城市交直流混合配电网韧性提升：光储充一体化协同方案

摘要近年来频发的极端事件给配电网带来了巨大损失因此配电网韧性提升极为重要。随着分布式光伏、储能及电动汽车等直流源荷的大量增加城市配电网的形态正在从交流向交直流混合配电网转变。直流线路具有互联灵活的优势能够打破交流配电网辐射状运行瓶颈实现灾后灵活组网可有效提升配电网韧性。针对含光储充一体化电站的城市交直流混合配电网提出一种能够充分考虑柔性直流互联特性与调控能力的供电恢复策略。首先考虑灾后关键负荷与就地资源分布提出了以直流线路为核心的应急供电恢复拓扑生成方法其次基于交直流恢复拓扑建立了一种配电网两阶段韧性提升优化模型第1阶段以最大程度保障重要负荷供电为目标优化负荷恢复次序第2阶段以网络损耗最小为目标优化光储充一体化电站应急电源功率。算例结果表明所提策略能够充分利用直流灵活互联能力及光储充一体化电站功率支撑能力恢复关键负荷两阶段故障恢复方法具有良好的可行性与适应性。安科瑞技术选型、销售报价李亚俊18721098757关键词交直流混合配电网韧性光储充一体化电站故障恢复0引言近年来不断增加的极端事件给城市配电网带来了巨大损失故需要进一步提升其韧性。随着光伏、储能、电动汽车等新型源荷接入增多城市交流配电网正逐步向交直流混合配电网形态转变。2022年7月29日国家发展改革委印发了《“十四五”全国城市基础设施建设规划》,指出交直流混合网络未来将是城市配电网的发展趋势。与传统交流配电网相比直流线路具有传输能力强、电压降小、线路传输损耗低等优势,并且具备灵活互联的能力故障发生后根据直流系统特性制定合理的恢复策略可以实现灾后负荷的快速恢复。极端事件可能会导致配电网数条线路故障使得部分节点与上级电网断开连接整个网络将分为两部分一部分以配电网主电源为基础进行恢复另一部分是无法与主电源相连的分散源荷。故障发生后应充分利用配电网主电源的优势尽可能通过网络重构把故障线路与配电网主电源重新连接起来实现快速恢复无法与配电网主电源相连的分散负荷则只能通过与本地分布式电源形成孤岛进行恢复。现有灾后故障恢复的研究大多集中于交流配电网。以抢修时间最短和社会经济损失最小为综合目标建立了含分布式电源的交流配电网故障紧急恢复与抢修模型采用粒子群算法得到最优抢修顺序。以交流配电网中开关操作次数最少和网损最小为目标建立主网与剩余失电区域的恢复重构模型并使用灰狼算法求解。讨论了有源配电网中利用柔性软开关(softopenpoint,SOP)进行灾后故障恢复的方法但研究对象均为交流配电网对于目前城市中飞速发展的交直流混合配电网考虑较少。由于交流配电网辐射状运行的约束恢复孤岛中关键负荷需求的时序特性通常无法与特定应急电源输出特性精确匹配。因此传统交流故障恢复方法无法发挥直流的作用进而无法充分利用应急电源的能力来最大限度地恢复负荷。交直流混合配电网具有损耗低、供电能力强、灵活互联的优势可有效提升配电网韧性。目前已有学者开展了交直流混合配电网故障恢复研究但相关文献较少。综合考虑敏感负荷可靠性需求以及直流线路中负荷极间切换的故障恢复方式对交直流混合配电网开关配置进行优化并提升直流故障恢复能力。通过增加新的直流线路将多个配电线路互联以提升原有配电网的功率灵活传输能力和系统可靠性并对复杂配电网互联成本效益进行了评估。但上述文献大多针对单点故障场景恢复拓扑大多以配电网重构为主对于极端灾害后恢复资源有限的场景考虑不够充分现有恢复决策模型也无法充分发挥交直流混合配电网在极端灾害场景下的恢复潜力。光储充一体化电站(photovoltaic-storage-chargingintegratedstation,PSCIS)包含光伏、储能、电动汽车等多种资源是本地化清洁能源高效利用的重要手段15,也是满足未来低碳配电网发展需求的新对象。此外PSCIS可以克服光伏、储能、电动汽车等单一资源的缺点既能通过储能与电动汽车平抑光伏出力的不确定性又可以联合电动汽车与储能提升系统的供电能力具有更大的故障恢复潜力。目前已有PSCIS用于城市配电网负荷紧急功率支援的研究[16。配电网发生严重故障后可令电站内部以及可调度的电动汽车处于待命状态以可控储能为主参与故障节点的恢复利用光伏和电动汽车为储能提供电量补充从而降低PSCIS的不确定性[15-17]。文献[17]建立了充换放储一体化电站区间负荷紧急支撑模型提出一体站区间负荷紧急支撑策略及其孤岛区间负荷供电范围划分策略。文献[18]考虑配电网中风光机组出力的不确定因素将电动汽车作为应急调度资源建立模型并使用混合整数二阶锥模型求解。文献[19]考虑了配电网优化开关投切次序的决策方法其中分布式电源考虑了分布式柴油机、燃气轮机和分布式储能等。但现有文献尚未考虑极端灾害条件下PSCIS参与配电网故障恢复的调度模型及策略。针对含PSCIS的城市交直流混合配电网考虑到传统交流恢复方法无法充分发挥直流柔性互联的作用本文提出一种充分考虑柔性直流互联特性与调控能力的韧性提升策略。首先考虑灾损场景提出以直流为核心的恢复拓扑搜索方法在广度搜索过程中建立直流资源集合以最短路径原则将重要负荷连接至该集合从而得到恢复拓扑在数学层面寻得更优的恢复拓扑其次基于直流恢复拓扑建立一种两阶段交直流混合配电网灾后恢复优化模型。其中第1阶段优化负荷恢复顺序第2阶段优化PSCIS应急电源出力以实现重要负荷最大限度保供电。采用拓扑潮流校验方法和二阶锥混合整数规划方法对模型进行求解。该方法克服了传统二阶锥规划模型在解决配电网故障恢复问题时的边界条件限制问题在保证结果最优的前提下实现了快速求解。1以直流为核心的交直流混合配电网恢复拓扑生成方法配电网故障恢复过程中利用直流线路柔性互联能力灵活连接各条线路的PSCIS和关键负荷可以突破传统交流配电网辐射状运行限制提升关键负荷恢复的速度与程度实现更好的恢复效果如图1所示。恢复拓扑搜索方法主要分为两类一类以配电网主电源为基础进行恢复失电负荷通过网络重构方式与配电网主电源相连另一类以PSCIS为基础进行恢复失电负荷通过交流或直流线路与PSCIS相连。1.1依托配电网主电源的恢复拓扑生成方法配电网主电源的供电稳定性较高在恢复拓扑生成时应优先考虑使其尽可能连接更多的负荷。采用广度优先搜索方法进行拓扑生成从源点开始搜索与其相邻的第1层连接点接着再顺序搜索与第2层连接点相邻的未曾访问的点作为第2层连接点以此类推直到与源点有路径相连的节点均被搜索过为止。以配电网主电源为基础的恢复拓扑生成后没有被访问过的节点则与该拓扑不存在电气联系无法通过配电网主电源进行恢复。由于恢复拓扑的改变可能出现因线路过长导致的节点电压越限等情况。因此还需要进行相应潮流校验即满足网络运行的电压约束与线路功率传输约束。校验未通过的负荷应被移除拓扑转移至无法通过网络重构恢复的失电区。1.2依托本地PSCIS应急资源的恢复拓扑生成方法对于无法通过网络重构恢复的失电区其恢复拓扑类型可分为传统交流配电孤岛和含直流的配电孤岛两种情况1)含直流的配电孤岛。所有可与直流线路相连的负荷组成含直流的配电孤岛。此时不同线路的PSCIS可通过直流线路共同参与应急供电。2)传统交流配电孤岛。该类负荷无法与直流线路相连恢复拓扑为单电源多负荷的辐射状运行结构可利用单条线路中的PSCIS实现恢复。1.2.1含直流的配电孤岛以图2中的配电网为例故障发生后形成若干供电孤岛。其中R4区域形成传统交流配电孤岛只能通过内部的分布式电源PSCIS4进行恢复R1、R2和R3区域可以通过直流线路进行互联形成多电源对多负荷的恢复区域实现能量的灵活传输保证能量优先恢复最重要的负荷从而提升系统韧性。多电源之间相互连接主要依靠电压源换流器(voltagesourceconverter,VSC),恢复区域的核心为直流线路如果能将所有可连接的资源全部通过直流线路进行连接就可以保证恢复资源的最大化利用。为保证负荷的稳定运行互联区域内的VSC应采用不同的控制方法其中一个VSC需要采用定直流电压控制以确保直流线路的稳定运行其他VSC采用PQ控制以灵活调整传输功率的方向和大小根据制定的优化策略实现多条线路之间的功率互助。拓扑生成过程如下。1)通过广度优先搜索获得从每个电源到每个直流节点的路径。由于网络损耗与线路阻抗呈正相关根据最短路径原则生成电源点至直流线路的最短连接拓扑。以该拓扑中所有节点为基础建立直流资源集合Vnew:Vnew{Vsource,Vpc,Vconnection}{v₁,U₂,…,vn}(1)式中Vsouce、Vpc和Vconecion分别为PSCIS集合、直流节点集合和连接节点集合v₁,U₂,…,v,为路径向量其中n为Vnew中的元素个数。2)确定负荷点集合Vload。以Vd中的元素为起点以Vnew中的元素为终点搜索出所有可行的路线得到距离矩阵如下式中d;;为第i个关键负荷与第j个直流资源的距离i1,2,…,m,j1,2,…,n,m为Vload中的元素个数。3)从D的每一行中选取电气距离最短的路径组成以直流线路为核心的恢复拓扑式中dmi,d2in,…,dmin为D中每行元素的最小值。1.2.2传统交流配电孤岛由于实际配电网拓扑规模大极端灾害可能造成线路多个位置故障出现PSCIS和关键负荷无法连接到直流线路的情况即传统交流配电孤岛。此时多个PSCIS之间无法互联需要考虑由单个PSCIS出发寻找关键负荷。首先建立关键负荷和单个PSCIS的恢复路径即“单个PSCIS-关键负荷”路径接着通过广度优先搜索遍历和最短路径原则建立每个独立负荷至PSCIS间的距离矩阵。在这一过程中可能搜索到多个可行拓扑可根据具体恢复策略确定最终的恢复拓扑。2零碳园区建设方案零碳园区建设提供包括碳计量电表、分布式光伏、分布式储能、电动车有序充电以及园区智慧能源管理平台等解决方案为零碳园区的建设提供“云-边-端”一体化解决方案利用“云边协同”智慧策略帮助园区充分利用好新能源明确降碳成本效益路线图。2.1 碳电表碳电表是一种新型的计量工具它的出现是为了帮助我们更好地理解和计算企业在电力使用中的碳排放。它的工作原理是根据实际电能消耗的计量数据动态计算并按照使用条件、区域等因素更新电碳因子也就是平均每度电所蕴含的碳排放量。这个数值是实时更新的能够真实反映企业电力使用中的碳排放情况。碳电表的出现对于企业有着非常重要的意义有了这些数据企业就可以追踪产品生产过程的碳排放根据碳排放情况优化电源结构制定更加绿色低碳的生产模式。AEM96三相多功能碳电表集成三相电力参数测量、分时电能计量及碳排放统计根据不同使用工况的电碳折算因子集成碳结算功能包含12组碳排放值及对应的碳排放因子它能够实时计算并给出企业生产用电带来的碳排放量让碳排放像电能一样方便记录配合安科瑞碳资产管理平台大大简化企业的碳排放统计工作。图1 AEM96三相多功能碳电表2.2 分布式光伏解决方案着新型电力系统的发展以及国能发新能规〔2025〕7号文、发改价格〔2025〕136号文相继出台分布式光伏建设越来越需要面临并网、运行安全和能量管理方面的问题并不是建了就能用。供电部门对于分布式光伏电站并网保护、稳控系统、电能质量以及和调度的通信均有要求。图2 分布式光伏建设系统图根据《分布式电源接入电网技术规定》和《电能质量管理办法暂行》等相关标准和规范要求光伏电站并网点需要监测并网点电能质量根据《分布式电源接入电网技术规定》并网点安装防孤岛保护装置防止光伏电站孤岛运行并网点安装国网电能计量表和远动装置用于上传光伏电站发电数据由当地供电部门确定对于自发自用、余电不上网系统公共连接点处还需要配置防逆流保护装置动作与切除或调节光伏逆变器根据要求可使用不同的控制策略。配置国网纵向加密认证装置、正/反向隔离装置、网络安全监测装置、远动网关等按照电网要求的数据格式和安全要求接受电网调度光伏监控系统需采集站内逆变器、箱变、保护测控装置、电能质量监测装置、防孤岛保护、电能计量等数据在本地工作站实时监控还需要把数据上传给电网调度系统接受电网调度根据当地供电部门需要配置光功率预测系统、AGC/AVC系统、微机防误系统、“四可”系统等数据上传调度系统。2.3 分布式储能解决方案储能系统作为光伏发电蓄水池和中转站在消纳光伏发电过程中起着很重要的作用在零碳园区建设中必不可少。按照GB/T 36547-2018《电化学储能系统接入电网技术规定》要求储能系统的微机保护配置要求储能电站并网点配置AM5-IS防孤岛保护非计划孤岛时应在2s动作将储能电站与电网断开。关于储能系统计量点的设置如果储能系统接入园区内部电网计量点设置在并网点。储能单元应具备绝缘监测功能当储能单元绝缘低时应能发出报警和/或跳闸信号通知储能变流器及计算机监控系统如果BMS或者PCS不具备绝缘监测功能可单独配置直流绝缘监测装置。通过10kV接入公用电网的储能系统电能质量宜满足GB/T19862要求的电能质量监测装置当储能系统的电能质量指标不满足要求时配置电能质量在线监测装置监测并网点电能质量。图3 储能系统图2.4 有序充电解决方案以电代油、以电代气是零碳园区能源转型中一个必不可少的过程为新能源车补充能源的充换电站也是必配设施。安科瑞有序充电系统基于预测算法可以实现对企业变压器负荷率、光伏发电和充电负荷需求预测结合充电桩的监控、调度和管理提高光伏发电消纳提升园区微电网的运行可靠性降低充电成本。图4 有序充电系统图2.5 碳资产管理方案AcrelEMS3.0智慧能源管理平台碳资产管理采用权威碳排放核算因子数据库符合SO14064-12018 组织层级温室气体排放和清除的量化和报告指南要求为园区提供包括碳盘查清册、碳配额管理、碳排放分析、碳流向、碳盘查报告、碳交易记录等等功能帮助园区建立碳排放统计、核算、报告、核查体系。图5 碳排放核算符合性评估声明2.6 微电网协调控制器ACCU-100BF微电网协调控制器主要采集光伏逆变器、储能系统、变压器负荷等数据根据设置的新能源使用逻辑来构建本地控制策略以及云端数据的交互控制储能设备、分布式能源、可调负荷设备的出力与电力需求并能根据经济效益模型在满足调度的前提下进行光储置换响应云端策略配置充分消纳利用新能源。图6 “云边端”三级控制策略结合ACCU-100BF微电网协调控制器具备以下功能特点数据采集支持串口、以太网等多通道实时运行满足各类风电与光伏逆变器、储能等设备接入通讯管理支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC 60870-5-101、IEC 60870-5-103、IEC 60870-5-104、MQTT等通信规约可实现云边协同结合安科瑞智慧能源管理云平台进行远程运维、OTA升级、就地/远程切换、本地人机交互选配边缘计算灵活的报警阈值设置、主动上传报警信息、数据合并计算、逻辑控制、断点续传、数据加密、4G路由策略管理防逆流、计划曲线、削峰填谷、需量控制、有功/无功控制、光储协调等并支持策略定制;系统安全基于不可信模型设计的用户权限防止非法用户侵入基于数据加密与数据安全验证技术采用数据标定与防篡改机制实现数据固证和可追溯运行安全采集分析包括电池、温控及消防在内的全站信号与测量数据实现运行安全预警预测。四结束语零碳园区并非单一的减排单元而是集能源转型、产业升级、技术创新、治理改革于一体的系统工程是实现 “双碳”碳达峰、碳中和目标的关键抓手。其规划和建设需要合理利用工具和能源管理软件来实现能源利用。未来随着更多零碳园区的建成其不仅将成为区域经济的 “绿色名片”更将成为中国参与全球气候治理的核心竞争力之一。