新型电力系统背景下配电网电力电子装备典型应用场景研究

雷一勇 南方电网公司输配电与储能部 知识产权声明 本文件的知识产权属南方电网公司所有。对本文件的使用及处置应严格遵循南方电网公司有关规定或获取本文件的合同及约定的条件和要求。未经南方电网公司事先书面同意，不得对外披露、复制。 IntellectualPropertyRightsStatement This document is the property of and contains proprietary information ownedby CSG and/or its relatedproprietor You agree to treat this document in strict accordance with the terms and conditions of theagreement under which itwas provided to you.No disclosure or copy of this document is permitted withoulthe priorwritten permission of CSG. （一）新型电力系统建设背景 >2020年9月，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上向国际社会做出“碳达峰，碳中和”的郑重承诺。>2021年3月，习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上，首次提出构建以新能源为主体的新型电力系统2022年4月，习近平总书记在中央财经委员会第十一次会议上，提出发展分布式智能电网，布局建设云计算、人工智能平台等设施。 2024年7月，南方电网公司发布《关于印发南方电网公司推动电网设备大规模更新实施方案的通知》，提出聚焦电网本质安全提升、防灾减灾建设、数字电网提升、节能增效提升、绿色环保升级等重点方向，大力促进先进设备更新应用，全力推进新型电力系统建设。 （二）配电网柔性化转型的必要性 2015年，国家发展改革委、国家能源局印发《关于促进智能电网发展的指导意见》，明确要发展配网柔性化技术，鼓励交直流混合配用电技术研究与试点应用。 2024年2月，国家发展改革委、国家能源局《关于新形势下配电网高质量发展的指导意见》明确要求：打造安全高效、清洁低碳、柔性灵活、智慧融合的新型配电系统。未来配电网将在形态上从传统的“无源”单向辐射网络向“有源”双向交互系统转变，在功能上从单一供配电服务主体向源网荷储资源高效配置平台转变。到2030年，基本完成配电网柔性化、智能化、数字化转型 >2024年11月，国家发展改革委等部门《关于大力实施可再生能源替代行动的指导意见》明确要求：加快可再生能源配套基础设施建设。推进柔性直流输电、交直流混合配电网等先进技术送代。 发展配网柔性化决策的提出 进一步明确配网柔性化技术选代 配网柔性化技术应用的推进 “.鼓励发展配网柔性化、智能测控等主动配电网技术鼓励交直流混合配用电技术研究与试点应用探索配电网发展新模式。“一国家发改委国家能源局《关于促进智能电网发展的指导意见》 “到2030年，基本完成配电网柔性化、智能化数字化转型..开展交直流混合配电网、柔性互联等新技术应用。“一国家发改委国家能源局《关于新形势下配电网高质量发展的指导意见》 “到2030年，基本完成配电网柔性化、智能化数字化转型开展交直流混合配电网、柔性互联等新技术应用。“一国家发改委等部门《关于大力实施可再生能源替代行动的指导意见》 cCSG 2025. Al Rights Reserved （二）配电网柔性化转型的必要性一传统配电网短板 传统配电网的单辐射拓扑结构、网一荷的单向供电模式，其按负荷峰值进行设计与建设，设备利用率低、投资规模大、新型源荷承载能力不足，难以支撑配电网高质量可持续发展。 设备利用率低：配电设备长期/大范围轻载与短期/局部重过载矛盾突出， 投资边际效益急剧下降，可靠性提升有限：传统配网投资方式不能突破配电网末端结构的脆弱性 分布式源荷承载能力不足：分布式电源功率倒送导致过电压，电动汽车等新型负荷快速增长导致低电压问题加剧。 提升配网可靠性需要对应的配网投资呈指数增加，可靠性每增加一个“9”，投资增加一个数量级。 2024年，广东、河南等8省超300县域已无分布式光伏接入容量：农村户均3kVA配变容量无力承载7kVA汽车最小充电容量 县域农村配电网设备平均利用率不到15%：区域电网日尖峰负荷持续时间短，97%最大负荷年持续时间普遍低于50小时。 （二）配电网柔性化转型的必要性一一柔性配电网优势 柔性配电网以柔性互联等技术进行组网，可实现多区域、多电压等级、多场景潮流灵活调控与互济互供，大幅提升配电网承载力和运行经济性，提高供电可靠性。 提高设备利用率、分布式源荷承载能力：提高台区平均负荷率和供电效率提高分布式光伏的就地消纳比例，减少光伏发电的反送：光储充设备接入直流母线就地平衡，减少能量两级变换损耗 提高供电可靠性和电压质量：馈线/台区间闭环设计、闭环运行，故障检修时可快速转供：柔性化装备提供动态无功支持稳定节点电压，提高电压质量。 可靠性更高：以某区域配电网为例，原接线为双射模式，设计两种改造方案：双环网结构，含柔直合环的三路并供结构，通过算例可以看出，柔直合环对供电可靠率的提升幅度是双环网的2.8倍。 （二）配电网柔性化转型的必要性一一技术经济性对比 从传统配电网到柔性配电网的演进，是一个从“低成本建设”到“高质量发展”的转变，其经济性评估需要超越初始投资，从社会综合效益和长远发展的角度进行衡量。 短期来看：传统配电网因其低初始成本和技术成熟度，在一般性场景和预算受限的项自中仍是主流选择。 长期来看：柔性配电网代表了未来发展方向。其更高的可靠性、优异的绿电消纳能力和潜在的运行经济性，使其在全生命周期成本上更具竞争力。随着电力电子器件成本的下降和控制技术的成熟，柔性配电网的技术经济性优势将越来越明显 （三）未来配电网形态演进 在国家政策指引下，产、学、研、用协同共进，配电网正由当前中级形态（现代配电网）加速迈向未来高级形态（未来配电网）：高比例清洁分布式电源主导、交直流混合配电 高比例清洁分布式电源主导：分布式电源、电动汽车、电网交互式建筑、微电网等，将越来越多布署在电网边缘。交直流混合配电：中压交流一电能分配与供给、区域能量互济：中、低压直流（环状、网状）一柔性互联、潮流控制可再生能源消纳、区域故障隔离与恢复：低压微网一区域自治、能量管理分布式能源消纳、用户电力定制 （一）配网电力电子装备典型业务场景集 随着高比例分布式可再生能源与新型负荷接入，给新型配电系统带来复杂多样的运行状态，根据配电网供电连续性是否受影响可将运行状态分为非故障态、故障态。 》非故障态主要业务场景： >故障态主要业务场景： 分布式光伏大量接入或长线路供电引发台区高/低电压 配电网局部小范围故障导致部分上游线路停止供电但仍有其他关联线路可供电 光伏返送、负荷快速增长、季节性负荷引发配变正/反向重过载 单相源荷比例增加进一步加剧三相不平衡 配电网全局大范围故障导致所有关联线路全部失电 非故障态 故障态 (二）典型业务问题-1.台区高/低电压治理 业务问题场景 随看分布式新型源荷大量接入，台区电压越限问题日益突出 低压配电网电压越限可分为低电压越限和高电压越限 低电压越限主要由城中村及农村电网配电线路网架结构薄弱、供电半径长、线路阻抗大导致。 高电压越限主要由于分布式光伏等电源接入后无法就地消纳，潮流返送导致。 （二）典型业务问题-1.台区高/低电压治理 （二）典型业务问题-1.台区高/低电压治理 1有载变压器调档 2传统线圈式稳压 有载调压不能解决电压连续调节问题。同时调压范围有限，且越靠近变压器出口侧，电压越高越远的用户电压越低，未端治理效果不佳。 采用利用分接开关接入不同匝数线圈，同时配置无功补偿电容，体积与重量大、响应速度慢。以单相15kw稳压器为例尺寸600*500*600，重52kg，价格约4000元。 以S20-M-630kVA的9档有载调压配变为例，价格约10.5万元，其中有载调压开关约8000元。 (二典型业务问题1.台区高/低电压治理 3低压柔直供电-技术原理 低压柔直供电利用电压源型换流器三相有功/无功解耦灵活控制能力、以及直流电传输容量更大的优势通过串联、并联两种接线方式，实现高/低电压调节，该技术同时可用于三相不平衡治理、无功补偿、谐波治理等场景，采用互联接线形式可实现台区重过载转供、分布式新能源消纳，但无法同时实现调压。 利用直流供电能力强，换流器无功补偿等灵活控制能力，实现0.5p.u.~1.2p.u.的宽范围电压调节 有效解决供电半径长导致的末端低电压和分布式光伏导致的末端高电压问题，在500m-3km长线路场景优势显著。 (二)典型业务问题一1.台区高/低电压治理 4电力电子串补电压调节-技术原理 电力电子串补电压调节主要由串联侧逆变器、并联侧逆变器和串联变压器组合实现采用部分功率型拓扑，电力电子变换容量降低70%~90% 串联侧换流器通过调节隔离变压器的副边电压来实现负载侧电压的调节与闭环控制可用于消除负载侧电压质量问题；并联侧换流器主要用于解决负载侧电流的电能质量问题 串联侧逆变器 并联侧换流器三相电流不平衡补偿、无功补偿和低次谐波补偿 双向电压越限治理电压谐波超标和电压三相不平衡 (二)典型业务问题1.台区高/低电压治理 5台区分布式储能-技术原理 台区分布式储能通过T接并联接入线路，储能变流器PCS可以在四象限内有功、无功独立解耦，结合对储能电池的充放电，减少接入点上游线路功率，可有效实现高/低电压越限治理，可灵活用于台区变压器重过载分布式光伏就地消纳，配网台区低压分支箱开关跳闸、施工现场临时应急保用电、三相不平衡等场景。 (二)典型业务问题-1.台区高/低电压治理 6电力电子ACIAC调压-技术原理 6电力电子AC/AC调压-代表性装备 电力电子AC/AC调压基于轻量化无隔离的DC/DC模块，通过设计变换控制策略，将直流变换应用于交流，实现交-交全电力电子调压，突破现有调压器依赖调压线圈或变压器的弊端，大幅降低产品体积和重量结合内部晶闸管反接切换配置，输入输出双端反转，实现宽幅有载双向调压。 适用于供电半径大、导线截面积小、设备老化、线路过载、配电变压器分接开关触头的开关位置不合理等引起的线路低电压，以及因分布式光伏大量接入引起的线路高电压的场合。 业务问题场景 配变（配电变压器）重过载是指配电变压器长期运行在超过其额定容量的状态，可能导致设备损坏、供电可靠性下降甚至引发安全事故 1.负荷增长过快2.三相不平衡3.配变容量配置不合理4.季节性或周期性负荷波动5.设备老化或故障 （二）典型业务问题2.配变重过载治理 电力电子柔性化技术方案 传统技术方案 1.配电并列运行 （二）典型业务问题2.配变重过载治理 1配变并列运行 2配变加装风机 新增一台配变与原重过载配变并列运行，分担负荷。最大可扩容至原配变的300%，但需与现有配变的施工流程一致，作用安全规程要求高。 在油浸式配变上安装工业级风机，提升散热效率，使其可在1.3倍额定负载长期运行。当负载率超过1.3倍等情况下，仍然可能出现配变烧损情况。 (二)典型业务问题2.配变重过载治理 4调容调压配变 3高过载配变 调容调压配变具有大小两种额定容量，可自动检测负荷大小，并通过有载调容开关，在不停电状态下对变压器两种容量自动切换，实现运行过程中变压器容量自动调整。建设成本高设备费+施工费+售电量损失约为6~12万元 采用高导磁材料、特殊绕组结构及散热方式提高过载能力，满足1.5倍额定负载6h（负荷上升和下降阶段各3h），建设成本较高低压线路线径不足时存在过载烧断的风险需要同步更新更换改造。 5移动式台区储能-技术原理 移动式台区储能利用储能变流器为配电网