低碳理念下体育场直流供配电系统的优化改造

李宪嫄

（郑州大学管理学院，河南 郑州 450000）

随着分布式电力系统的广泛应用，电力行业对电力系统的要求也在不断提高。目前，随着新能源汽车的逐渐普及，电力市场的需求越来越大，对电力市场中直流配电系统的研究也越来越多[1]。但在实际应用中直流供配电也存在很多不足，其中直流故障的检测、识别与隔离困难会对直流配电网络的安全可靠运行造成极大威胁。安全是衡量直流配网运行状态的一个重要指标，对其“一票否决”特性的安全问题进行研究对直流配网的推广与应用具有非常重要的意义[2]。目前，关于交流电网安全问题的理论和方法已经比较成熟，但关于直流电网安全问题的理论和方法还不够完善。除此之外，在目前低碳理念下，如何实现供配电系统运行的低碳节能也是研究的重点内容。对此，该文将以体育场馆为依托，进行对绿色低碳直流供配电系统改造的相关研究。

1 构建体育场馆绿色低碳直流供配电系统改造安全域模型

由于直流供配电的线路阻抗较小，因此发生故障时，短路电流的增长速度会变快，短路冲击电流也会变得更大，而且直流断路器的安装费用很高，如果不能选用正确的断路器，就会对换流站或直流变压器产生影响，从而导致整个系统停运[3]。为了避免上述问题的产生，可在系统中安装一个接触开关，使其开环工作，再使接触开关与断路器共同动作，使其重新启动，从而进行电力供应。考虑体育场馆绿色低碳直流供配电系统的安全性，该文结合馈线互联关系的闭环设计和开环运行对系统进行改造。同时，在该环节，还给出了系统改造明确的安全域，并构建了相应的模型[4]。该文系统以各段馈线的负荷为状态变量，全部负荷状态变量构成了负荷状态矢量，如公式（1）所示。

式中：F代表全部负荷状态变量构成的负荷状态矢量；F1、F2、...、Fn代表各个分量。

状态矢量既能体现出各区段的载重，又能决定变流站的载重比例和载重分布[5]。分析馈线N-1 与换流站N-1 原理，状态矢量F的变动幅度为DC 配电网的安全区。由于存在多个馈电线路，因此使系统的状态矢量F处于一个被高维空间包围的范围内。该文根据所建立的数学模型，对该系统的各项性能指标进行分析，得出了该系统的各种性能指标，并对其进行了改进。针对体育场馆绿色低碳直流供配电系统改造安全域模型，定义部分参数和函数[6]。其中，N为系统中馈线区段的数量，tij为馈线区段i与馈线区段j的连接数量。如果馈线段i与馈线段j之间有段切换，或者i发生故障，可以直接向馈线段j供电，即馈线段i与馈线段j有直接联系。此时，tij的取值为1。相反，如果在馈线部分i与馈线部分j之间有分段开关，或者馈线部分i与馈线部分j之间发生故障时，就不能直接对馈线部分j进行供电，表明馈线部分i与馈线部分j之间没有联系，此时tij的取值为0。至于多个分段和多联络接线的情况，tij的取值不一定等同于tij。在该基础上，分别定义布尔参数gij、lij和hij。在馈线部分i与馈线部分j来自相同换流站的情况下，gij的取值是1，而在其他情况下，gij的取值是0。如果馈线部分i与馈线部分j在转换前为同一馈线，则lij的值为1，否则lij的值为0。如果有至少一个馈线分段k，那么可以将馈线分段i通过相同的换流站向k输送电力，这时馈线分段i上的负荷可以从馈线分段j所处的换流站向其提供电力，则hij的值就是1，否则hij的值是0。根据上述描述，得到的系数参数表达式如公式（2）～公式（4）所示。

根据上述描述，将参数写成矩阵的形式，得到的布尔参数定义见表1。

表1 布尔参数定义

结合lij的定义，矩阵L可通过矩阵T和矩阵G的哈达玛积表示，如公式（5）所示。

在该基础上可得L矩阵和H矩阵，至此完成了对体育场馆绿色低碳直流供配电系统改造安全域模型的构建。

2 设置直流供配电系统馈线与换流站约束条件

当直流供配电系统上某一馈线段m发生故障时，其上所带的负荷全部转移到与其存在直接联络关系的馈线段n上[7]。对直流供配电系统进行改造时，应考虑约束条件的存在[8]。与馈线段m属于同一条馈线的馈线段p 也转供到馈线段n，此时n的最上级馈线段q需要满足线路容量的约束条件。假设各个馈线上的容量相同，则其约束条件如公式（6）所示。

式中：Rf代表馈线容量。

当m作为下级馈线发生故障时，p、m之间的分段开关断开，结合上述约束条件，p也转供到馈线段n上。这与现实中的转供方式不符。由于系统的安全分析涉及全部部件的失效，并且上位机部分的失效限制更严格，因此不会对系统的安全评价产生影响。

3 直流供配电系统柔性控制

确定体育场馆绿色低碳直流供配电系统改造的约束条件后，考虑系统运行过程中设计交流与直流的互动，同时涉及光伏、储能等多个系统模块，因此该文提出了一种柔性控制方法，即对供配电系统进行源网荷储柔性调控。一方面吸纳新能源并为体育场各设备提供充电条件，另一方面助力体育场馆实现零碳化建设和改造。控制内容主要包括利用智能电表与配电系统内的各个设备相连，监控交直流配电系统的负载情况，并实时监测变压器的负荷率。利用系统监控数据对体育馆AC/DC 配电网进行优化控制。当体育场馆没有举办赛事时，电池储能系统会进行光储一体化充、放电，将白天剩余的光伏电能储存起来，供夜间照明使用。首要的是引入净负荷的概念，其定义是负荷与光伏出力之间的差值，如公式（7）所示。

式中：Pnet_load代表体育场馆的净负荷功率；Pload代表体育场馆总运行负荷；Ppv代表光伏出力的差。

在体育馆举办赛事的过程中，利用传感器对变压器的负载率进行实时监控，当其超出一定阈值时，可以对其进行灵活调节，使其处于有效的工作区间。当净负荷低于零时，将太阳能电池的过剩电能存储起来。如果蓄电系统已经满了，就启动灵活可调节的负载，让其工作，来消耗太阳能电池的过剩电能。当净负荷大于零时，超过的负荷部分会被储能系统释放出来以取得平衡，需要时，会从交流配电网中对功率进行平衡。通过上述柔性控制方式，光储直柔调度技术能够有效解决光伏发电接入电网的难题，使体育场馆具备实时调控电力供需的能力，同时也能极大地提升场馆用电的可靠性，降低因停电而带来的经济损失。

结合上述直流供配电系统柔性控制结果，该文对供配电系统提出如下改造措施：在该过程中，可以根据体育馆的设计需求，用直流供电的LED 灯代替传统的照明灯具，建立完善的体育馆直流照明系统。同时，设计的供电系统在运行中需要采用母线进行供电，以此来降低供电电源、光伏设施等接入系统后造成的能源损失，进一步提高体育场馆供电系统投入使用后的能源利用率。完成上述设计后，可以将光伏设备与体育场馆周边的停车场进行连接，将供电中的剩余电能用于体育场馆照明，以此实现体育场馆的绿色与低碳化设计，避免体育场馆光伏电力资源的大规模浪费，保证光伏设备能为体育场馆内的供电设备提供源源不断的电力。

为了解决机动柴油机引起的噪声污染等问题，该文充分发挥直流供电的优势，将机动蓄电池作为临时电源，实现无噪声、无污染的临时供电。另外，考虑光伏发电具有随天气变化的特性，该文拟采用光储一体化充放电策略，将白天剩余的光伏电能用于夜晚照明，以提升可再生能源的利用率，达到体育场馆节能减排的双重目的。根据上述内容完成对体育场馆内直流供配电系统的改造，将其整体转化为交、直流混合配电系统，使其同时具备交流母线和直流母线，并通过双向的AC/DC 进行连接。

4 实例应用分析

4.1 系统改造前、后体育场馆举办赛事期间的日负荷变化分析

某体育场馆在举办某一赛事期间的日负荷变化情况如图1 所示。赛事主要在夜间进行，因此从图1 可以看出，该体育场馆建筑中的直流供配电系统在19:00～21:00 为电力负荷高峰期，最大负荷可以达到1.89MW，日用电量为20.2MW·h。

图1 某体育场馆举办赛事期间日负荷变化情况记录图

该体育场馆外部建立了一个规模为240kW 的光伏设施，在不接入储能设备的情况下，其外部输入电力负荷的变化趋势与图1 一致。因为在光伏发电时段和高峰用电时段之间有一定的差别，所以在接入光伏设施之后，这座建筑的供配电系统仍然会有一个夜间用电高峰，这就造成了较大的供电压力，最大负荷达到了1.86MW，用电量达到了18.2MW·h。应用上述改造方案对该体育场馆的直流供配电系统进行改造，改造后得到的举办赛事期间电力负荷的曲线变化结果如图2 所示。

图2 改造后体育场馆举办赛事期间电力负荷的曲线变化结果

将图1 与图2 进行比较可知，通过应用上述改造方案，可以将最大负荷降至1.30MW 以下，有效降低了电力负荷和电力峰谷差。

4.2 系统改造前、后体育场馆未举办赛事期间的日负荷变化分析

再将该体育场馆在未举办赛事期间的日负荷变化情况进行记录，如图3 所示。

图3 体育场馆未举办赛事期间日负荷变化情况记录图

从图3 可以看出，由于在夜间并没有举办赛事，因此其负荷时段主要集中在白天，最大负荷为0.42MW，日用电量达到3MW·h。在该基础上，记录改造后该体育场未举办赛事期间的日负荷变化情况，如图4 所示。

图4 改造后体育场馆未举办赛事期间的电力负荷曲线变化结果

将图3 和图4 进行对比可以明显看出，改造后体育场馆未举办赛事期间的电力最大负荷降至0.15MW 以下，降低了电力负荷，并起到了降低电力峰谷差的作用。上述具体体育场馆在举办赛事和未举办赛事期间的电力负荷变化情况印证了该文改造方案的可行性。

5 结语

随着体育产业的兴盛，与之相适应的运动场地和运动设施也开始大量兴建。该文以现有体育场馆的用电特征和供配电系统为研究对象，提出了一种体育场馆绿色低碳直流配电改造方案，从而形成了体育场馆交、直流混合配电系统，并在比赛期间和非比赛期间进行了负荷分析，验证了所提改造方案是可行的，并且具有很高的节能潜力和可以进行进一步拓展的能力，从而可以有效提升体育场馆设施用电的可靠性和经济性，推动体育场馆达成双碳目标。