基配电系统灵活性提升技术研究

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 Outline01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 背景与意义 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 智慧工厂、数据中心 三联供 负荷集成商高质量发展目标 177小水电清洁低碳 需求响应安全充裕 田田配电系统贵 经济高效 供需协同 分布式储能光伏发电灵活智能 电动汽车分散式风电 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。 背景与意义 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。 关键指标20222025203020602013-2021年中国分布式光伏装机总量发展*2013-2021年中国分散式风 分布式电源装机 （35kv及以下） 10.95亿千 3000060%1200电装机总量发展* 瓦 2000040% 电动汽车 5.3亿辆 1000020% 800 400 全社会用电量 16万亿0% 2N 2 34567890 最高负荷 2亿千瓦 1200万辆 2.5~3亿千 瓦 2500万辆 3.9 亿千瓦 8500万辆 8.4万亿度 9.5万亿度 12万亿 10.4亿千瓦 15.7亿千瓦 17.7亿千瓦 24.3亿干瓦 0 20302 分布式光伏发电装机总量（单位：万干瓦）分散式风电装机总量（单位：万干 终端电能占比27%35%43%70%占光伏发电装机总量百分比瓦) “数据来源：中国能源电力发展展望2021.国网能源院 中国风电产业地图2021风能专委会 背景与意义 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” 区 图图图園 美国CPES中心的交直流混合配电系统天津雪花网配电系统微电网集群 参考文献：张伟亮，张辉，支娜，王韩伟，石海涛.环形直流微电网故障分析与保护[J].电力系统自动化 D.Boroyevich,I.Cvetkovic,D.Dong,etal,Futureelectronicpowerdistributionsystemsacontemplativeview,201012thInternationalConferenceonOptimizationofElectricalandElectronicEquipment 背景与意义 现状网架结构固化系统调控手段单一线路、设备规划余 运行方式较单 系统调节能力有限 变电站母线 消内能力不足、潮流倒送资产利用率低 电能质量恶化面对灾难事敌韧性不足 问题 ■长短时间停电 ■其它电力扰动 变电站母线 净负信负荷光伏 1050 1642 光伏消纳能力不足150~240 长规时间停电其它电力视动 我 EPRI告计美国由于电力中新和扰动导致的年经济损失 非计划停电损失 高亢余、固化网架电能质量下降 目标 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6 Outline01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 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。 项目传统交流配电系统柔性配电系统 网架特点辐射状、开环运行多馈线多资源互联、柔性团环运行 元素特征源荷单一分布式电源、电动汽车、SNOP、直流配电等多元新元素 调度措施网架重构、无功-电压优化网架柔性切换、有功/无功-电压综合调控、分层分区调控等 能信传输能量/控制指令自上而下，单向流动源网荷能量与信息双尚流动、多维互动 负载调控调控能力低调控能力高 故障转供存在转供电时间长、短时段停电问题故障快速隔离，不间断转供电 蔡欢,袁旭峰,熊炜等.柔性互联配电网运行调度研究综述[1].智慧电力8 新型配电系统的柔性资源 分布式电源虚拟电厂配电自动化 分布式储能 柔性多状态 可控负荷 电动汽车、空调、 开关海水淡化等 等 能量路由器电力市场 9 提升配电系统灵活性的主要手段 灵活性资源灵活性资源灵活性资源柔性配电网保护 规划优化调度先进控制 多元灵活性资源协同规划 分布式功率调控 集群柔性控制技术自适应保护技术 柔性网架规划技术灵活组网技术设备灵活控制技术防孤岛保护技术 研究方向 柔性装备设计和应 用技术 个支撑 软件定义系统软件定义网络软件定义装备 手段 10 Outline01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 配电系统灵活性提升技术> 灵活性资源规划技术 灵活性资源规划技术 灵活性资源柔性网架协同规划规划方法 柔性装备 设计和应用 12 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 灵活性资源规划 目标：实施路径： 优化系统中的多元柔性资源布置，平抑系统中源荷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 不确定性，实现配电系统安全、稳定、经济运行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 灵活性需求场景生成灵活性指标 优化目标：最小化年网综合费用 光伏预测技术 电源灵活性电网灵活性 实时灵活性供需平衡评估 规层划配置 决策变量：柔性资源的选址、网架的新建和扩展为变量约束条件：功率平衡约束、新建线路约束、节点电压约 灵活性需求场景缩减技术束、线路传输功率约束等 整体灵活性供需平衡评估 电动汽车负荷预测基于灵活性资源属性的打分法基于生产模拟的概率评价方法 系统网架结构灵活性资源优化出力 优优化目标：净负荷波动率最小和灵活性资源运行成本最小 化优化 生成配电网典型灵活性 调度决策变量：各灵活性资源的出力为变量求解 需求场景 区间评价方法层算法 约束条件：灵活性供需平衡约束、储能SOC约束、可控负 荷约束等 获得最优规划方案 灵活性资源模型储能可控负荷电动汽车交直流配电网双层优化模型 13 配电系统灵活性提升技术 灵活性资源规划 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 ？问题：解决思路： 配电系统承载分布式电源/电动汽车充电等源荷接通过不同场景随机/时序潮流计算，计及多时间尺度、灵活性资源及不入的能力不明确定性等特征，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 网架参数技术原则负荷参数 电网结构型式 线路长度 负载率电压质量 电能质量短路电流 负荷类型 网损保护负荷水平 分段/联络制约 量化关系元件热极限与电压问题为主要约束因素 中低压配电网分布式光伏接入规律负荷特征与光伏承载力密切相关 14 研究进展>配电系统柔性提升技术 配电系统多元柔性资源协同规划一一储能规划 ?问题： >柔性资源规划技术 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。 33.33%工悦 219.23% 16.6796 6.41% 0-2%6%-10%10%以上 解决思路：基于限功率的光储系统并网工况I：储能系统恒功率充电 - .储能单- 一规功率波动特性 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 场优+储能运行成本 节点电压约束优 并网功牌 场 越限化 建构标目 景集 储能投资成本 约束线路潮流约束 化求解 光伏输出功平 能充电功率 税化后井图动室 2.源网荷储联合规划： 源网荷储成本 线性调度处理 7:3009:0010:3012:001307:1209:3612:0014.2416:4819:12 约 传输能源消耗储能最大充放电功率为12.5MW储能容量优化配置前后系统输出 束运行约束 系统结构形态 型源网荷储模 条件优化求解 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。 15 配电系统灵活性提升技术> 方向2：柔性网架规划 灵活性资源规划 目标：实施路径： 研究中低压电网形态演变多维驱动因素，揭示中低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/分压电网的多时空尺度的演变机理，建立中低压电网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，设定互联结构演化模型互通方案，并基于网络技术经济指标影响对演化模型进行评估校验。 网络抽象化 配电台区 负荷与分布式新 能源增长模拟 负荷点与分布式新 互联互通 联络规划 功电压超限 南流分布 建设成本： 点能源接入点生成 分区互联配电压尔器 配电柜择优原则电SAIFI 计及新能源特网SAIDI 输电线 征评估校验演 EENS ASAI 阶段优化结果 节 物可靠性化指标体系 理模 不同场景形态转变关键时 距充裕性型进入下一次间不同，与负荷水平与光 变压器支路离点度 经济性 伏渗透率相关 邻接矩阵 新生节点连接 到原网络灵活性拓扑连接图 规有此结更 负荷与分布式新能源增长模拟 16 配电系统灵活性提升技术> 应用案例一一多元协同规划 灵活性资源规划 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，供电区域城 优化前 0.52 3.99 24.34 99.95 5.20 0.64 0.74 优化后 0.46 3.78 23.95 99.96 4.23 0.51 0.72 优化前0.564.6015.26 99.95 4.92 0.53 0.97 优化后0.514.4613.78 99.96 5.19 0.47 0.95 优化前0.173.7216.84 99.96 6.49 0.56 0.14 优化后0.133.4514.19 99.97 6.34 0.54 0.14 较为广阔但负荷较为分散镇 SAIDIENNSASAI网损率 SAIFI %% 指标小时/MWI 次（年户） （年·户）（年·户） 潮流分布电压泰尔 村 园区场景：含有大量工厂和企业用电量很大负荷密度高乡 园 广水县域电网城镇、乡村、园区三类典型场景优化结果区 优化前优化后 1.05■优化前优化后1.1P(m) β,(m)= 0.95 0.85 0.9 0.8 pm(m) H(m)8B.(m)o.(m)lno(m) 0.750.70,(m)= 布 城镇场景园区场景B.(m） 潮流分布计算 1.1 ■优化前-优化后 除了乡村场景下的 T,=(+TX-()()+) 城镇场景乡村场景园区场景0.9网损率与园区场景Yh(kew)=Uneew) 0.8 的电压泰尔熵，其 U,-2U-,-Ul Y.=U.. 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%，园区为他指标在优化后都Y.-U. 有了显著改善 30%. 乡村场景电压泰尔炳计算 [T.-,=T,.17 配电系统灵活性提升技术> 方向3：柔性装备设计与应用 灵活性资源规划 目标：实施路径： 研究满足大规模分布式资源接入需求的配电装备优考虑多优化目标，计及源、荷等影响因素