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交直流混合配电网规划运行关键技术研究  

2016-11-14 11:01:52|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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随着直流源荷和柔性直流技术的发展,交直流混合配电网可更高效地接纳直流源荷,是未来配电网的重要发展方向。文章首先对交直流混合配电网的优势、国内外相关技术研究现状进行归纳;其次对交直流混合配电网的拓扑结构、优化规划、调度控制、经济性评估等关键技术问题进行总结分析;最后对交直流混合配电网的应用前景进行展望。

配电网

  0 引言

  传统配电网面对日益多样化的负荷和用电需求,在可靠性、经济适用性、高效性等方面面临巨大挑战。国家发展和改革委员会联合国家能源局于2015年、2016年分别出台《配电网建设改造行动计划(2015-2020年)的通知》和《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》等文件,明确指出要推动可再生能源生产智能化,建设高灵活性的柔性能源网络,保证能源传输的灵活可控和安全稳定,大幅提升配电网接纳新能源、分布式电源及多元化负荷的能力,优化配电网网架结构,提升供电可靠性水平。

  目前,发用电技术的多样化发展需求,很大程度体现在直流电源与直流负荷的日益增加。光伏电源、风力发电、燃料电池、储能单元(电池、超级电容器等)产生的电能大部分为直流电;常用的电气设备及大型直流负荷,如计算机、空调设备、制冷设备、电动汽车、数据中心、电气化机车等采用直流供电更为方便。在交流配电网中,上述直流源荷都需要通过DC/AC、AC/DC、DC/DC变流器接入相应电压等级的交流配电网,或者先组网为直流微电网再经由变流器接入交流配电网。如果直接接入相应等级的直流配电网,可以省去部分变流器,减小损耗,提高电网的供配电效率及经济性。此外,交直流混合配电网中直流部分不存在同步问题,可以有效隔离交流侧扰动和故障,保证高可靠性供电。柔性直流技术在配电网中的发展应用使交直流混合配电网可实现输送功率的灵活控制,在常态运行中保障交直流发用电设备的高效接入,并在紧急状态下实现快速的跨区功率支撑。

  目前国内外在交直流混合配电网领域的相关研究及示范工程尚在起步阶段,针对直流配电网的研究已有初步成果。在北美,弗吉尼亚理工大学CPES中心于2007年提出“Sustainable Building Initiative(SBI)”计划,于2010年将其发展为“SBN(Sustainable Building and Nanogrids)”,并且提出了基于分层互联交直流子网混合结构概念性互联网络结构。北卡罗莱纳州立大学于2011年提出“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management(FREEDM)”结构,适用于“即插即用”型分布式电源及分布式储能的交直流混合配电网结构。阿尔伯塔大学于2012年提出了基于变流器的交直流混合配电网结构,给出小信号分析模型并分析其稳定性。

  在欧洲,意大利罗马第二大学和英国诺丁汉大学于2008年针对交直流混合配电网提出“Universal and Flexible Power Management(UNIFLEX-PM)”方案,在各个电网的不同工况下实现能量的双向流动。罗马尼亚布加勒斯特理工大学于2007年提出含有替代电源的直流配电网结构,实验证明该结构提高了电网的运行效率和电能质量。意大利米兰理工大学提出含有分布式电源的本地直流配电网结构,实现分布式电源、负荷与电网之间能量的双向流动。

  在国内针对交直流混合配电网的研究刚刚起步,目前相关研究成果主要集中在直流配电网方面。优化规划方面,已有对直流配电网的拓扑、电压等级、规划方法、可靠性、经济性和综合评估等问题的研究。运行调度方面,有学者对直流配电网的潮流计算、电压分布、含分布式电源的调度等问题进行了研究。控制保护方面,对直流配电网建

  模、控制策略、保护等问题均有相关研究。此外,相关“863计划”项目获得立项支持,其中由北京市电力公司承担的“863计划”项目“交直流混合配电网关键技术”于2015年正式启动,旨在实现面向城市不同供电区域之间柔性直流互联和交直流混合环网闭环运行控制,从而解决高密度可再生能源接入问题并保障交流配电网可靠性。

  本文将结合现有研究成果,对交直流混合配电网的网架结构、优化规划、调度控制、经济性评估等内容进行归纳总结。

 1 交直流混合配电网网架结构

  交直流混合配电网网架结构对运行可靠性、灵活性、经济性等方面都有重要影响。传统交流配电网的网架结构已经非常成熟,国内外均有相关网架结构标准和案例。目前针对交直流混合配电网网架结构的研究较少,主要研究工作集中在直流配电网的网架结构设计。交直流混合配电网网架结构设计需要综合考虑现有交流配电网的网架结构和直流配电网的研究成果,提出交直流混合配电网网架结构设计方案。

  我国交流配电网中,高压配电网网架结构主要有链式、环网和辐射状结构;中压配电网结构主要有双环式、单环式、多分段适度联络和辐射状结构;低压配电网一般采用辐射状结构。10kV配电网结构根据架空网和电缆网的不同可以分为2类:架空网主要包括辐射式接线和多分段适度联络接线2种模式;电缆网主要包括单环式接线和双环式接线2种模式。北京市高压配电网以环网建设、放射状运行为主(“手拉手”式网架结构)。巴黎城区的电缆网采用三环网T接或双环网T接方式;东京22kV电缆网采用主线备用线、环形、点状网络接线方式;新加坡采用“花瓣式”结构,22kV配电网采用环网连接、并列运行方式。

  直流配电网网架结构主要有辐射型、两端供电型和环型直流配电网。①辐射型直流配电网由不同电压等级的直流母线组成骨干网络,分布式电源、交流负载与直流负载通过电力电子装置与直流母线相连,其结构简单,对控制保护要求低,但供电可靠性较低;②两端供电型直流配电网与辐射型直流配电网相比,当一侧电源故障时,可以通过操作联络开关,由另一侧电源供电,实现负荷转供,提高整体可靠性;③环型直流配电网相比于两端供电型直流配电网,可实现故障快速定位、隔离,其运行方式与两端供电型直流配电网相似,且供电可靠性更高。

  根据不同的应用需求,交直流混合配电网可分为含柔性直流装置的交直流混合配电网与含直流网的交直流混合配电网,前者适用于直流源荷较少的情况,后者更加适合高密度直流源荷接入的情况。含直流网的交直流混合配电网接线模式主要包括辐射型交直流混合配电网(交直流线路间无联络)、多分段适度联络型交直流混合配电网(交直流线路间有联络),两者的网络结构分别见图1、图2。

图1 辐射型交直流混合配电网结构

配电网

图2 多分段适度联络型交直流混合配电网结构

  根据端口数的不同,含柔性直流装置的交直流混合配电网主要包括两端互联、三端互联、四端互联和六端互联等方式。

  2 交直流混合配电网优化规划技术

  交直流混合配电网的优化规划问题是配电网结构设计阶段需要解决的核心问题,对交直流混合配电网的安全、可靠、经济运行具有重要意义。

  目前与交直流混合配电网优化规划相关的研究,主要是基于传统交流配电网规划方法的成果,在直流配电网或直流微电网的一些特殊应用场合的规划问题中进行应用。例如,针对海上风电接入配电网已有相关研究;此外,有学者对孤岛直流微电网运行控制进行了相关研究,文献[36~37]提出孤岛直流微电网的运行方式及控制策略;文献[38]针对直流微电网提出基于本地电压分段控制策略的稳定性控制方法;文献[39]研究了直流微电网的能量协调控制问题。而针对交直流混合配电网的规划问题,着力解决在城市现有交流配电网中扩建直流子系统(包含柔性直流互联装置以及直流线路)的规划方法,并没有特别研究其关键技术及可行的规划方法。

  基于优化问题所需要涉及考虑的优化变量、优化目标和约束条件3方面内容,交直流混合配电网的规划模型具有其自身的特征。

  模型的优化变量需要扩展考虑直流源、荷以及柔性直流装置的位置和容量;此外,也可结合交直流混合配电网调度运行方式增加相应的优化变量。

  交直流混合配电网的优化目标依然从经济性最优、可靠性最优2方面进行评估。经济性评估主要从全寿命周期内投资成本、运行成本和经济性评价指标(净现值、投资回收期等)3方面进行评估。含有柔性直流互联装置的交直流混合配电网由于装置成本占比较大,需要深入讨论成本不确定性对经济性结论的影响,从而调整优化规划目标;含有直流线路的交直流混合配电网由于其基于已有交流配电网进行扩展规划,通常建设时间较长,且根据直流子系统成熟度的递增,一般可分为多个建设阶段去考虑其经济性优化的规划目标。交直流混合配电网的可靠性评估需要反映柔性直流设备和网络运行的综合可靠性,并在直流子系统所能提供的紧急功率支撑条件下讨论其对网络可靠性的提升。

现阶段大量的研究主要集中在经济性单目标优化方面:文献[41]考虑经济性,以网损最小为目标函数,建立了配电网重构二阶锥规划模型;文献[42]以最小规划年综合费用最小为目标函数,包括线路投资费用、折旧费用和运行中年电能损耗费用,建立基于协同遗传算法的配电网规划模型。由于经济性单目标优化包含的信息十分有限,多目标优化已经成为配电网规划的研究方向:文献[43]采用多目标规划方法,引入电能质量目标函数,以规划电网线路总长度最短和风电场公共接入点PCC处闪变值最小为目标函数,建立基于改进NSGA2算法的规划模型;文献[44]建立以最小化配电网投资、最小化网络损耗为目标函数的多目标规划模型。

  考虑交直流混合配电网的优化模型,优化规划问题的求解可基于以下几类算法进行尝试:第一类是解析算法,包括线性规划、非线性规划和混合整数规划等;第二类是智能算法,包括遗传算法、禁忌搜索算法和蚁群算法等;另外,还有基于图论的最小生成树等方法。

  在相关的优化规划算法尝试方面,文献[45]提出了基于地理信息系统和遗传算法的配电网优化规划方法,综合考虑投资、维护和运行费用,包括用户停电损失,考虑了配电网的可靠性价值;文献[46]提出了基于蚁群算法的配电网网架优化规划方法,将蚁群算法应用于配电网网架优化规划问题的研究,建立了网架规划的数学模型;文献[47]提出了一种基于改进最小生成树算法的配电网网架优化规划方案,将配电网的电源点和负荷点当作顶点,将各个顶点间可能架设线路的走廊当作边,将线路的建设费用和运行费用(主要为线损)之和作为各条边的权,在采用基本最小生成树算法获得初步规划方案的基础上,采取动态调整各条边的权值并反复迭代的方法,获得总费用最小的优化规划结果;文献[48]将多粒子群协同优化算法应用于配电网网架结构研究;文献[49]利用混合整数线性规划方法解决大型风电场并网规划问题。

  交直流混合配电网规划问题属于大规模组合规划问题,对于实际大系统,第一类解析算法计算时间通常较长,容易造成“维数灾”问题,一般适用于小系统。如果需要采用解析算法(智能算法无法处理或陷入局部最优解),需要对交直流混合配电网先进行分区,再对每个子区域进行规划求解。第二类智能算法对数据的要求较低且可同时考虑多个目标函数和约束条件,适用于交直流混合配电网规划问题。另外,大部分智能算法均可实现并行计算,可在交直流混合配电网分区的基础上,利用智能算法的并行特性提高求解速度,且能做到在各个配电网分区间的信息交互,实现交直流混合配电网各个子分区间的联合规划。

  3 交直流混合配电网调度与控制技术

  智能电网的发展趋势,对配电网的可控性提出了更高的要求。传统交流配电网的可控性较差,而在交直流混合配电网中,柔性直流换流器可以灵活地调节有功功率和无功功率,大大提升了电网的控制能力,与此同时,也对配电网的调度与控制提出了更高的要求。

  3.1 交直流混合配电网的调度方案

  交直流混合配电网的调度方案应当结合分布式电源、储能设备以及实际的负荷特性进行制定。由于交直流混合配电网相对传统配电网具有不同的拓扑结构以及运行方式,因此两者的调度方式也有所不同,交直流混合配电网中可借助柔性互联装置,实现多区域间潮流的广域调度。

  目前针对交直流混合配电网优化调度的研究相对较少,研究成果也相对集中在柔性交直流混合电网的最优潮流(optimal power flow,OPF)方面。文献[52~54]分别利用遗传算法、牛顿法以及二阶锥规划的相关技术对交直流混合电网OPF问题进行了建模和求解。在电力系统中,内点法是一种常用的优化算法,文献[55]建立了交直流混合电网内点法OPF模型。在此基础上,学者们进一步研究了考虑暂态稳定的交直流混合电网OPF等问题,推进了相关方法的实用化进程。在OPF研究的基础上,已有部分研究人员对考虑多时段的交直流混合电网调度问题进行了研究,采用的方法包括通过简化模型降低问题的求解难度,或者通过优化分解算法,将较复杂的交直流混合电网调度问题分解为若干子问题,分别进行求解等。

  在上述问题中,通过优化分解算法,采用分布式的思想构建交直流混合配电网的优化调度方案,是一个较有前景的研究方向。首先,交直流混合配电网分区清晰,易于划分各个优化主体,并且利用柔性直流换流站的功率控制能力,也可降低各子优化问题的建模和求解难度;其次,各个交流配电网区域原本就独立运行,极大地便利了分布式优化控制系统的部署,利用分布式优化也可以充分利用各个区域的自主运行能力,进行并行计算;最后,通过分布式优化,可以避免配电网内大量信息的远距离报送,减小了通信的需求,也保护了内部运行信息的安全。

  本文研究了交直流混合配电网的多源协同分层分布式优化调度方案,其结构见图3。

图3 交直流混合配电网的分层分布式优化调度策略

  该策略利用分层调度和分布式优化理论和方法,对含有多类型分布式发电的交直流混合主动配电网进行优化调度,以实现电能的高效生产和使用。在局部调度层,对可再生分布式能源发电结合储能装置进行联合出力优化;在区域调度层,根据局部调度层的优化结果对配电网区域内的可控分布式发电以及区域间的交换功率进行调度,优化配电网的供电方式。通过仿真研究,可以证明该分层分布式优化调度策略的可行性和有效性,在局部调度层可以充分利用可再生能源,并有效利用储能平抑波动;在区域调度层,通过分布式优化调度,可以得到整体交直流混合配电网的最优供电方案,且验证了通过构建交直流混合配电网,可以更好地利用各个交流配电网区域不同的负荷特性,实现能量的广域调度。

 在上述分层分布式优化调度策略中,本文采用了基于分析目标级联的分布式优化方法,从而将交直流混合配电网的优化调度问题分解到交流配电网区域和直流配电网区域分别进行求解,见图4。

图4 交直流混合配电网的优化调度问题分解

  3.2 交直流混合配电网的协调控制策略

  多端柔性直流配电网将是构建交直流混合配电网的重要组成部分,其可靠的协调控制策略是交直流混合配电网能够正常运行的重要保障。多端柔性直流配电网的运行控制通常采用分层的形式,分为系统级控制以及换流站级控制,其中系统级控制实现直流电网的功率平衡和电压稳定,换流站级控制实现各个换流站快速跟随上级运行指令,并调整其运行点。系统级控制、换流站级控制与3.1节所述调度级控制共同构成了交直流混合配电网的调度控制系统,见图5。

  对于系统级控制,可进一步分为一次和二次控制层。其中二次控制层通过快速优化控制,可消除一次控制误差,实现多端柔性直流系统的优化运行。加入二次控制层,还可以为系统级控制带来诸多好处,例如,可通过二次优化控制为系统级一次协调控制提供参考;或在二次控制层中通过N-1校核等手段提高系统运行的可靠性。系统级一次控制常通过设定各个换流站之间的控制模式实现,包括主从控制、电压偏差控制和下垂控制等。其中电压偏差控制模式以及下垂控制模式由于具有更高的可靠性和更宽的系统运行范围,因此更受到认可。相关研究多集中在对上述几种控制模式的改进,以获得更好的协调控制效果,研究思路包括将不同的控制模式加以结合,从而在系统运行点改变时选择合适的协调模式;或通过附加控制环以自适应地修正协调控制参数,从而获得更优的控制效果等。

  对于换流站级控制,矢量控制是目前最常用的控制形式,通过坐标变换将abc坐标系转换至旋转的dq坐标系,从而实现对有功功率和无功功率的直接控制。最常见的矢量控制形式利用比例—积分(proportional-integral,PI)控制器进行设计。这种形式的控制器可能存在因运行点大范围变化而使控制效果变差的问题,因此,很多学者在其基础上进行了改进,以改善其控制效果。

  本文研究了多端柔性直流系统的分散非线性控制策略,其“分散”的特性可以保证各换流站在较少通信的条件下仍可以自主协调运行,而“非线性”的特性可以保证在运行点大范围变化的条件下仍具有良好的控制性能,从而能够融合多端柔性直流系统的系统级一次控制和换流站级控制目标,获得更优的协调控制效果。

  在交直流混合配电网中,间歇式分布式电源和负荷的功率波动会导致系统运行点在较大的范围内发生变化,也给多端柔性直流配电网的控制的鲁棒性和有效性提出了更高的要求。针对相关问题,有学者提出了“鲁棒优化”等新兴优化思想,其特点是可以保证运行点波动时结果的可行性和最优性,相关研究可为系统级二次控制层提供借鉴。此外,可进一步探索针对多端柔性直流系统的分散非线性控制方法,融合系统级一次控制与换流站级控制的功能,使多个换流站在分散、少通信的情况下,利用非线性控制保证在运行点大范围变化的情况下仍具有良好的控制效果。上述角度将是多端柔性直流配电网协调控制层面需持续研究的问题,其结构见图7。

配电网

图7 多端柔性直流配电网协调控制策略展望

  4 交直流混合配电网经济性评估

  经济性评估环节,是减少和避免交直流混合配电网建设项目决策失误并提高项目经济效益的重要手段。

  传统的交直流混合经济性评估方法主要包括确定性评估方法及不确定性评估方法。确定性评估方法主要包括静态评估法和动态评估法:静态评估法在评价工程项目投资的经济效果时,不考虑资金的时间价值,比较简单直观,但也未考虑工程项目在使用期内收益和费用的变化及各方案使用寿命的差异;动态评估法考虑了资金的时间因素,比较符合资金的动态规律,因而给出的经济性评价更符合实际,主要包括净现值法、内部收益率法、动态投资回收期法和费用现值比较法。

  在交直流混合配电网经济性评估中,可以采用静态评估对交直流混合配电网的经济性进行初步预估计,但其结果不能用于实际论证。动态评价法虽然考虑了资金的时间价值,但交直流混合配电网中技术经济变量的不确定性较大,动态评估法也不能保证评估结果的准确性。

  不确定性评估方法主要包括盈亏平衡分析和基于区间的经济评价算法。盈亏平衡分析用来研究项目的产品产量与项目的成本及收入之间关系,进而确定项目的盈亏平衡分析。盈亏平衡分析针对当某一参数或原始数据完全无法确定时,通过分析该参数的取值范围,以确定该参数在什么范围内方案是经济可取的,在什么范围内方案是不经济的。基于区间的经济评价算法对现金流、利率和生命期等概念加以扩展,使之不再是一个确定的数值,而是一个区间数,进而基于区间分析对项目进行经济性评价。

  在交直流混合配电网经济性评估中,基于区间的分析方法具有简单易行且能较好处理不确定性信息的特点,比较适合于不确定性经济评价。但是该方法虽然在一定程度上考虑了技术经济变量的不确定性,但是提供的评估结果是一个区间数,并不能提供区间上的概率分布信息。

此外,还有应用较为广泛的全寿命周期方法。当前配电系统经济性评估中,存在忽视中长期成本、注重短期投资的问题,为了弥补这一问题,引入全寿命周期成本经济性评价方法。该方法在产品寿命周期或其预期的有效寿命期内,考虑了产品设计、研究和研制、投资、使用、维修及产品保障中,发生或可能发生的一切直接、间接、派生或非派生的所有费用的总和,此方法虽然考虑了全寿命周期内的设备和系统的成本效益,但是没有考虑技术经济变量的不确定性。

  综上,在交直流混合配电网经济性评估中,传统的经济性评估算法已经难以适应新的经济性评估要求。需要在全寿命周期内,考虑技术经济变量的不确定性和资金的时间价值,对交直流混合配电网的经济性进行评估。有学者提出基于概率全寿命周期的经济性评估方法,该方法在全寿命周期方法的基础上,考虑了经济性评估变量的不确定性,适用于交直流混合配电网的经济性评估。

  此外,相比于交直流混合配电网中其他设备费用,含有柔性直流装置的交直流混合配电网中柔性直流装置一次投资、运维费用较大,如何考虑柔性直流装置的不确定性,是需要进一步研究的问题。

  5 结语

  本文对交直流混合配电网的已有研究进行总结,讨论了交直流混合配电网的网架结构、优化规划方法、调度控制方法、经济性评估方案等关键技术,提出了未来交直流混合配电网规划运行关键技术可能的发展方向,期望能对未来交直流混合配电网的发展提供一些借鉴。

  交直流混合配电网规划中,相比于传统交流配电网,由于加入了柔性直流装置和分布式源荷,需要综合考虑规划、运行过程,进行风险评估。优化模型目标函数侧重点需要从成本更多地转向关注电网安全风险控制。此外,由于新能源的不确定性,规划模型及评估方案需要从传统的确定性模型转变为概率、随机性模型。上述方面在交直流混合配电网规划中应给予高度重视。

  柔性直流设备给配电网的运行带来了新的可控手段,可以实现对配电网内有功、无功潮流的连续调节。在交直流混合配电网这种新的电网形式中,如何对多种连续调节设备和离散调节设备进行协调控制,在正常运行和故障状态下均保持良好的控制效果,值得深入研究。此外,在交直流混合配电网中,分布式电源和负荷功率均存在较大波动,将引起系统运行点的大范围变化,研究交直流混合配电网的鲁棒控制方法,从而在运行点转移时仍具有良好的控制能力,将为其运行带来很大的帮助。

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