含分布式新能源的城市配电网供电模式柔性切换方式探讨
时间：2023-04-11 13:25:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李文建，庄海军，赵亚飞，丁钰真
（1.国网郑州供电公司，河南 郑州 450000；
2.国网河南能源互联网电力设计院有限公司，河南 郑州 450000）
与传统的交流（Alternating Current，AC）配电系统相比，柔性直流（Direct Current，DC）配网具有较小的占地空间、较高的电能质量、较低的线路损耗、灵活的控制模式等技术优势，可以有效改善电力系统的可靠性和可控性，为风电、光伏储能等直流电源的大规模分布式并网提供“友好”接口。现阶段，分布式新能源供电模式在技术上有着巨大的优势和发展空间。电力与国民经济、民生密切相关，电力供应的安全问题更是关系到国家的安全和国民经济的发展。随着我国环境日益恶化，建设绿色、可靠、高效的现代化电力能源网络已成为当务之急[1]。配电网络的发展始终是为了更好地满足用户的需求，在初期，配电网络的发展主要是为了满足用户基本用电负荷需求，并将其作为一种重要的基础设施。为达到用户高可靠度目标，需要将原有配网自动化，改造原有的网络结构，实现供配电模式向高质量供电服务方向迈进。
目前，我国的配电网络存在着并网与孤岛两种运行方式，通过两种方式的转换产生了电压振幅的起伏，并利用合闸的方式对抗冲击电流，以确保城市配电网络运行时的安全、可靠，从而实现供电模式的平稳切换。为落实此项工作，本文将在此次研究中设计一种针对城市配电网供电模式的全新、柔性切换方法，旨在通过此次设计降低供电过程中的损耗，为用户提供更加优质的供电服务。
为实现对配电网在运行中供电模式的柔性切换，在设计方法前，应落实含分布式新能源的城市配电网运行无功补偿，保证终端配电网运行处于一个相对良好的状态，在此种条件下切换供电模式，降低或避免由于节点输电异常造成的电网异常损耗[2]。当城市配电网馈线柔性连接开关在并网时，即配电网存在单侧或双侧并网时，可以将由蓄电池、光伏以及直流负载构成的馈线柔性连接终端作为一个供电服务终端，为降低终端电能访问对系统无功均衡的影响，需要DC系统本身能够在一定的功率因素范围内工作。
为满足此方面需求，将无功控制方法引入到城市配电网运行补偿中，利用双向换流器，使用虚拟同步发电机主动控制电网的输电节点，实现针对电网本身的无功控制。在此基础上，设置电网无功功率因数，使直流系统的功率因数与城市配电网的功率因数呈现适配状态[3]。此过程中需要注意的是，无功功率补偿存在上限值，只有不超过其上限值的补偿，才能在电网中发挥预期的效能。最大补偿值的计算为
式中：Qmax为配电网运行最大无功补偿值；
SN为发电机运行额定功率；
P为DC变换器功率因数。
在配电网馈线柔性连接系统中，如果电网的无功补偿超出了其最大补偿能力，则必须在电网中增设无功补偿装置继续补偿。通过此种方式，实现含分布式新能源的城市配电网运行无功补偿。
为降低配电网供电服务终端由于异常温升出现切换过程中的安全事故，应设计供电中异常温升点的定位方法，实时掌握终端配电网在切换中的运行状态[4]。在此过程中，设定配电网终端供电模式节点的单位距离为1 m，终端对于电能的接收功率为q，计算供电过程中信号发射节点与接收节点之间的距离，公式为
式中：d为供电过程中信号发射节点与接收节点之间的距离；
R为异常发射点的接收值；
n为电量损耗指数；
m为电能修正系数。
在此基础上，定义供电服务空间中，异常温升点为o，需要随机选择3个非同一平面内的锚点作为参照点，建立o-ABC定位网，其中A、B、C表示3个非同一平面内的锚点（参照点）。连接A、B、C锚点电源，定位异常温升点的计算公式为
式中：NA为以A为参照点的城市配电网供电模式中异常温升点的定位结果；
RAB为A、B之间的连通电流；
dAC为点A与点B之间的距离；
qA为点A位置电能设备在运行中的接收功率。
采用功率校正法，在城市配电系统供电方式中选择任意两个固定点，并根据不同的温度变化点建立不同温度异常点的实际距离和测距的关系，得出不同温度异常点的位置。
当配电网中随机两个输电节点电压的幅值与相位呈现一致状态时，切换供电开关不会对电网运行造成负载，也不会产生额外的冲击电流[5]。因此，可以通过对并网环流的控制，当两点环流电压处于无限接近的状态时，切换城市配电网的供电模式，降低负载对配电网安全运行的影响，从而有效控制电网损耗。其中并网环流的计算公式为
式中：I为并网环流；
I01、I02为两个输电节点。
计算过程中，如果I=I01+I02，则可以认为在此种状态下存在节点与输电中心距离相同的现象，但大部分切换行为不满足或不符合上述条件。此时，可以辅助使用逆变器，控制输电节点的电压，将I01点作为参照，控制I02的电压产生突变。在调节电压过程中，根据调节器在运行中的饱和状态，逐步增加逆变器的环流，保证直流侧电压趋近于一致。当满足上述条件后，驱动配电网运行模式开关，即可满足对供电模式的柔性切换需求。按照上述方式，实现基于并网环流控制的供电模式柔性切换，完成柔性切换方法的设计。
为实现对设计方法在实际应用中效果的校验，下述将以某试点城市为例，按照本文设计的方法，布置针对城市配电网运行的柔性切换，以检验或证明提出方法在实际应用中的效果。
在对此城市配电网的综合调研中发现，该城市在电力改造中已实现了将分布式新能源配电网推广使用，但在深入供电中心负责单位的市场调研中发现，由于相关技术部门尚未制定针对此配电网的专项供电服务切换模式，导致供电服务中经常出现电流畸变与电能损耗。因此，在与负责人综合商议后，决定使用本文设计的方法，部署此城市配电网在运行中的供能服务切换方式。
为确保测试结果的真实性与可靠性，在开展相关研究前，使用实时数字仿真实验平台（Real Time Labratory，RT-LAB）建立此城市配电网的综合运行模型。设计配电网在供电服务模式下的技术参数如表1所示。
表1 城市配电网在供电服务模式下的技术参数
在此基础上，使用本文设计的方法布置供电模式的柔性切换。此过程中，根据含分布式新能源的城市配电网运行方式对其无功运行进行补偿。同时，定位城市配电网供电中的异常温升点，通过对电网运行过程中的并网环流控制，实现对供电模式在运行中的柔性切换。
将切换过程中的配电网运行电能损耗作为评价指标，对比柔性切换方法前后切换供电模式时对应电网的运行损耗，其结果如图1所示。
图1 柔性切换方法应用前后的配电网运行损耗对比结果
从图1的实验结果可以看出，应用本文方法后，配电网运行切换时，电能损耗量显著降低。在对应的供电模式切换点，未应用本文方法的供电模式切换存在瞬时电能损耗量骤升的现象，而应用本文方法的供电模式切换不存在电能损耗量骤升的现象，即电能损耗量仍维持在一个相对较低的水平。因此，在完成上述设计后，得到如下所示的实验结论：本文设计的柔性切换方法在实际应用中的效果良好，可以有效降低供电模式切换中的电能损耗，降低供电服务企业的经济损失，旨在为用户提供更加良好的供电服务保障。
近几年，随着矿物能源的快速消耗，社会环境问题日趋严峻，开发新能源系统是一种有效解决能源危机、环境污染的手段，因此如何实现大规模新能源供电模式在城市居民生活日常用电中的接入是一个迫切需要解决的问题。为落实此项工作，本文从含分布式新能源的城市配电网运行无功补偿、定位城市配电网供电中的异常温升点、基于并网环流控制的供电模式柔性切换3个方面开展了配电网供电模式柔性切换方法的设计。该方法在经过实践检验后证明了可以起到降低配电网运行损耗的综合效果，实现为城市供电服务单位的市场运营创造更高的经济效益。
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