李憲嫄

（鄭州大學(xué)管理學(xué)院，河南 鄭州 450000）

隨著分布式電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電力行業(yè)對(duì)電力系統(tǒng)的要求也在不斷提高。目前，隨著新能源汽車的逐漸普及，電力市場(chǎng)的需求越來(lái)越大，對(duì)電力市場(chǎng)中直流配電系統(tǒng)的研究也越來(lái)越多[1]。但在實(shí)際應(yīng)用中直流供配電也存在很多不足，其中直流故障的檢測(cè)、識(shí)別與隔離困難會(huì)對(duì)直流配電網(wǎng)絡(luò)的安全可靠運(yùn)行造成極大威脅。安全是衡量直流配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)其“一票否決”特性的安全問(wèn)題進(jìn)行研究對(duì)直流配網(wǎng)的推廣與應(yīng)用具有非常重要的意義[2]。目前，關(guān)于交流電網(wǎng)安全問(wèn)題的理論和方法已經(jīng)比較成熟，但關(guān)于直流電網(wǎng)安全問(wèn)題的理論和方法還不夠完善。除此之外，在目前低碳理念下，如何實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)運(yùn)行的低碳節(jié)能也是研究的重點(diǎn)內(nèi)容。對(duì)此，該文將以體育場(chǎng)館為依托，進(jìn)行對(duì)綠色低碳直流供配電系統(tǒng)改造的相關(guān)研究。

1 構(gòu)建體育場(chǎng)館綠色低碳直流供配電系統(tǒng)改造安全域模型

由于直流供配電的線路阻抗較小，因此發(fā)生故障時(shí)，短路電流的增長(zhǎng)速度會(huì)變快，短路沖擊電流也會(huì)變得更大，而且直流斷路器的安裝費(fèi)用很高，如果不能選用正確的斷路器，就會(huì)對(duì)換流站或直流變壓器產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停運(yùn)[3]。為了避免上述問(wèn)題的產(chǎn)生，可在系統(tǒng)中安裝一個(gè)接觸開關(guān)，使其開環(huán)工作，再使接觸開關(guān)與斷路器共同動(dòng)作，使其重新啟動(dòng)，從而進(jìn)行電力供應(yīng)。考慮體育場(chǎng)館綠色低碳直流供配電系統(tǒng)的安全性，該文結(jié)合饋線互聯(lián)關(guān)系的閉環(huán)設(shè)計(jì)和開環(huán)運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造。同時(shí)，在該環(huán)節(jié)，還給出了系統(tǒng)改造明確的安全域，并構(gòu)建了相應(yīng)的模型[4]。該文系統(tǒng)以各段饋線的負(fù)荷為狀態(tài)變量，全部負(fù)荷狀態(tài)變量構(gòu)成了負(fù)荷狀態(tài)矢量，如公式（1）所示。

式中：F代表全部負(fù)荷狀態(tài)變量構(gòu)成的負(fù)荷狀態(tài)矢量；F1、F2、...、Fn代表各個(gè)分量。

狀態(tài)矢量既能體現(xiàn)出各區(qū)段的載重，又能決定變流站的載重比例和載重分布[5]。分析饋線N-1 與換流站N-1 原理，狀態(tài)矢量F的變動(dòng)幅度為DC 配電網(wǎng)的安全區(qū)。由于存在多個(gè)饋電線路，因此使系統(tǒng)的狀態(tài)矢量F處于一個(gè)被高維空間包圍的范圍內(nèi)。該文根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析，得出了該系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。針對(duì)體育場(chǎng)館綠色低碳直流供配電系統(tǒng)改造安全域模型，定義部分參數(shù)和函數(shù)[6]。其中，N為系統(tǒng)中饋線區(qū)段的數(shù)量，tij為饋線區(qū)段i與饋線區(qū)段j的連接數(shù)量。如果饋線段i與饋線段j之間有段切換，或者i發(fā)生故障，可以直接向饋線段j供電，即饋線段i與饋線段j有直接聯(lián)系。此時(shí)，tij的取值為1。相反，如果在饋線部分i與饋線部分j之間有分段開關(guān)，或者饋線部分i與饋線部分j之間發(fā)生故障時(shí)，就不能直接對(duì)饋線部分j進(jìn)行供電，表明饋線部分i與饋線部分j之間沒(méi)有聯(lián)系，此時(shí)tij的取值為0。至于多個(gè)分段和多聯(lián)絡(luò)接線的情況，tij的取值不一定等同于tij。在該基礎(chǔ)上，分別定義布爾參數(shù)gij、lij和hij。在饋線部分i與饋線部分j來(lái)自相同換流站的情況下，gij的取值是1，而在其他情況下，gij的取值是0。如果饋線部分i與饋線部分j在轉(zhuǎn)換前為同一饋線，則lij的值為1，否則lij的值為0。如果有至少一個(gè)饋線分段k，那么可以將饋線分段i通過(guò)相同的換流站向k輸送電力，這時(shí)饋線分段i上的負(fù)荷可以從饋線分段j所處的換流站向其提供電力，則hij的值就是1，否則hij的值是0。根據(jù)上述描述，得到的系數(shù)參數(shù)表達(dá)式如公式（2）～公式（4）所示。

根據(jù)上述描述，將參數(shù)寫成矩陣的形式，得到的布爾參數(shù)定義見表1。

表1 布爾參數(shù)定義

結(jié)合lij的定義，矩陣L可通過(guò)矩陣T和矩陣G的哈達(dá)瑪積表示，如公式（5）所示。

在該基礎(chǔ)上可得L矩陣和H矩陣，至此完成了對(duì)體育場(chǎng)館綠色低碳直流供配電系統(tǒng)改造安全域模型的構(gòu)建。

2 設(shè)置直流供配電系統(tǒng)饋線與換流站約束條件

當(dāng)直流供配電系統(tǒng)上某一饋線段m發(fā)生故障時(shí)，其上所帶的負(fù)荷全部轉(zhuǎn)移到與其存在直接聯(lián)絡(luò)關(guān)系的饋線段n上[7]。對(duì)直流供配電系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)，應(yīng)考慮約束條件的存在[8]。與饋線段m屬于同一條饋線的饋線段p 也轉(zhuǎn)供到饋線段n，此時(shí)n的最上級(jí)饋線段q需要滿足線路容量的約束條件。假設(shè)各個(gè)饋線上的容量相同，則其約束條件如公式（6）所示。

式中：Rf代表饋線容量。

當(dāng)m作為下級(jí)饋線發(fā)生故障時(shí)，p、m之間的分段開關(guān)斷開，結(jié)合上述約束條件，p也轉(zhuǎn)供到饋線段n上。這與現(xiàn)實(shí)中的轉(zhuǎn)供方式不符。由于系統(tǒng)的安全分析涉及全部部件的失效，并且上位機(jī)部分的失效限制更嚴(yán)格，因此不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)產(chǎn)生影響。

3 直流供配電系統(tǒng)柔性控制

確定體育場(chǎng)館綠色低碳直流供配電系統(tǒng)改造的約束條件后，考慮系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中設(shè)計(jì)交流與直流的互動(dòng)，同時(shí)涉及光伏、儲(chǔ)能等多個(gè)系統(tǒng)模塊，因此該文提出了一種柔性控制方法，即對(duì)供配電系統(tǒng)進(jìn)行源網(wǎng)荷儲(chǔ)柔性調(diào)控。一方面吸納新能源并為體育場(chǎng)各設(shè)備提供充電條件，另一方面助力體育場(chǎng)館實(shí)現(xiàn)零碳化建設(shè)和改造?？刂苾?nèi)容主要包括利用智能電表與配電系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)設(shè)備相連，監(jiān)控交直流配電系統(tǒng)的負(fù)載情況，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的負(fù)荷率。利用系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)體育館AC/DC 配電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化控制。當(dāng)體育場(chǎng)館沒(méi)有舉辦賽事時(shí)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行光儲(chǔ)一體化充、放電，將白天剩余的光伏電能儲(chǔ)存起來(lái)，供夜間照明使用。首要的是引入凈負(fù)荷的概念，其定義是負(fù)荷與光伏出力之間的差值，如公式（7）所示。

式中：Pnet_load代表體育場(chǎng)館的凈負(fù)荷功率；Pload代表體育場(chǎng)館總運(yùn)行負(fù)荷；Ppv代表光伏出力的差。

在體育館舉辦賽事的過(guò)程中，利用傳感器對(duì)變壓器的負(fù)載率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)其超出一定閾值時(shí)，可以對(duì)其進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，使其處于有效的工作區(qū)間。當(dāng)凈負(fù)荷低于零時(shí)，將太陽(yáng)能電池的過(guò)剩電能存儲(chǔ)起來(lái)。如果蓄電系統(tǒng)已經(jīng)滿了，就啟動(dòng)靈活可調(diào)節(jié)的負(fù)載，讓其工作，來(lái)消耗太陽(yáng)能電池的過(guò)剩電能。當(dāng)凈負(fù)荷大于零時(shí)，超過(guò)的負(fù)荷部分會(huì)被儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放出來(lái)以取得平衡，需要時(shí)，會(huì)從交流配電網(wǎng)中對(duì)功率進(jìn)行平衡。通過(guò)上述柔性控制方式，光儲(chǔ)直柔調(diào)度技術(shù)能夠有效解決光伏發(fā)電接入電網(wǎng)的難題，使體育場(chǎng)館具備實(shí)時(shí)調(diào)控電力供需的能力，同時(shí)也能極大地提升場(chǎng)館用電的可靠性，降低因停電而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

結(jié)合上述直流供配電系統(tǒng)柔性控制結(jié)果，該文對(duì)供配電系統(tǒng)提出如下改造措施：在該過(guò)程中，可以根據(jù)體育館的設(shè)計(jì)需求，用直流供電的LED 燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的照明燈具，建立完善的體育館直流照明系統(tǒng)。同時(shí)，設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)在運(yùn)行中需要采用母線進(jìn)行供電，以此來(lái)降低供電電源、光伏設(shè)施等接入系統(tǒng)后造成的能源損失，進(jìn)一步提高體育場(chǎng)館供電系統(tǒng)投入使用后的能源利用率。完成上述設(shè)計(jì)后，可以將光伏設(shè)備與體育場(chǎng)館周邊的停車場(chǎng)進(jìn)行連接，將供電中的剩余電能用于體育場(chǎng)館照明，以此實(shí)現(xiàn)體育場(chǎng)館的綠色與低碳化設(shè)計(jì)，避免體育場(chǎng)館光伏電力資源的大規(guī)模浪費(fèi)，保證光伏設(shè)備能為體育場(chǎng)館內(nèi)的供電設(shè)備提供源源不斷的電力。

為了解決機(jī)動(dòng)柴油機(jī)引起的噪聲污染等問(wèn)題，該文充分發(fā)揮直流供電的優(yōu)勢(shì)，將機(jī)動(dòng)蓄電池作為臨時(shí)電源，實(shí)現(xiàn)無(wú)噪聲、無(wú)污染的臨時(shí)供電。另外，考慮光伏發(fā)電具有隨天氣變化的特性，該文擬采用光儲(chǔ)一體化充放電策略，將白天剩余的光伏電能用于夜晚照明，以提升可再生能源的利用率，達(dá)到體育場(chǎng)館節(jié)能減排的雙重目的。根據(jù)上述內(nèi)容完成對(duì)體育場(chǎng)館內(nèi)直流供配電系統(tǒng)的改造，將其整體轉(zhuǎn)化為交、直流混合配電系統(tǒng)，使其同時(shí)具備交流母線和直流母線，并通過(guò)雙向的AC/DC 進(jìn)行連接。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

4.1 系統(tǒng)改造前、后體育場(chǎng)館舉辦賽事期間的日負(fù)荷變化分析

某體育場(chǎng)館在舉辦某一賽事期間的日負(fù)荷變化情況如圖1 所示。賽事主要在夜間進(jìn)行，因此從圖1 可以看出，該體育場(chǎng)館建筑中的直流供配電系統(tǒng)在19:00～21:00 為電力負(fù)荷高峰期，最大負(fù)荷可以達(dá)到1.89MW，日用電量為20.2MW·h。

圖1 某體育場(chǎng)館舉辦賽事期間日負(fù)荷變化情況記錄圖

該體育場(chǎng)館外部建立了一個(gè)規(guī)模為240kW 的光伏設(shè)施，在不接入儲(chǔ)能設(shè)備的情況下，其外部輸入電力負(fù)荷的變化趨勢(shì)與圖1 一致。因?yàn)樵诠夥l(fā)電時(shí)段和高峰用電時(shí)段之間有一定的差別，所以在接入光伏設(shè)施之后，這座建筑的供配電系統(tǒng)仍然會(huì)有一個(gè)夜間用電高峰，這就造成了較大的供電壓力，最大負(fù)荷達(dá)到了1.86MW，用電量達(dá)到了18.2MW·h。應(yīng)用上述改造方案對(duì)該體育場(chǎng)館的直流供配電系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造后得到的舉辦賽事期間電力負(fù)荷的曲線變化結(jié)果如圖2 所示。

圖2 改造后體育場(chǎng)館舉辦賽事期間電力負(fù)荷的曲線變化結(jié)果

將圖1 與圖2 進(jìn)行比較可知，通過(guò)應(yīng)用上述改造方案，可以將最大負(fù)荷降至1.30MW 以下，有效降低了電力負(fù)荷和電力峰谷差。

4.2 系統(tǒng)改造前、后體育場(chǎng)館未舉辦賽事期間的日負(fù)荷變化分析

再將該體育場(chǎng)館在未舉辦賽事期間的日負(fù)荷變化情況進(jìn)行記錄，如圖3 所示。

圖3 體育場(chǎng)館未舉辦賽事期間日負(fù)荷變化情況記錄圖

從圖3 可以看出，由于在夜間并沒(méi)有舉辦賽事，因此其負(fù)荷時(shí)段主要集中在白天，最大負(fù)荷為0.42MW，日用電量達(dá)到3MW·h。在該基礎(chǔ)上，記錄改造后該體育場(chǎng)未舉辦賽事期間的日負(fù)荷變化情況，如圖4 所示。

圖4 改造后體育場(chǎng)館未舉辦賽事期間的電力負(fù)荷曲線變化結(jié)果

將圖3 和圖4 進(jìn)行對(duì)比可以明顯看出，改造后體育場(chǎng)館未舉辦賽事期間的電力最大負(fù)荷降至0.15MW 以下，降低了電力負(fù)荷，并起到了降低電力峰谷差的作用。上述具體體育場(chǎng)館在舉辦賽事和未舉辦賽事期間的電力負(fù)荷變化情況印證了該文改造方案的可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著體育產(chǎn)業(yè)的興盛，與之相適應(yīng)的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地和運(yùn)動(dòng)設(shè)施也開始大量興建。該文以現(xiàn)有體育場(chǎng)館的用電特征和供配電系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一種體育場(chǎng)館綠色低碳直流配電改造方案，從而形成了體育場(chǎng)館交、直流混合配電系統(tǒng)，并在比賽期間和非比賽期間進(jìn)行了負(fù)荷分析，驗(yàn)證了所提改造方案是可行的，并且具有很高的節(jié)能潛力和可以進(jìn)行進(jìn)一步拓展的能力，從而可以有效提升體育場(chǎng)館設(shè)施用電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，推動(dòng)體育場(chǎng)館達(dá)成雙碳目標(biāo)。