基配电系统灵活性提升技术研究

董旭柱武汉大学2023年11月，深圳 01背景与意义 02柔性配电系统的特征 03配电系统灵活性提升技术 04总结与展望 配电系统是构建新型电力系统的关键领域 配电系统承上启下，具备区域能源协同和供需深度互动的能力，支撑大规模分布式能源接入满足多样化负荷的供电需求 高质量发展目标 清洁低碳安全充裕经济高效供需协同灵活智能 配电系统正在演变为区域资源优化配置平台，对我国能源供给与消费的低碳化转型起到关键支撑作用。 配电系统的形态变革一一新型源荷大规模接入 分布式电源大规模接入：大规模分布式能源接入，向产消者转变，虚拟电厂快速增加。 新型负荷快速增长：用能结构加速调整，充电负荷和电力电子负荷迅猛增长，电能替代深入推进。 配电系统的形态变革一一新型配电技术日趋成熟 柔性配电装备日趋成熟：能量路由器、柔性多状态开关、直流配电设备等已示范应用并日趋成熟可实现柔性互联和分区功率互济，促进分布式能源消纳、故障隔离、韧性恢复等功能 运行方式面临变革机遇：分层互联分区自治成为网架新形态，传统“合环设计、开环运行”逐步转变为“合环设计、柔性合环运行” 背景与意义 线路、设备规划余 现状 资产利用率低面对灾难事敌韧性不足 充分利用新技术，建设柔性配电系统，提升配电系统灵活性以灵活性应对高度不确定性，提升新型源荷承载能力，为新型配电系统提供了新路径 目标 02柔性配电系统的特征 03配电系统灵活性提升技术 04总结与展望 柔性配电系统的定义与特征 柔性配电系统：是指综合利用电力电子、信息通信、人工智能等技术实现配电系统分布式功率灵活控制、网架灵活切换、运行方式灵活调整，提升配电系统灵活性 配电系统灵活性：在一定时间尺度下，配电系统通过柔性控制和拓扑灵活切换，以经济可靠的方式快速响应分布式电源及负荷不确定性变化的能力。 01背景与意义 02柔性配电系统的特征 03配电系统灵活性提升技术 04总结与展望 灵活性资源规划技术 配电系统灵活性提升技术 灵活性资源规划技术 灵活性资源规划 方向1：多元灵活性资源协同规划 实施路径： 目标： 分析配电网灵活性需求，生成灵活性需求场景，构建灵活性评价指标针对各类柔性资源特点，建立双层规划模型，即规划配置层和优化调度层，实现对柔性资源的规划 优化系统中的多元柔性资源布置，平抑系统中源荷不确定性，实现配电系统安全、稳定、经济运行 灵活性资源规划 配电系统灵活性提升技术 方向1：多元灵活性资源协同规划一一新型配电系统不确定性源荷承载力分析 解决思路： 问题： 通过不同场景随机/时序潮流计算，计及多时间尺度、灵活性资源及不确定性等特征，定量关系描述分布式光伏接入规律，为实际配电系统分布式光伏规划提供参考 配电系统承载分布式电源/电动汽车充电等源荷接入的能力不明 元件热极限与电压问题为主要约束因素负荷特征与光伏承载力密切相关 配电系统柔性提升技术 柔性资源规划技术 配电系统多元柔性资源协同规划一一储能规划 问题： 大规模分布式新能源接入造成的配电线路过载、电压越限等配电网调度运行问题。 工况I：储能系统恒功率充电工况ⅡI：储能系统充放电平滑并网功率波动工况ⅡⅢI：基于限功率的光储系统输出功率平抑策略 解决思路： .储能单-一规 2.源网荷储联合规划： 储能用于平抑光伏输出功率波动，波动率基本在10%以下；优化配置后，储能充电功率具有更大的可调节性；并网功率更为平滑，有助于减少并网功率波动。 灵活性资源规划 方向2：柔性网架规划 实施路径： 目标： 研究中低压电网形态演变多维驱动因素，揭示中低压电网的多时空尺度的演变机理，建立中低压电网结构演化模型 建立网络演化关键指标体系，基于图论对网络进行抽象化，模拟负荷/分布式新能源增长及网络生长演化，获取形态转变的关键时间，设定互联互通方案，并基于网络技术经济指标影响对演化模型进行评估校验。 阶段优化结果 灵活性资源规划 配电系统灵活性提升技术 应用案例一一多元协同规划 广水县域电网作为县域级100%新能源新型电力系统运行场景与试验基地，从中选取典型场景进行研究 城镇场景：高负荷密度，高可靠性乡村场景：配电网一般选用最简单的单辐射结构，供电区域较为广阔但负荷较为分散园区场景：含有大量工厂和企业用电量很大负荷密度高 广水县域电网城镇、乡村、园区三类典型场景优化结果 不同场景形态转变关键时间不同。城镇场景为光伏渗透率达到40%时，乡村为20%，园区为30%. 乡村场景 灵活性资源规划 方向3：柔性装备设计与应用 实施路径： 目标： 考虑多优化目标，计及源、荷等影响因素，对含柔性配电装备的配电系统建立关键设备模型、系统运行模型，对柔性装备进行优化配置 研究满足大规模分布式资源接入需求的配电装备优化布局方法 灵活性资源规划 方向3：柔性装备设计与应用一柔性多状态开关 解决思路： 问题1： 建立了含柔性多状态开关的交直流配电系统安装位置及容量优化模型结合受限程度排序实现场景筛选，为复杂运行场景下的交直流配电系统规划和关键装备配置提供支撑。 面向多场景多工况的柔性多状态开关配置方法？ 灵活性资源规划 配电系统灵活性提升技术 方向3：柔性装备设计与应用一能量路由器 解决思路： 问题2： 提出能量路由器配置策略，构建“聚散”运行场景架构，分析不同柔性资源接入对消纳需求影响，建立配网综合适应性多维度评估体系求解单个电能路由器配置方案，降低配网电压偏差和运行成本。 面向多场景多工况的能量路由器配置方法？ 能量路由器安装于节点29时年综合成本最小，对应的收益率最大此时，标么值计算下的松弛间隙kgap为1.91e4，即最大相对误差远小于实际值，优化结果有效。 “聚散”运行场景架构 配网综合适应性多维度评估体系 能量路由器端口配置情况 配电系统灵活性提升技术 灵活性资源优化调度 灵活性资源优化调度 配电系统灵活性提升技术 方向1：灵活组网技术 目标： 实施路径： 综合考虑网损和电压偏差寻求连续时段配电系统最优运行方式和中低压网架结构 考虑分布式资源接入运行影响因素，建立交直流配电系统拓扑优化模型，通过软件定义实现源网荷储的灵活调节和拓扑灵活切换。 灵活性资源优化调度 方向1：灵活组网技术 问题1： 实施路径： 分布式电源利益主体众多、装备标准不一，难以协同，如何在不改变用户装备前提下实现台区独立组网？ 采用构网型分布式储能+新能源主动支撑的架构，加入“构网型变流器+台区管控单元，实现分层分布式单元自消纳、区域自平衡、系统自组织。 新能源微电网群分层分布式自组织运行 灵活性资源优化调度 方向1：灵活组网技术一一中压网架重构 解决思路： 问题2： 提出考虑多分布式水电协调运行的微电网群重构方法，基于多分布式水电协调运行策略，优化多分布式水电出力及微电网拓扑。本案例重构后网损降低82.27%，弃水量降低50%。 如何实现含小水电群的配电网架重构，提升经济性和供电质量？ 目标函数 灵活性资源优化调度 方向2：分布式潮流灵活调度 实施路径： 目标： 与配电自动化云边端架构结合，建立分布式潮流调控策略，优化系统潮流分布，避免过电压和重过载，促进分布式电源规模化接入 结合发电/负荷分层级预测和系统潮流分布规律，建立交直流混合配电系统分层多目标运行模型，提出优化策略。交流系统：调节光储充的功率参考值：直流系统：调节换流站、光储充的功率参考值 灵活性资源优化调度 方向2：分布式潮流灵活调控一一交直流混合系统潮流调度 解决思路： 问题2： 利用直流配电线路灵活潮流可调技术优势，在线生成面向运行经济性与安全性的多目标调度方案，开发自动闭环多目标潮流优化调度软件，避免传统人工调度方式的时带性问题 交直流配电系统潮流灵活调控潜力大，调控自标多样，如何协同调节交流和直流配电线路的潮流，实现交直流系统级优化运行目标？ 配电系统灵活性提升技术 灵活性资源控制 配电系统灵活性提升技术 方向1：智能集群控制技术一一自组织协同运行控制技术 解决思路： 问题1： 构建柔性配电系统分层控制架构，上层采用智能体一致性控制，下层采用频率电压控制，实现资源协控。 在有限信息交互下如何实现多台区自组织协同运行控制？ 多智能体协同控制 上层控制感知器：接收所在代理区域的状态信息。 事件处理分发器：数据的分类和预处理通讯系统：各Agent之间协商确立最优目标。决策器：选择适当的决策并指定响应计划。效应器：作用于系统运行环境。下层控制 灵活性资源控制 方向1：智能集群控制技术一一主动柔性并网技术 实施路径： 问题2： 分析独立供电区域准同期并网条件的影响因素，提出相位差、频率差电压差控制技术，利用调频、调压、调相技术，调节系统潮流分布实现司频同相同幅值柔性并网 如何实现多个有源配电系统或微电网群的柔性互联，提高系统韧性？ 灵活性资源控制 方向1：智能集群控制技术一一被动柔性离网技术 解决思路： 问题3： 提出考虑暂态频率约束的“集中决策+就地控制”结合的控制策略集中决策：预先决策小水电与负荷开关状态并定期下发开关指令；就地控制：实时给出孤岛判别信号并综合集中控制器指令进行就地动作。 有源供电区转为孤岛供电模式，功率冲击大、系统等效惯量小、通信条件差，如何在频率/电压不越限情况下实现平滑过度？ 所提策略保证紧急状态下频率/电压不约越限实现平滑切换，削弱通信延时的景影响。 参考文献：张秋萍，等.弱通信条件下 灵活性资源控制 方向2：设备灵活控制技术 实施路径： 目标： 梳理配电主要场景、工况及对统一配电装备的功能需求，研制模块化多端口统一配电装备，具备变压分流、潮流控制、构网控制、电能质量治理、故障隔离与恢复等功能 通过硬件结构与软件功能解耦，实现不同设备功能的灵活切换，满足灵活组网运行对变换器功能多样化需求。 >软件定义技术与交直流混联配电系统结合 灵活性资源控制 方向2：设备灵活控制技术一一构网控制技术 解决思路： 问题1： 研究构网型储能技术，构网型储能负责提供动态频率和电压基准，与台区管控单元协同，可以支撑分布式配电系统灵活组网运行。 传统跟网型变流器稳定运行需要电网提供的频率电压基准，运行方式受限、稳定性差，难以支撑独立组网？ 灵活性资源控制 方向2：设备灵活控制技术一一功率支撑控制技术 解决思路： 问题2： 分布式电源如何为电网提供快速稳定的动态功率支撑？ 利用分布式电源为系统提供动态功率支撑，发明了基于锁相锁幅失量同步结构，利用矢量动态误差作为基准为系统提供动态功率支撑，动态响应快速、稳定性好。 基于APLL控制在0.1s内可实现快速的动态有功支撑，传统控制则需0.5s。APLL能提供更多动态功率支撑，相应的频率下降速度更慢 在成熟的跟网型控制上附加功率信号，避免高成本改造 基于APLL控制在0.15s内可实现快速的动态无功支撑，传统跌落最低点更高。 快速支撑支路只在动态过程中起效，在稳态时支撑功率为0 灵活性资源控制 案例应用一一灵活性资源控制 云南鹤庆县网架结构分散直薄，保供电难度大。充分利用分布式光伏资源赋，在上级配网失电或者馈线敌障时，以多台区独立组网运行的方式实现连续供电，以降低非计划停电时长。 配电系统灵活性提升技术 柔性配电网保护 方向1：自适应保护技术 实施路径： 目标： 由智能终端实时获取配电线路拓扑信息和最大负荷电流，自适应调整保护定值，建立分布式电流保护相关逻辑节点，实现自适应保护和故障自愈功能 配电系统电流保护如何适应拓扑灵活变化而自适应调整避免保护误动或拒动？ 武岳范开俊徐丙退等计及拓扑结活应电 柔性配电网保护 配电系统灵活性提升技术 方向2：防孤岛保护技术 目标： 逆变类分布式电源输出的短路电流有限，研究防孤岛保护技术，可在非计