2024新型配电系统灵活性提升技术研究报告

报告人：董旭柱、尚磊单位：武汉大学、湖北省交直流工程研究中心2024年7月14日吉林 国家自然科学基金：基于电力电子变换器装置的交直流配电网规划与灵活组网方法（U22B20107） 目录 01背景与意义 02配电系统的灵活性 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。 。高压：35、66、110kV中压：20、10、±10kV低压：380、220、±750V 背景与意义 高渗透率分布式发电、电动汽车：不确定性增加 高比例分布式能源接入、产消者和虚拟电厂快速增加、电动汽车规模化增长，造成源荷不确定性增大随着分布式可再生能源发电技术的发展和生产成本的降低，中国分布式光伏和风电的总装机容量大幅 增加。 背景与意义 电力电子变换器：新型拓扑和柔性互联 高比例电力电子装备和直流配电技术逐渐成熟，可实现功率互济、潮流灵活调控，交直流混联配电成为一种新模式 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” 分层互联分区自治成为一种新网架形态 背景与意义 背景与意义 挑战1：系统平衡难度加大，运行安全风险增加 新能源大规模接入对电网的调频、调峰能力带来了挑战，负荷波动加剧、峰谷差加大，渗透率较高地区将遇到“鸭子曲线”难题，系统有功平衡难度加大，电力调节灵活性资源不足，电力平衡难度增加。 山东省在2023年五一假期间新能源发电大于负荷需求，出现了持续22小时的负电价。 背景与意义 挑战1：系统平衡难度加大，运行安全风险增加 误差引入点：分布式光伏一般采用依托集中式光伏预测结果折算的方式，引入偏差过大 存在问题：分布式光伏场站多、分布广、采集信息少，无法针对所有场站单独建模 背景与意义 挑战2：可观可测可控能力不足导致反向重过载、台区过电压 分布式光伏并网仅在客户侧安装开断和电能计量设备，电气信息、状态信息无法实时监测并上传。低压分布式光伏盲目并网与不合理规划，严重超出电网承载能力是造成反向重过载主要原因 台区内，某低压分布式光伏用户，建设屋顶光伏30干瓦。白天随着光伏出力增加，台区低压侧电压明显升，最高电压约251V（114%Un，超过国标107%Un要求） 背景与意义 挑战3：配电设备资产管理复杂，设备利用水平偏低 配电设备主体众多，点多面广，运维水平低，利用率低 背景与意义 机遇1：分布式新能源接入、新型电力电子装备提供了新手段 分布式电源具备调控潜力及作为韧性提升和备用电源的潜能，可作为应急电源，提高系统灵活性； 新能源经电力电子装备并网，电力电子控制能力极强，为改善电能质量提供了新手段 背景与意义 机遇2：交直流柔性互联为系统灵活组网、潮流灵活调控提供了新机遇 交流配电网潮流自然分布、可控性受限 电力电子装备和直流配电灵活性强、建设成本高 交直流混联配电系统潮流柔性可控、经济灵活 背景与意义 机遇3：信息化与智能化为系统安全稳定运行提供了新的技术手段 人工智能与大数据等方法，挖掘样本数据输入输出的内在联系，更准确地量化系统响应制定控制策略>通过源网荷储协调互动、信息物理融合，实现配电域、用电域和用户环境的协同互动 背景与意义 目录 01背景与意义 02配电系统的灵活性 03配电系统灵活性提升技术 04总结与展望 配电系统的灵活性 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 ImprovedflexibilityinDistribution Power 提升配电系统灵活性的主要手段 目录 01背景与意义 02配电系统的灵活性 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 配电系统灵活性提升技术/灵活性资源规划 1.1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 配电系统灵活性提升技术/灵活性资源规划 1.2新型配电系统不确定性源荷承载力分析 承载力评估需综合考虑安全运行、供电质量、运维检修、规划建设等诸多因素，本质上是随机时序潮流问题。 承载力分析 配电系统灵活性提升技术/灵活性资源规划 1.2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 配电系统灵活性提升技术/灵活性资源规划 1.2分布式光伏承载力评估及选址定容优化软件 研究了分布式光伏承载力评估及选址定容优化软件 数据导入板块：导入网架基本数据与对应光伏数据 报装方案评估：评估报装方案对网络的影响，与原始网络开展指标对比 方案对比板块：对比报装方案与优化方案的相关指标，并得出对应结论 优化方案计算：计算光伏优化接入方案，并分析对网络的影响 配电系统灵活性提升技术/灵活性资源规划 1.2承载力评估配电网结构演化研究 实施路径： 目标： 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， 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 阶段优化结果 不同场景形态转变关键时间不同，与负荷水平与光伏渗透率相关 配电系统灵活性提升技术/灵活性资源规划 1.2承载力评估配电网结构演化研究 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：有着较高的负荷密度与较高的可靠性乡村场景：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% 配电系统灵活性提升技术/灵活性资源规划 1.3柔性互联装置选址定容 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 配电系统灵活性提升技术/灵活性资源规划 1.3选址一含SNOP的交直流配电系统双层规划 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？ 配电系统灵活性提升技术/灵活性资源规划 1.3定容电能路由器配置 解决思路： 问题2： 面向多场景多工况的电能路由器配置方法？ 提出电能路由器配置策略，构建“聚散”运行场景架构，分析柔性资源接入对消纳需求影响，建立配网综合适应性评估体系，求解单个电能路由器配置方案，降低配网电压偏差、运行成本 电能路由器安装于节点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1.91e-4，即最大相对误差远小于实际值，优化结果有效。 电能路由器配置策略 配电系统灵活性提升技术 配电系统灵活性提升技术/灵活性资源运行控制 2.1分布式电源短期预测 解决思路： 问题： 在日常预测中针对气象因素的季节性差异，动态调整算法内部各个模型权重。超短期功率预测第4小时月平均绝对误差分别为5.69%，5.91%，5.71%，其三个月的总体月平均误差为5.77% 针对YX岛光伏/风力短期功率预测精度较低问题，研究变分模态分解和梯度提升树融合集成算法 朱成学习模型构建 配电系统灵活性提升技术/灵活性资源运行控制 2.2考虑光伏、储能、需求响应协同的优化控制 直接接入10kV馈线的分布式光伏（山东电力公司）： 调峰：按照“先控后调“的顺序，省级控制中心生成10kV分布式光伏的总调峰需求，区域控制中心执行分钟级AGC控制并完成实时调节。 电压调节：区域控制中心的AVC可直接控制1OkV分布式光伏输出，以进行无功电压调节。 配电系统灵活性提升技术灵活性资源运行控制 2.3交直流混合系统优化调度技术 解决思路： 问题： 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滞性问题， 交直流配电系统潮流灵活调控潜力大，调控目标多样，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/灵活性资源运行控制 2.4软件定义组网技术 实施路径： 目标： 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。 配电系统灵活性提升技术/灵活性资源运行控制 2.5电力设备动态载流能力评估 实施路径： 目标： 结合配电设备热点温度在线辨识数据，考虑设备热容量和运行工况，分析多工况下配电设备的动态载流能力滚动预测。 开展不同工况下的分布式光伏出力和负荷需求预测，确定源荷波动和散热环境影响下的设备热点温度数字推演，提出设备动态载流能力，建立考虑设备动态载流安全校正控制优化模型。 关键点： 结合热点温度实时辨识结果对设备动态载流能力滚动预测，并结合设备热老化健康状态进行实时修正 允许温度约束下动态载流曲线预测 周期性动态载流能力评估 配电系统灵活性提升技术 配电系统灵活性提升技术/设备灵活控制 3.1软件定义设备：多端口多功能配电装置 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控制策略与拓扑解耦 运行目标与数据解耦业务功能与硬件解耦 配电系统灵活性提升技术/设备灵活控制 3.2逆变器灵活控制技术："GFM+GFL主动支撑/独立组网 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？ 配电系统灵活性提升技术/设备灵活控制 案例应用灵活性资源先进控制 云南鹤庆县网架结构分散且薄弱，保供电难度大。充分利用分布式光伏资源烹赋，在上级配网失电或者馈线故障时，以多台区独立组网运行的方式实现连续供电，降低非计划停电时长30%以上。 目录 01背景与意义 02配电系统的灵活性 03配电系统灵活性提升技术 04总结与展望 结语 以灵活性提升应对高度源荷不确定性，为新型配电系统构建提供了新路径 软件定义、柔性多状态开关、储能、分布式电源、可控负荷等是配电系统重要的灵活性资源 需从