深度！柔性配电网定义、组网形态与运行方式

利用柔性电力电子技术改造的配电网是一个重要趋势,能有效解决传统配电网发展中的一些瓶颈问题。先进的电力电子技术可以构建灵活、可靠、高效的配电网[1],既可提升城市配电系统的电能质量、可靠性与运行效率,还可应对传统负荷以及高比例可再生能源的波动性[2]。

智能柔性开关(也称软开关,包括SNOP,SOP,DCLink)[3-4],是安装于传统联络开关处的一种新型智能电力电子装置,它能使传统闭环设计开环运行的配电网改为柔性闭环运行。传统配电网通过调节开关的开合状态来改变电网拓扑,这种0-1调节模式,能在一定程度上改变潮流分布;安装柔性开关后,能平滑调节馈线间潮流分布,其优势主要体现在以下几方面：1）响应速度更快,潮流调节能力更强[3,5-6];2）降低电网损耗,优化电压分布,提高暂态电压稳定性[7-9];3）提高对分布式电源(distributedgeneration,DG)、波动负荷的消纳能力[4,10-12];4）均衡馈线间负载,提高供电能力[13-14];5）缩小故障停电范围,提高供电可靠性[3]。

文献[13]在研究多端柔性闭环配电网的供电能力时提出了柔性配电网(flexibledistributionnetwork,FDN)概念。本文认为,柔性化是未来配电网的一个重要特征,本文将详细讨论FDN的定义、组网形态与运行方式,并与传统配电网对比。

1、FDN的定义与实现

传统配电网(简称刚性配电网,与柔性配电网相对)由于受短路容量、电磁环网等问题的限制,被迫采取闭环设计开环运行的模式。潮流随网络结构参数以及负荷需求而自然分布,只能通过开关操作的网络重构才能在一定程度上改变潮流分布。开环运行对供电可靠性有负面影响,潮流控制力不强对安全性和供电能力也是不利的。

本文将FDN定义为能实现柔性闭环运行的配电网。FDN有2个特征：第1个特征是闭环,这是因为FDN在闭环点对短路电流具有阻断能力;第2个特征是柔性,即某些节点对所连多个支路的潮流具有多方向连续调控能力,从电网角度看能一定程度改变潮流的自然分布。闭环特征让FDN可能达到更高的供电可靠性,能做到故障或检修时避免短时停电;柔性特征让FDN具备更强大的潮流控制能力,能更快更广地适应负荷与DG的波动。

FDN概念属于智能配电网的子集。智能配电网是新一代配电网的统称,其内涵非常丰富：既有DG、储能等新元件接入,又包括配电网络自身的升级换代。网络换代有2方面内容：1）信息通信技术对二次系统的升级;2）电力电子技术对一次系统的升级。FDN的提出是针对方面2）的。FDN与主动配电网(activedistributionnetwork,ADN)概念不同：ADN针对DG进行主动调度,让其与电网协同工作;FDN针对电网一次系统,让其具备柔性能力。二者也存在联系：柔性化提高了电网潮流转移调节能力,有助于间歇性DG的消纳,对提高整个配电网的主动调节性也是有益的。

在已有电网基础上构建FDN,只需要部分关键节点或支路具有柔性闭环能力,这部分节点/支路称为柔性节点/柔性支路。柔性节点或柔性支路的关键设备是电力电子装置。柔性开关本质上是一种2端电力电子装置,可由背靠背电压源型变流器(voltagesourceconverter,VSC)、统一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller,UPFC)、静止同步串联补偿器(staticsynonousseriescompensator,SSSC)等电力电子装置实现。若直接使用柔性开关,通常在馈线联络处替代传统开关(以下称刚性开关,与柔性开关相对),这种情况适合单联络接线的柔性改造。

对于多联络接线,既可采用多台柔性开关,也可采用连接效率更高的多端电力电子装置[8,11]。由于开闭站在现有城市配电网中广泛使用,文献[13]提出的柔性开闭站(flexibleswitchingstation,FSS)是构建FDN的关键设施,具有组网效率高、规模易于伸缩扩展的优点,更能满足大规模复杂FDN的组网需求。FSS的核心是一台多端柔性装置,但从配电网工程师的角度来看,更适合视为由通过母线连接的多个柔性开关构成的开闭站,单台柔性开关也可视为FSS的特例。FSS的概念还利于结合传统刚性开关,采用柔性开关和刚性开关的混合方式,混合FSS对到变电站的主馈线可采用柔性开关连接,对到次级分支线路可采用刚性开关连接。

2、FDN的组网形态

2.1 FDN组网形态的总体思路

一些新的研究探讨了与我国现状不同的组网形态方式,例如网格化组网[15]、利用能量路由器[16]组网等。但由于我国已基本完成了大规模配网建设改造,现有网络规模庞大,已具有超前性。因此必须考虑从现有接线模式向FDN过渡并简化接线。

FDN并非全面替代刚性开关,而是在关键位置采用柔性开关,这是由于柔性开关造价高,即使大规模应用后也会明显高于刚性开关,在设备可靠性和耐久性方面也很难超过刚性开关。因此,部分柔性化改造后会取得性价比更好的结果。

传统配电网的多联络接线比单联络接线具有更高的允许负载率,未来高比例分布式电源需要更灵活畅通的网络结构。因此,本文认为城市配电网采用多端FSS对多回馈线进行组网更为合适。

依据配电网规划技术原则[17],中压配电网中架空网接线模式主要包括辐射和多分段适度联络2种;电缆网主要包括单环和双环2种。以下分为单联络与多联络2类结构讨论如何升级改造为FDN。

2.2 单联络结构的FDN组网形态

架空网单联络通过一个联络开关,将来自不同中压母线的2回馈线连接起来,正常开环运行。任何一个区段故障后,断开分段开关、闭合联络开关,将负荷转带到相邻馈线,完成负荷转带。

升级改造选在联络点安装2端FSS,代替联络开关。改造后任何一个区段故障后,配合更先进的自动化技术可能做到故障点下游连续供电,进一步提高可靠性。具体改造过程如图1所示。图1中：Fi表示馈线;Li,j表示馈线上的负荷。

电缆单环网的升级改造与架空网单联络相似,在环网点安装FSS,并闭合联络开关,如图2所示。图2中：Bi,j表示馈线段;Si表示开关。

2.3 多联络结构的FDN组网形态

架空网以多分段2联络为例,用FSS代替传统的联络开关并改造接线方式,将另外的联络开关闭合,拆除改造后的冗余开关。改造过程如图3所示。

在图3中,用FSS代替联络开关S3并改造接线方式,闭合联络开关S1,拆除冗余开关S2,改造后3回馈线实现柔性闭环运行。