鄧造明

（中冶賽迪電氣技術(shù)有限公司電力能源事業(yè)部，重慶 400013）

引言

隨著電力電子技術(shù)，特別是大功率電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使用電力電子器件，對電能進行變換和控制，可為智能電網(wǎng)的快速、連續(xù)、靈活控制提供有效的技術(shù)手段。

柔性配電網(wǎng)是智能配電網(wǎng)的子集，是指能實現(xiàn)柔性閉環(huán)運行的配電網(wǎng)[1]。它采用靈活交流輸電技術(shù)，在系統(tǒng)中加裝大功率電力電子裝置，在不改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)情況下，通過“紅綠燈”式的智能調(diào)節(jié)，優(yōu)化潮流控制，大幅提升電力傳輸能力，滿足高滲透的分布式電源和儲能元件接入的要求，以滿足用戶提高電能等質(zhì)量，降低運維成本的要求。

1 柔性配電網(wǎng)定義

柔性配電網(wǎng)（FDN,flexible distribution network）的核心是利用電力電子技術(shù)構(gòu)建“靈活、可靠、高效的配電網(wǎng)，提供更高效的潮流控制，提升配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量、可靠性和運行效率，應對傳統(tǒng)負荷以及可再生能源的波動性[2]，保證可再生能源發(fā)電、儲能設備和用戶負荷的協(xié)調(diào)運行。

智能柔性開關(guān)[3-4]是安裝于傳統(tǒng)聯(lián)絡開關(guān)處的新型智能電力電子裝置，它使傳統(tǒng)閉環(huán)設計開環(huán)運行的配電網(wǎng)改為柔性閉環(huán)運行。

柔性配電網(wǎng)特點。

（1）閉環(huán)，對短路電流有阻斷能力，柔性直流裝置隔離兩端交流電網(wǎng)，交流故障電流不能穿越直流裝置，以閉環(huán)方式提高可靠性。見圖1。

圖1 柔性配電網(wǎng)原理網(wǎng)絡示意圖[1]

（2）柔性，柔性直流裝置對所連多個支路（可不同電壓，可異步電網(wǎng)）的潮流可多方向連續(xù)調(diào)控，適應負荷和分布式發(fā)電（DG）的波動。從交流電網(wǎng)的角度，相當于可控發(fā)電機或負荷，有功雙向傳輸，無功可正可負。

（3）快速，全功率響應速度1～5 ms。

2 中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置控制原理

柔性直流裝置目前是最先進的電力電子裝置，可自動跟蹤負荷變化和發(fā)電出力，對電能利用情況實時監(jiān)控，實現(xiàn)對有功/無功的調(diào)度和解耦控制、對電能量優(yōu)化配置和管理、同時對諧波和電壓波動也能兼顧治理。

圖2 為柔性互聯(lián)裝置控制原理示意圖，每個端口的有功功率、無功控制信息由計費關(guān)口信息、負荷信息、發(fā)電信息等綜合算法形成。

圖2 柔性互聯(lián)裝置控制原理示意圖

安裝中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置的配電系統(tǒng)，除了具備原來配電系統(tǒng)的全部功能以外，還具有以下傳統(tǒng)電力系統(tǒng)所沒有的新功能。

（1）變壓器之間的負荷均衡

當不同變壓器之間出現(xiàn)臨時性負荷分配嚴重不均時，感應式交流雙向可控柔性互聯(lián)裝置可以調(diào)節(jié)各個端口的工作狀態(tài)，對負荷進行再分配以減少這種臨時性不平衡，降低其負面作用。

（2）變壓器之間的可控能量交互

當企業(yè)內(nèi)部存在分布式電源時，變壓器之間的可控能量交互這一功能尤為重要，具體實現(xiàn)方法同上，可以解決分布式電源的多元消納，提高分布式能源的利用率。

（3）企業(yè)配電網(wǎng)潮流管理

能夠精確快速地調(diào)節(jié)有功的流向和大小，主動管控企業(yè)內(nèi)部配電網(wǎng)的電力潮流，按照更安全更經(jīng)濟更科學的方式流動。

（4）變壓器之間的容量相互借用與支撐

當個別變壓器出現(xiàn)臨時性過負荷時，感應式交流雙向可控柔性互聯(lián)裝置可以調(diào)節(jié)其他端口的多余容量，對該變壓器進行容量支持。容量支持一般不是單純的有功支持或單純的無功支持，多數(shù)情況下是有功和無功協(xié)同的支持。

（5）有源母線之間的互為熱備用

配電變壓器及線路故障是不可預知的，傳統(tǒng)的配電方式一旦出現(xiàn)故障，則整臺變壓器攜帶的全部負荷將失去動力，可控柔性互聯(lián)裝置的應用將改變這一狀況。一旦某段交流母線出現(xiàn)故障，與其相連的端口可以提供規(guī)定容量的電力支撐，保障重要負荷不受影響，以把故障損失降至最低。

3 中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置應用

3.1 以節(jié)能降成本為目的的關(guān)口潮流控制——最大需量閾值控制

鋼鐵企業(yè)電力運行費用包括電費和基本電價費用，其中基本電價費用按照接網(wǎng)變壓器容量（或者按照最大需量）計費，越來越多的企業(yè)采用按照最大需量的計費模式，以降低電力運行費用。

根據(jù)電力部門制定的標準，最大需量按照15 min平均負荷最大值來自動計費收取。鋼鐵企業(yè)有軋鋼、LF 爐等沖擊負荷，以及一些不可控原因，引起下網(wǎng)負荷波動比較大，大部分企業(yè)又屬于粗放管理，造成上報最大需量的裕量偏大，經(jīng)濟性不好。

通過增加FDN 設備，配套精準算法確定閾值，將源/網(wǎng)/荷/DG 等統(tǒng)一管理，快速自動控制潮流，實現(xiàn)最大需量降低，節(jié)省基本電價費，提高經(jīng)濟效益。

案例 某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)有2 個220 kV 總降變電站，2 個站實際運行變壓器總裝機容量600 MVA，通過3 條220 kV 線路與外部電網(wǎng)接網(wǎng)，由于接網(wǎng)變壓器容量大，故采用最大需量繳納基本電費，基本電價費用的最大需量按265 MVA 申報，3 條接網(wǎng)220 kV 線路分別申報容量為：馬柏線96 MVA，曲界甲線96 MVA，曲界乙線73 MVA。

2020 全年外購電量10.4 億kWh，折算年平均下網(wǎng)負荷（外購電功率）118.7 MW，對應的主變年平均負載率21.5%，對應的最大需量年平均利用率48.7%。

最大需量是按照3條220 kV進線的最大需量之和進行申報，實際3 條220 kV 進線的典型日負荷是波動的，三者之間有平衡互補的空間，申報最大需量實際高于實際總最大需量。表1 統(tǒng)計了2021 年某個典型工作日（24 h）3 條220 kV 進線負荷的絕對最大值及其次數(shù)、絕對最小值及其次數(shù)、小時平均值、自發(fā)電倒送次數(shù)等。

表1 馬柏線、曲界甲線、曲界乙線某個典型日負荷情況

從運行負荷曲線及表1 統(tǒng)計數(shù)據(jù)看出，負荷波動幅度較大，最大負荷持續(xù)時間較短，可以通過柔性互聯(lián)裝置進行負荷均衡，降低絕對最大負荷以減少固定電費，兼顧消除自發(fā)電反送電網(wǎng)（節(jié)約電能，減少罰款）。

解決方案如圖3 所示。50 MVA 中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置主回路由隔離變壓器、4 端口電力電子柔性互聯(lián)裝置組成。隔離變壓器的輸入端口2個是10 kV，2 個是35 kV，4 端口電力電子柔性互聯(lián)裝置接在隔離變壓器的二次側(cè)，受調(diào)節(jié)指令控制，調(diào)節(jié)電能在幾個端口之間有序流動。實現(xiàn)四臺接網(wǎng)主變（T1、T2、T3、T4）之間負荷柔性均衡、能量多向交互、容量多向拆借與支撐，調(diào)節(jié)3條接網(wǎng)220 kV線路之間的最大需量，節(jié)省基本電價費用。

圖3 中壓交流雙向4通道柔性互聯(lián)裝置示意圖

中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置的調(diào)度控制指令由計費關(guān)口信息、負荷信息（含發(fā)電信息）綜合形成，對2 個220 kV 變電站內(nèi)的35 kV 和10 kV 系統(tǒng)（對應4 臺變壓器低壓側(cè)）進行負荷控制（可變、可正、可負），達到降低最大需量上報量40 MVA（投資回收期約2 年），避免自發(fā)電上網(wǎng)，同時解決短路電流問題的目的。

3.2 以節(jié)能降成本為目的的關(guān)口潮流控制——DG上網(wǎng)控制

鋼鐵企業(yè)內(nèi)部通常配置有資源綜合利用自備電廠，為提高發(fā)電效率，發(fā)電機的容量越來越大，限于原有供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及接網(wǎng)的原因，可能會造成正常工況或在其它部分工況下自發(fā)電上網(wǎng)，上下網(wǎng)造成差價（或者不允許上網(wǎng)時造成的煤氣放散），給企業(yè)帶來損失，煤氣放散造成環(huán)境污染，社會效益和經(jīng)濟效益不佳。

案例 某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)有1 個220 kV 總降變電站，2 臺220/35/10 kV 100 MVA 主變壓器，產(chǎn)能置換升級改造后，全廠負荷150 MW，基本上平均掛在2臺變壓器上，新上1 臺煤氣85 MW 發(fā)電機接在其中1 臺主變的35 kV，正常日發(fā)電上網(wǎng)15 萬kWh，與電網(wǎng)商談的上下網(wǎng)差價0.25 元，年損失差價約1350萬元。

采用中壓交流雙向2通道柔性互聯(lián)裝置解決發(fā)電上網(wǎng)，詳見圖4。

圖4 中壓交流雙向2通道柔性互聯(lián)裝置示意圖

根據(jù)圖4 解決方案，中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置的調(diào)度控制指令由計費關(guān)口信息、負荷信息、發(fā)電信息綜合形成，對變電站內(nèi)的35 kV 進行負荷控制（可變、可正、可負），避免發(fā)電上網(wǎng)。

4 結(jié)束語

中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置是柔性配電網(wǎng)技術(shù)的典型應用之一，它實現(xiàn)不同中壓交流母線之間負荷柔性可控分配與均衡、能量雙向交互、容量雙向拆借與支撐，滿足鋼鐵企業(yè)逐步提高的電力資產(chǎn)負荷率要求和高標準的電能費用價值增加要求。

該裝置結(jié)合企業(yè)配電數(shù)字化系統(tǒng)，結(jié)合大數(shù)據(jù)的應用和深度開發(fā)，真正實現(xiàn)了企業(yè)級配電的柔性互聯(lián)和智能化，助力企業(yè)智能配電網(wǎng)建設，實現(xiàn)能源的高效利用，為實現(xiàn)碳中和目標做出應有的貢獻。