分布式能源接入挑战下的多电压等级直送型柔性配网架构及应用案例

一、研究背景 二、直送型柔性配网架构三、多端口柔性互联系统技术研究四、变换器硬件设计五、应用效果与总结 研究背景 南方电网“十四五”农村电网巩酉提升规划” 南方电网公司规划到2025年基本建成安全可靠绿色、高效、智能的现代化衣村电网，为包括贵州省在内的南方五省区深入推进乡村振兴和新型城镇化建设提供能源支撑。 基本实现城乡供电服务均等化，全面满足衣村地区负荷增长和安全可靠供电需求，农村分布式新能源“应并尽并”，电能在农村能源消费中的比重持续提高。 缺乏低压交直流配电网对高比例光伏集中送出与消纳的支撑作用 缺乏针对山区电网高比例光伏接入问题的机理分析、适用于山区电网的交直流混合配电光伏送出方案及其适应性研究 目录 一、研究背景 二、直送型柔性配网架构 三、多端口柔性互联系统技术研究四、变换器硬件设计五、应用效果与总结 多电压等级直送型配网新型拓扑 基于上述问题，提出多直流电压等级新型配网，将两个配变台区柔性互联，依据分布式光伏的安装位置匹配不同交流与直流馈线，整合台区内光伏，充电桩，基站等相关交直流负荷，实现光伏功率灵活调配， 将多端交直流互联，大幅提升交直流系统之间功率柔性传输与分配能力，充分满足电动车直流充电以及多样性直流负荷与直流电源的应用需求，实现光伏出力灵活调配，重新优化潮流分布，减少配网过电压与低电压现象，大大提高配电网配电灵活性和穴涂度。 多电压等级配网架构设计 选择光伏比较集中的两台台变之间连接一套柔性互联装置，通过直流解耦不同的交流馈线，平衡不同台区之间的功率，提升光伏的消纳能力。 充分利用不同馈线之间的几余容量，提高交流配电网的容量利用率。实时精确控制直流传输功率，重新分布潮流优化分布，减少变压器过负荷风险，降低损耗。 多场景下基于多端口变换器的柔性配电网络拓扑结构，探索可灵活实现山区配电网互联互通的新型架构。 种多母线交直流多端口换流器设想 主要创新 针对背景中出现的问题。提出1种分布式光伏与负荷灵活互动型柔性配电网架构，1，柔性转换装置具有交流端口2个，3种直流电压等级，任意端口间可实现互联，促进源荷间高效互动， 提出双层智慧能源管理系统，适用典型场景不少于3种；最优实时推演算法优化时间小于55，指令时间小于1s：开发基于国产边缘控制器的高性能控制系统，计算执行周期小于200mS; 设计出多端口柔性变换器，可实现直流多电压等级转换，电压等级包括+375V、750V、1500V，额定容量500kVA，端口间能交互响应时间0.5s 目录 一、研究背景 二、直送型柔性配网架构 三、多端口柔性互联系统技术研究 四、变换器硬件设计 多端口柔性互联系统技术研究 多电压等级直送配网新型变换器拓扑 为解决贵州山区分布式新能源消纳的问题，大幅提高城乡分布式光伏利用率，同时改善单一配网结构，增加山区供电灵活性，提出一种新型的多电压等级多端口拓扑，采用H桥式模块单元串联构建多直流输出模态多电压端口协调控制技术，实现新型配电设备的集成与多电源功率与多负荷功率的综合调配 新型配网多端口变换器拓扑结构，电压等级包括±375V、±750V、1500V。在实现多端口不同电压等级功率灵活流动分配的同时兼顾转供需求与端口安全性。深入研究各端口电压等级转换、功率互济传输机理，满足多端口之间的大功率、多方向的传输要求，实现对山区光伏功率的灵活调控与送出 多端口柔性互联系统技术研究 多电压等级直送配网新型变换器电路设计 多端口主电路设计中，柔性互联装置内部包括一个隔离变压器接入台区配变，将配变电压转换为换流器交流测电压输入核心功率模块三相H桥AC/DC变流器 由两台核心三相H桥AC/DC变流装置导出三根直流母线与直流中线，在直流侧最终完成±375V，750V和1500V的直流电压输出 直流侧主要接入光伏，DC/DC快速充电变流器，基站等直流设备，实现光伏功率灵活调控与就地消纳，其通过改变变流器在直流母线上的接入方式，实现不同电压等级的切换 多端口柔性互联系统技术研究 变换器波形 口仿真算例 上、下直流母线分别带250kW负载，总负荷500kw充电负载从0.1s-0.6s线性增大到额定直流侧总电压稳压值1500V>上下母线电压差指令为0V 网侧电流，换流器侧电流与滤波电容电流波形均完好 多端口柔性互联系统技术研究 变换器仿真波形 口仿真算例上、下直流母线分别带250kW负载， 总负荷500kW充电负载从0.1s-0.6s线性增大到额定直流侧总电压稳压值1500V>上下母线电压差指令为0V 直流侧电压稳定在750V，总电压稳压1500V，上下母线电压差波动不超过5V 多端口柔性互联系统技术研究 适应多电压等级的直流电源接入接口电路方法 在多电压等级配电网中有多条直流母线，光伏电源的输出能牟与负荷功率存在不平衡，基于这种情况，提出直流母线上电源接入多接口拓扑结构，输入端输入电压为Ui，输出端输出电压可为Uo1和Uo2。对于输入端口，可接光伏电源；对于输出端，可接两个不同电压等级的直流母线。其中Uo1接相对负极端为750V直流电压等级Uo2接相对负极端为1500V直流电压等级。对光伏电源发出的能量通过控制S1和S2将输出的能量灵活分配给两个不同的电压等级，实现光伏能量的灵活分配 多端口柔性互联系统技术研究 多端口柔性互联系统技术研究 线路阻抗影响换流站功率分配的优化研究 线路阻抗存在差异导致无功功率分配不均，影响电能质量。在改进下垂控制的基础上加入自适应虚拟阻抗，实现无功功率的合理分配，提高系统稳定性。 系统直流母线电压规定正常运行范围为[,"] 系统直流母线电压极限值umax，β为直流电压偏差极限百分比，范围为0%到100%： 自适应虚拟阻抗的表达式为：L. :K,(Q-Q.)s(1β)(umax udret)直流电压[u2,umax]下垂系数为：R(1 β)(udud umin )直流电压[umin,u1]下垂系数为：RB(umx Uled )直流电压[u1,u2]时下垂系数为：Pmaet 多端口柔性互联系统技术研究 线路阻抗影响换流站功率分配的优化研究 多端口柔性互联系统技术研究 考虑最优弃光率的配电网资源分层优化配置 光伏出力不确定性带来的系统运行风险愈发突出，因此配电网规划的焦点应从传统的配置转移到灵活资源优化配置上。 基于机会约束最优潮流方法（CC-OPF），求解光伏配电网的机会约束规划资源配置模型。 上层模型对各时段的弃光率及储能系统充放电功率进行规划： 下层优化模型基以主网购电成本、网损成本、弃风弃光惩罚费用最小为目标进行模型优化，从而提高微电网的光伏消纳能力。 多端口柔性互联系统技术研究 考虑最优弃光率的配电网资源分层优化配置 方案一为传统的资源配置方法，方案二为基于粒子群算法的配电网资源配置方法，方案三采用新型配电网资源分层优化配置策略。 从图中可以看出，方案2比方案1网损下障15.6%，弃光率下降9.1%：方案3又比方案2降低网损15.1%，降低弃光率7.5%。 结果表明所提方法能提高对光伏的消纳能力，降低网损：且综合利用多种灵活资源时配电网能最大化减少网损和弃光率，提高系统运行水平。 多端口柔性互联系统技术研究 面向高比例分布式光伏消纳的双层控制及能量管理技术研究 上层调度层和下层控制器层的双层能虽管理系统 能量管理系统通过对各个下层控制器发送上层的调度指令行为，使得直流配电网中各个单元能够协调稳定运行，从而使系统达到最优运行状态。 直流配电网能量管理作为系统的控制层面问题，能够对直流配电网进行控制、管理和调度决策。 多端口柔性互联系统技术研究 面向高比例分布式光伏消纳的双层控制及能量管理技术研究 能量管理系统保证直流配电网稳定运行 能量管理系统实时监控和采集配电网各单元信息：提供用户需求的电负荷、冷热负荷及电能质量：灵活投切分布式电源以及负荷：规定各单元功率设定点，使功率分配达到最高、运行成本最低：使可再生能源发电利用率最大：降低系统能源损耗和环境污染；保证直流配电网能够安全稳定以及经济运行。 目录 一、研究背景二、直送型柔性配网架构三、多端口柔性互联系统技术研究四、变换器硬件设计五、应用效果与总结 变换器硬件设计 变换器结构简图 可DC/，TDCC%，件 变换器硬件设计 为变换器在实地使用时满足直流侧或交流侧启动，直流侧短路保护的需求，设计如图所示变换器结构 左侧为控制与二次保护柜体，内置控制主电路与二次保护设备： 中间为变流柜，内登功率模块、模块智能AD/DC变流装置(750V）、滤波电容、电抗器与冷却装置 右侧为变压器柜，内兰隔离变压器与变压器二次装置 变换器硬件设计 结构 变换器硬件设计 结构 变换器硬件设计 柜体 变换器硬件设计 直流电压输出试验 DC375V 整体装置控制系统、主电路上电，运行在对冲模式或者并网模式。测试各个直流输出端口的输出电压为375V、750V、1500V。各个端口电压波动范围不应大于5%额定电压。 变换器硬件设计 并网电能质量试验 装置控制系统、主电路上电，运行在对冲模式或者并网模式方式，记录额定功率100%点装置低压侧或高压侧输出功率因数和100%点的电流总谐波含量THD。功率因数≥0.98，电流THD<3% 额定功率100%点装置高压侧输出功率因数电流THD<3% 变换器硬件设计 整体装置额定功率试验 直流输出电压为750V时，装置额定功率不小于2*250kW（整流+逆变模块直流输出电压为375V时，装置额定功率不小于2*75kW（整流+逆变模块）。最大效率≥98% 直流输出电压为375V，额定功率为2*75kW（整流+逆变模块），最大效率≥96%。 直流输出电压为750V，额定功率为2*250kW（整流+逆变模块），最大效率≥97%。 免器价 目录 一、研究背景二、直送型柔性配网架构三、多端口柔性互联系统技术研究四、变换器硬件设计五、应用效果与总结 应用效果 功率搬迁效果 台区负载不平衡工况条件：A台区运行处于高负载率状态，B台区处于轻负载或者中度负载率运行模式，设备可将轻负载率台区的能，搬迁至高负载运行台区，缓解高负载率台区重、超载运行环境。 应用效果 电压均衡效果 设备改善了高电压问题：装置运行后两侧电压基本保持在电压偏差的允许范围内（198V~235.4V）。两 侧台区的电压合格率达到了99.31% 应用效果 台区平衡效果 P，0G小了20.30% 总结与展望 总结 本次研究针对南方电网“十四五”规划中提出的农村电网升级需求，特别是在贵州山区高比例分布式光伏接入场景下，提出了一种直送型柔性配网架构及多端口柔性互联系统技术。通过构建多电压等级新型配电网，实现了分布式光伏就地消纳、充电桩及基站负荷的灵活接入，同时提升了配电网的亢余度和供电灵活性。 研究取得以下关键成果： 1.提出了多直流电压等级新型配网，大幅提升交直流系统之间功率柔性传输与分配能力， 2.开发了基于H桥串联的多端口变换器拓扑结构与系统接口技术，支持±375V、±750V、1500V等级电压输出，满足山区不同场景的负载需求。 3.完成了硬件设计研发，硬件各参数达到国际先进标准，应用效果显著 总结与展望 展望 未来，在继续研究直送型柔性配网架构及多端口柔性互联系统技术时，将降低硬件成本与推动技术推广应用作为关键目标。 未来技术关注于以下重点： 1.实现硬件集成化，国产化与模块化，降低设备体积，进一步优化拓扑降低硬件数量及成本， 2.探讨适应不同环境不同结构的新型配网，开发适应多种分布式环境的多端换流器与配网架构，使得新型配网广泛推广应用。 3.建设多个示范性工程建设，推动技术纳入行业标准，为分布式能源丰富的地区提供可借鉴的解决方案 感谢指导！Thank You!