林力輝 陳海龍 黃華生

(1.福建泉州供電公司，福建 泉州 362000;2.福建南安市供電公司，福建 泉州 362300)

1 概述

由于高比例分布式電源的接入，區(qū)域變電站負荷曲線呈現(xiàn)“反轉”，各層級潮流無序穿越。以某變電站為例，在節(jié)假日，10kV光伏出力會倒送至110kV電網(wǎng)，最大情況下會倒送14.9MW，達到主變壓器容量的18.6%。

由于分布式電源抗擾動能力低、轉動慣量不足，易發(fā)生集中脫網(wǎng)，給電網(wǎng)帶來安全穩(wěn)定壓力。大面積分布式電源接入后會帶來配電網(wǎng)過/低電壓、電壓暫降、三相不平衡問題，當出力大于饋線負荷時，未被消納的發(fā)電將倒送至母線或上級電網(wǎng)，導致并網(wǎng)節(jié)點的電壓抬升過多，甚至高于始端電壓，同時損耗增大，系統(tǒng)嚴重故障時中壓系統(tǒng)分布式光伏可能大面積脫網(wǎng)[1-2]。

為應對分布式電源對現(xiàn)有配電網(wǎng)的形態(tài)和穩(wěn)定運行的挑戰(zhàn)，供電部門2021年提出建設3個示范性工程，列為新型電力系統(tǒng)，其中包括基于柔直互聯(lián)的饋線型微電網(wǎng)示范項目。

2 建設方案

該示范項目采用兩端口柔性直流技術互聯(lián)，加上蓄電池組，構建“分層分級、峰谷協(xié)調、就地消納”的交直混合配電網(wǎng)模型，并最終實現(xiàn)饋線型微電網(wǎng)“自平衡、自調節(jié)、自管理”的功能[1,3-4]。

①柔性直流互聯(lián)系統(tǒng)兩端口分別通過交流電纜、分界開關(K1、K2)與10kV配電線路主干線連接。設備相當并接到饋線組的聯(lián)絡開關N47兩端。

②柔直互聯(lián)設備內置于預制艙。含2臺3MW柔性互聯(lián)變流器、2臺隔離變壓器、戶外預制艙(含照明、散熱、消防等設備)、兩側中壓開關柜及相關控制系統(tǒng)設備等。柔直互聯(lián)設備形成“交-直-交”混合配電網(wǎng)接線，詳見圖1。

圖1 柔直系統(tǒng)接線示意圖

③建設1座1MW/1MWh儲能預制艙。儲能電池通過DC/DC變換接入柔直系統(tǒng)的直流側。儲能預制艙內含1MWh液冷磷酸鐵鋰電池、能量管理系統(tǒng)、匯流柜、控制柜、水冷機組15kW、消防系統(tǒng)(七氟丙烷+惰性氣體)、UPS柜、DC/DC變換柜、直流配電單元等。

④兩條配電線路實現(xiàn)自動化改造中，涉及所有分段開關、分界開關、環(huán)網(wǎng)柜等。開關設備改造為一二次融合成套設備。

⑤柔直艙內配置微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。控制層配置微電網(wǎng)協(xié)調控制器1臺、縱向加密認證裝置2臺，微電網(wǎng)協(xié)調控制器實現(xiàn)功率自平衡控制、消峰填谷控制、電壓自調節(jié)控制、并離網(wǎng)切換控制等自動化邊緣計算和監(jiān)測功能。

⑥與DMS配電主站實現(xiàn)配微協(xié)同優(yōu)化控制，實時在線展現(xiàn)微電網(wǎng)的運行、控制和監(jiān)控，包括新增微電網(wǎng)優(yōu)化控制調度輔助決策模塊、柔性直流系統(tǒng)管理模塊，饋線自動化功能輔助故障研判和輔助調度決策、經(jīng)濟運行指標數(shù)據(jù)分析等。

⑦實現(xiàn)光伏電站群調群控能力。在10kV光伏電站群調群控子站增加虛擬同步機功能，在380V光伏電站增加群調群控子站。

⑧光伏電站與微電網(wǎng)控制系統(tǒng)，以及微電網(wǎng)控制系統(tǒng)與DMS的通信配置應用5G接入技術。

⑨采用集裝箱式儲能電站模式，即柔直互聯(lián)系統(tǒng)1和柔直互聯(lián)系統(tǒng)2集中布置于標準尺寸集裝箱內，由供應商負責出廠前調試后整體運輸?shù)巾椖楷F(xiàn)場，現(xiàn)場由施工安裝單位進行外部電纜連接與系統(tǒng)聯(lián)調后投入運行。

⑩《電化學儲能電站設計規(guī)范》(GB51048-2014)，項目各構、建筑物和設備的火災危險分類及其最低耐火等級相關規(guī)定，鋰離子電池室火災危險性分類為戊級，耐火等級為二級，屋外布置時鋰離子電池設備火災危險性分類同樣為戊級，耐火等級為二級。

項目實時監(jiān)測系統(tǒng)運行溫度，一旦出現(xiàn)溫度異常，將上報調度系統(tǒng)，嚴重時自動停止運行；設備和電池箱體、柜體及線纜等設備的材質選用阻燃材料；箱內壁選用防火等級為A級的金屬巖棉夾芯板，厚度50mm，耐火極限不小于1h；箱內設置手動自動一體化氣體滅火系統(tǒng)，滅火介質采用七氟丙烷(HFC-227ea)；電池集裝箱整個系統(tǒng)采取消防聯(lián)動設計，當消防控制器發(fā)出報警信號時，儲能系統(tǒng)、通風散熱等系統(tǒng)都會停止運行，以確保消防滅火系統(tǒng)能夠正常滅火。

2 技術亮點

①柔直系統(tǒng)模塊化可擴展?；谌嶂被ヂ?lián)的饋線型微電網(wǎng)建設理念，也可由三聯(lián)絡線路組成饋線組，最大限度地實現(xiàn)共享儲能。

②微電網(wǎng)運行方式豐富。在保留原來交流系統(tǒng)運行方式基礎上，增加了雙端直流并列、單側直流運行等運行方式，構建出多種形態(tài)的微電網(wǎng)，滿足高比例分布式電源接入。項目對饋線的全場景供電需求和配電網(wǎng)柔性控制的要求具有較高的示范意義。雙端直流系統(tǒng)投入的運行方式可實現(xiàn)光伏跨區(qū)消納、負載轉供、儲能共享和調相機運行4種運行方式；單端柔直系統(tǒng)可實現(xiàn)調相機運行和光儲微電網(wǎng)運行模式。

③多條饋線之間通過柔直互聯(lián)實現(xiàn)不同電源點饋線之間互聯(lián)互備與可靠供電，實現(xiàn)分布式光伏在饋線組高效消納、互聯(lián)線路間功率平衡等功能。

④交直流混合配電網(wǎng)接入雛形。依托儲能資源，將柔直系統(tǒng)建設為饋線型微電網(wǎng)的能源匯集站、能源供給站；儲能系統(tǒng)從柔直直流側接入，滿足儲能資源在饋線組的容量共享，提升分布式光伏在饋線組高效消納能力[5-6]。

⑤柔直、儲能系統(tǒng)采用分布式可移動集裝箱部署，采用模塊化拼接方式建設，滿足基礎設施靈活部署要求。

⑥按照“分層分級、協(xié)調控制”原則建設微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)微電網(wǎng)的能量優(yōu)化管理、經(jīng)濟調度及智慧運維，實現(xiàn)饋線型微電網(wǎng)“自平衡、自調節(jié)、自管理”。

3 實施成效

①饋線型微電網(wǎng)系統(tǒng)采用“分層分級、協(xié)調控制”的原則進行控制，建設成就地控制層—微網(wǎng)控制層—配微協(xié)同控制層的三層架構(圖2)。

②在配微協(xié)同控制層DMS系統(tǒng)建設微電網(wǎng)監(jiān)控裝置，實現(xiàn)微電網(wǎng)運行監(jiān)控以及微電網(wǎng)和配電網(wǎng)之間的協(xié)同優(yōu)化控制。

圖2 控制系統(tǒng)架構圖

③在微網(wǎng)控制層配置微電網(wǎng)協(xié)調控制器，接入智能融合終端、儲能監(jiān)控系統(tǒng)、光伏監(jiān)控系統(tǒng)等終端設備信息，實現(xiàn)控制總量在微電網(wǎng)層級的快速分解，以及對各源、荷端的協(xié)同控制。

其中需要功率平衡策略調節(jié)，功率加載則以兩條線路負載平衡、光伏消納為目標。某典型日，從白蓮線流向垢坑線1MW，白蓮線負荷從1MW升高至2.27MW，垢坑線負荷從3.11MW下降至1.83MW；若不進行柔直加載，白蓮線最大負荷2.364MW，反送母線-1.11MW，峰谷差為3.48MW；垢坑線最大負荷3.85MW，峰谷差2.67MW;柔直加載后白蓮線最大負荷3.38MW，峰谷差為2.81MW；垢坑線最大負荷2.84MW，峰谷差2.39MW；能就地消納光伏發(fā)電，未反送母線(圖3)。

圖3 投運前的典型日典線(光伏反送3MW)

④對試點饋線的分布式光伏進行群調群控改造，實現(xiàn)對分布式光伏的“全采集、全感知、全控制”。

群調群控功能通過5G切片網(wǎng)絡通道與微電網(wǎng)協(xié)調控制器進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)分層分級控制。將解決大面積分布式光伏接入后帶來的配電網(wǎng)過/低電壓、系統(tǒng)轉動慣量不足、系統(tǒng)嚴重故障時分布式光伏可能大面積脫網(wǎng)等問題。

按調度、微電網(wǎng)系統(tǒng)、用戶設置三級控制策略，充分挖掘光伏逆變器可控資源，增加虛擬同步機功能。通過對逆變器調節(jié)模擬同步發(fā)電機的電氣模型、下垂調頻、調壓特性，使逆變器并網(wǎng)外部特性上與傳統(tǒng)同步發(fā)電機相似，增加微電網(wǎng)系統(tǒng)阻尼和慣性，參與系統(tǒng)的一次調頻，提升源端自治能力，緩解系統(tǒng)嚴重故障時中壓系統(tǒng)分布式光伏大面積脫網(wǎng)問題。充分挖掘光伏PCS可控資源，提升源端無功電壓調節(jié)能力，解決大面積光伏接入帶來的配電網(wǎng)過/低電壓問題。實現(xiàn)光伏電站開停機過程中的有功變化率的控制，使光伏電站在并網(wǎng)及正常停機的過程中，10分鐘功率最大變化量不得超過裝機容量，1分鐘功率變化不得超過裝機容量/5[7]。

⑤對試點饋線進行標準自動化全覆蓋改造，提升一二次設備自動化水平；完善一二次融合開關配置，使光伏分界開關具備反孤島保護功能。項目其中10kV白蓮線供電半徑3.53km，2021年最大負載率40.1%，主干線以架空線路為主，10kV垢坑線供電半徑4.01km，2021年最大負載率62.01%，主干線以架空線路為主，白蓮線與垢坑線為單聯(lián)絡接線，網(wǎng)架結構已形成標準接線形式。10kV白蓮線柱上開關共9臺，其中1臺為一二次融合自動化開關；環(huán)網(wǎng)柜1座，為非一二次融合成套設備。10kV垢坑線安裝柱上開關共15臺，其中11臺為一二次融合開關，兩回線路按以下標準饋線自動化原則全覆蓋改造。

線路分段開關采用一二次融合成套柱上斷路器，具有相間短路、接地故障自動判別處理和“三遙”及遠方投退保護、重合閘及定值修改等功能，滿足加密認證等安全防護要求，接入配電自動化主站，實現(xiàn)故障定位、快速隔離、恢復及轉電。

線路用戶分界開關采用一二次融合成套柱上斷路器(用戶分界型)，具有用戶側相間短路、接地故障自動判別處理和“三遙”及遠方投退保護、重合閘及定值修改等功能，滿足加密認證等安全防護要求，接入配電自動化主站，實現(xiàn)用戶側故障定位、快速隔離。裝設在外部電源(及分布式電源)接入點處時，保護應具有過壓、高頻低頻等功能。光伏分界開關具備反孤島保護功能。微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)應具備聯(lián)切用戶功能。同時，根據(jù)低頻減載切荷方案部署，賦予線路上用戶分界點低頻切負荷功能。

環(huán)網(wǎng)柜采用一二次融合成套設備或保測一體化設備，進、出線均裝設帶保護的斷路器。在滿足配網(wǎng)保護級數(shù)不多于三級的前提下，按照線路長度及負荷分布相對均衡的原則，在主干線路上選擇1～2個斷路器作為保護分段點。

4 經(jīng)濟效益分析

本方案項目建設靜態(tài)投資1679萬元，壽命周期25年。其主要經(jīng)濟指標分析如下：

①根據(jù)《省級電網(wǎng)輸配電價定價辦法》(發(fā)展價格規(guī)〔2020〕101號)要求，電網(wǎng)工程準許收益率為5%，本項目基準財務內部收益率確定為5%[6]。

②固定資產折舊采用分類平均年限法計算。20年折舊，殘值5%。

③運維成本按34萬元/年考慮。

④年收益測算182.7萬元。其中減少光伏倒送損耗收益0.7981萬元；減少電量損失收益2萬元；減少停電引起的搶修成本19.5萬元；減少停電引起的社會效益18.48萬元；解決過電壓問題帶來的效益84.3萬元；減碳排放效益52.8912萬元；減少配網(wǎng)改造和建設的收益4.75萬元。

⑤靜態(tài)投資回收期(稅后)13.67年，項目投資財務內部收益率(稅后)為5.38%。

5 新型電力系統(tǒng)下的規(guī)劃思路

“雙碳”背景下，供電公司在新型電力系統(tǒng)建設過程中不斷提出示范，理清重點思路和方向，履行電網(wǎng)的責任和態(tài)度[3]。

在電源側，在繼續(xù)支持提升清潔能源占比的基礎上，重點提升網(wǎng)架的消納能力。

在電網(wǎng)側，繼續(xù)加強配電網(wǎng)基礎建設，同時加大電網(wǎng)智能化建設，提高群調群控能力。主干配電網(wǎng)架安全保障能力進一步提升，對間歇性新能源和靈活性、多元化負荷適應能力進一步加強，通過構建基于柔直系統(tǒng)功率平衡基本解決電網(wǎng)設備輕重載問題。研究高比例分布式光伏并網(wǎng)條件。應用柔性直流互聯(lián)技術實現(xiàn)網(wǎng)架改造。新型電力系統(tǒng)根據(jù)各互聯(lián)饋線負荷及光伏出力柔性調整功率，降低因分布式光伏引起的反送風險[8]。

在負荷側，一方面積極配合政府推進電能替代，另一方面建立需求側響應庫，完善需求側響應策略；

在儲能側，配合化學儲能站、抽水蓄能電站建設等事項，開展儲能技術研究。

研究源網(wǎng)荷儲協(xié)同，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲資源深度互動，交/直流、配/微網(wǎng)融合的配電新形態(tài)全面形成，滿足各類源荷主體靈活、便捷、高效接入電網(wǎng)[8]。

6 結束語

隨著大規(guī)模分布式光伏、可調節(jié)負荷的接入，配電網(wǎng)從接受并分配電能、潮流單向流動的形態(tài)，逐漸演化為多向潮流，從交流系統(tǒng)逐漸演化為交直流柔性互聯(lián)系統(tǒng)。由于缺乏“源網(wǎng)荷儲”海量資源的監(jiān)控和統(tǒng)籌優(yōu)化控制技術，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)已無法適應新形態(tài)配電網(wǎng)運行控制和分布式光伏消納的需要，亟需推進配—微網(wǎng)協(xié)同、源網(wǎng)荷儲一體化協(xié)調控制等新技術的試點建設和應用推廣。本文從一個基于柔直的饋線型微網(wǎng)示范項目出發(fā)，討論其建設概要、技術亮點、實施成效，并作經(jīng)濟分析，對新型電力系統(tǒng)規(guī)劃提出展望思路，旨在為相關單位提供參考。