业的投诉率，支撑社会经济发展，助力“获得电力”服务水平不断提升优化。

4 结论

综上所述，从目前农村配电台区应用情况来看，虽然能采用开环运行方法，但不能将堆放的剩余容量相互分享，不然2 个台区间的负载率易出现不均衡问题。针对该种问题，可将储能技术与柔性直流技术相互协调应用到农村配电台区中，构建配电台区柔性直流互联-储能装置的物联架构方案，实现台区间相互联通，有效解决台区的稳定性，提高台区电网的可靠性和稳定性，改善电网的负荷分配，加强台区供电水平，有效优化台区运营问题。