鄧造明

（中冶賽迪電氣技術(shù)有限公司電力能源事業(yè)部，重慶 400013）

引言

隨著電力電子技術(shù)，特別是大功率電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使用電力電子器件，對電能進(jìn)行變換和控制，可為智能電網(wǎng)的快速、連續(xù)、靈活控制提供有效的技術(shù)手段。

柔性配電網(wǎng)是智能配電網(wǎng)的子集，是指能實(shí)現(xiàn)柔性閉環(huán)運(yùn)行的配電網(wǎng)[1]。它采用靈活交流輸電技術(shù)，在系統(tǒng)中加裝大功率電力電子裝置，在不改變網(wǎng)架結(jié)構(gòu)情況下，通過“紅綠燈”式的智能調(diào)節(jié)，優(yōu)化潮流控制，大幅提升電力傳輸能力，滿足高滲透的分布式電源和儲(chǔ)能元件接入的要求，以滿足用戶提高電能等質(zhì)量，降低運(yùn)維成本的要求。

1 柔性配電網(wǎng)定義

柔性配電網(wǎng)（FDN,flexible distribution network）的核心是利用電力電子技術(shù)構(gòu)建“靈活、可靠、高效的配電網(wǎng)，提供更高效的潮流控制，提升配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量、可靠性和運(yùn)行效率，應(yīng)對傳統(tǒng)負(fù)荷以及可再生能源的波動(dòng)性[2]，保證可再生能源發(fā)電、儲(chǔ)能設(shè)備和用戶負(fù)荷的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

智能柔性開關(guān)[3-4]是安裝于傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)處的新型智能電力電子裝置，它使傳統(tǒng)閉環(huán)設(shè)計(jì)開環(huán)運(yùn)行的配電網(wǎng)改為柔性閉環(huán)運(yùn)行。

柔性配電網(wǎng)特點(diǎn)。

（1）閉環(huán)，對短路電流有阻斷能力，柔性直流裝置隔離兩端交流電網(wǎng)，交流故障電流不能穿越直流裝置，以閉環(huán)方式提高可靠性。見圖1。

圖1 柔性配電網(wǎng)原理網(wǎng)絡(luò)示意圖[1]

（2）柔性，柔性直流裝置對所連多個(gè)支路（可不同電壓，可異步電網(wǎng)）的潮流可多方向連續(xù)調(diào)控，適應(yīng)負(fù)荷和分布式發(fā)電（DG）的波動(dòng)。從交流電網(wǎng)的角度，相當(dāng)于可控發(fā)電機(jī)或負(fù)荷，有功雙向傳輸，無功可正可負(fù)。

（3）快速，全功率響應(yīng)速度1～5 ms。

2 中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置控制原理

柔性直流裝置目前是最先進(jìn)的電力電子裝置，可自動(dòng)跟蹤負(fù)荷變化和發(fā)電出力，對電能利用情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對有功/無功的調(diào)度和解耦控制、對電能量優(yōu)化配置和管理、同時(shí)對諧波和電壓波動(dòng)也能兼顧治理。

圖2 為柔性互聯(lián)裝置控制原理示意圖，每個(gè)端口的有功功率、無功控制信息由計(jì)費(fèi)關(guān)口信息、負(fù)荷信息、發(fā)電信息等綜合算法形成。

圖2 柔性互聯(lián)裝置控制原理示意圖

安裝中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置的配電系統(tǒng)，除了具備原來配電系統(tǒng)的全部功能以外，還具有以下傳統(tǒng)電力系統(tǒng)所沒有的新功能。

（1）變壓器之間的負(fù)荷均衡

當(dāng)不同變壓器之間出現(xiàn)臨時(shí)性負(fù)荷分配嚴(yán)重不均時(shí)，感應(yīng)式交流雙向可控柔性互聯(lián)裝置可以調(diào)節(jié)各個(gè)端口的工作狀態(tài)，對負(fù)荷進(jìn)行再分配以減少這種臨時(shí)性不平衡，降低其負(fù)面作用。

（2）變壓器之間的可控能量交互

當(dāng)企業(yè)內(nèi)部存在分布式電源時(shí)，變壓器之間的可控能量交互這一功能尤為重要，具體實(shí)現(xiàn)方法同上，可以解決分布式電源的多元消納，提高分布式能源的利用率。

（3）企業(yè)配電網(wǎng)潮流管理

能夠精確快速地調(diào)節(jié)有功的流向和大小，主動(dòng)管控企業(yè)內(nèi)部配電網(wǎng)的電力潮流，按照更安全更經(jīng)濟(jì)更科學(xué)的方式流動(dòng)。

（4）變壓器之間的容量相互借用與支撐

當(dāng)個(gè)別變壓器出現(xiàn)臨時(shí)性過負(fù)荷時(shí)，感應(yīng)式交流雙向可控柔性互聯(lián)裝置可以調(diào)節(jié)其他端口的多余容量，對該變壓器進(jìn)行容量支持。容量支持一般不是單純的有功支持或單純的無功支持，多數(shù)情況下是有功和無功協(xié)同的支持。

（5）有源母線之間的互為熱備用

配電變壓器及線路故障是不可預(yù)知的，傳統(tǒng)的配電方式一旦出現(xiàn)故障，則整臺(tái)變壓器攜帶的全部負(fù)荷將失去動(dòng)力，可控柔性互聯(lián)裝置的應(yīng)用將改變這一狀況。一旦某段交流母線出現(xiàn)故障，與其相連的端口可以提供規(guī)定容量的電力支撐，保障重要負(fù)荷不受影響，以把故障損失降至最低。

3 中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置應(yīng)用

3.1 以節(jié)能降成本為目的的關(guān)口潮流控制——最大需量閾值控制

鋼鐵企業(yè)電力運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)和基本電價(jià)費(fèi)用，其中基本電價(jià)費(fèi)用按照接網(wǎng)變壓器容量（或者按照最大需量）計(jì)費(fèi)，越來越多的企業(yè)采用按照最大需量的計(jì)費(fèi)模式，以降低電力運(yùn)行費(fèi)用。

根據(jù)電力部門制定的標(biāo)準(zhǔn)，最大需量按照15 min平均負(fù)荷最大值來自動(dòng)計(jì)費(fèi)收取。鋼鐵企業(yè)有軋鋼、LF 爐等沖擊負(fù)荷，以及一些不可控原因，引起下網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)比較大，大部分企業(yè)又屬于粗放管理，造成上報(bào)最大需量的裕量偏大，經(jīng)濟(jì)性不好。

通過增加FDN 設(shè)備，配套精準(zhǔn)算法確定閾值，將源/網(wǎng)/荷/DG 等統(tǒng)一管理，快速自動(dòng)控制潮流，實(shí)現(xiàn)最大需量降低，節(jié)省基本電價(jià)費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

案例 某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)有2 個(gè)220 kV 總降變電站，2 個(gè)站實(shí)際運(yùn)行變壓器總裝機(jī)容量600 MVA，通過3 條220 kV 線路與外部電網(wǎng)接網(wǎng)，由于接網(wǎng)變壓器容量大，故采用最大需量繳納基本電費(fèi)，基本電價(jià)費(fèi)用的最大需量按265 MVA 申報(bào)，3 條接網(wǎng)220 kV 線路分別申報(bào)容量為：馬柏線96 MVA，曲界甲線96 MVA，曲界乙線73 MVA。

2020 全年外購電量10.4 億kWh，折算年平均下網(wǎng)負(fù)荷（外購電功率）118.7 MW，對應(yīng)的主變年平均負(fù)載率21.5%，對應(yīng)的最大需量年平均利用率48.7%。

最大需量是按照3條220 kV進(jìn)線的最大需量之和進(jìn)行申報(bào)，實(shí)際3 條220 kV 進(jìn)線的典型日負(fù)荷是波動(dòng)的，三者之間有平衡互補(bǔ)的空間，申報(bào)最大需量實(shí)際高于實(shí)際總最大需量。表1 統(tǒng)計(jì)了2021 年某個(gè)典型工作日（24 h）3 條220 kV 進(jìn)線負(fù)荷的絕對最大值及其次數(shù)、絕對最小值及其次數(shù)、小時(shí)平均值、自發(fā)電倒送次數(shù)等。

表1 馬柏線、曲界甲線、曲界乙線某個(gè)典型日負(fù)荷情況

從運(yùn)行負(fù)荷曲線及表1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看出，負(fù)荷波動(dòng)幅度較大，最大負(fù)荷持續(xù)時(shí)間較短，可以通過柔性互聯(lián)裝置進(jìn)行負(fù)荷均衡，降低絕對最大負(fù)荷以減少固定電費(fèi)，兼顧消除自發(fā)電反送電網(wǎng)（節(jié)約電能，減少罰款）。

解決方案如圖3 所示。50 MVA 中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置主回路由隔離變壓器、4 端口電力電子柔性互聯(lián)裝置組成。隔離變壓器的輸入端口2個(gè)是10 kV，2 個(gè)是35 kV，4 端口電力電子柔性互聯(lián)裝置接在隔離變壓器的二次側(cè)，受調(diào)節(jié)指令控制，調(diào)節(jié)電能在幾個(gè)端口之間有序流動(dòng)。實(shí)現(xiàn)四臺(tái)接網(wǎng)主變（T1、T2、T3、T4）之間負(fù)荷柔性均衡、能量多向交互、容量多向拆借與支撐，調(diào)節(jié)3條接網(wǎng)220 kV線路之間的最大需量，節(jié)省基本電價(jià)費(fèi)用。

圖3 中壓交流雙向4通道柔性互聯(lián)裝置示意圖

中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置的調(diào)度控制指令由計(jì)費(fèi)關(guān)口信息、負(fù)荷信息（含發(fā)電信息）綜合形成，對2 個(gè)220 kV 變電站內(nèi)的35 kV 和10 kV 系統(tǒng)（對應(yīng)4 臺(tái)變壓器低壓側(cè)）進(jìn)行負(fù)荷控制（可變、可正、可負(fù)），達(dá)到降低最大需量上報(bào)量40 MVA（投資回收期約2 年），避免自發(fā)電上網(wǎng)，同時(shí)解決短路電流問題的目的。

3.2 以節(jié)能降成本為目的的關(guān)口潮流控制——DG上網(wǎng)控制

鋼鐵企業(yè)內(nèi)部通常配置有資源綜合利用自備電廠，為提高發(fā)電效率，發(fā)電機(jī)的容量越來越大，限于原有供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及接網(wǎng)的原因，可能會(huì)造成正常工況或在其它部分工況下自發(fā)電上網(wǎng)，上下網(wǎng)造成差價(jià)（或者不允許上網(wǎng)時(shí)造成的煤氣放散），給企業(yè)帶來損失，煤氣放散造成環(huán)境污染，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益不佳。

案例 某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)有1 個(gè)220 kV 總降變電站，2 臺(tái)220/35/10 kV 100 MVA 主變壓器，產(chǎn)能置換升級(jí)改造后，全廠負(fù)荷150 MW，基本上平均掛在2臺(tái)變壓器上，新上1 臺(tái)煤氣85 MW 發(fā)電機(jī)接在其中1 臺(tái)主變的35 kV，正常日發(fā)電上網(wǎng)15 萬kWh，與電網(wǎng)商談的上下網(wǎng)差價(jià)0.25 元，年損失差價(jià)約1350萬元。

采用中壓交流雙向2通道柔性互聯(lián)裝置解決發(fā)電上網(wǎng)，詳見圖4。

圖4 中壓交流雙向2通道柔性互聯(lián)裝置示意圖

根據(jù)圖4 解決方案，中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置的調(diào)度控制指令由計(jì)費(fèi)關(guān)口信息、負(fù)荷信息、發(fā)電信息綜合形成，對變電站內(nèi)的35 kV 進(jìn)行負(fù)荷控制（可變、可正、可負(fù)），避免發(fā)電上網(wǎng)。

4 結(jié)束語

中壓交流雙向柔性互聯(lián)裝置是柔性配電網(wǎng)技術(shù)的典型應(yīng)用之一，它實(shí)現(xiàn)不同中壓交流母線之間負(fù)荷柔性可控分配與均衡、能量雙向交互、容量雙向拆借與支撐，滿足鋼鐵企業(yè)逐步提高的電力資產(chǎn)負(fù)荷率要求和高標(biāo)準(zhǔn)的電能費(fèi)用價(jià)值增加要求。

該裝置結(jié)合企業(yè)配電數(shù)字化系統(tǒng)，結(jié)合大數(shù)據(jù)的應(yīng)用和深度開發(fā)，真正實(shí)現(xiàn)了企業(yè)級(jí)配電的柔性互聯(lián)和智能化，助力企業(yè)智能配電網(wǎng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。