電力電子化配電系統(tǒng)靈活組網運行控制技術運行控制技術報告人單位：武漢大學目錄一一研究背景與意義二二交直流靈活運行技術五總結與展望23建設新型配電系統(tǒng)是踐行“碳達峰，碳中和”的重配電網絡智慧工廠、數據中心 負荷集成商分布式儲能需求響應光伏發(fā)電4000202120226n挑戰(zhàn)1：潮流返送，電壓越限海量分布式光伏并網，配電網絡建設遠遠滯后于光伏增速，山東光伏潮流返送及臺區(qū)過電壓問題顯著，靈活消納能力提光伏潮流反送 3分布式光伏配電臺區(qū)拓撲結構示意圖210臺區(qū)內，某低壓分布式光伏用戶，建設屋頂光伏30千瓦。白天隨著光伏出力增加，臺區(qū)低壓側電壓明顯抬升，最高電壓約251V（114%Un，超過國標107%Un要求）7n挑戰(zhàn)2：源-網-荷的電力電子化引起了配電系統(tǒng)振蕩失穩(wěn)問題10kV饋線±10±10直流配網110kV/變電站主變10kV饋線n機遇1：網絡靈活變換與潮流靈活調節(jié)交流線路與直流線路均能提供能量調節(jié)與電流通路交流配電網潮流自然分布、可控性不足；嵌入式直流潮流靈活、精準調節(jié)交直流混聯配電系統(tǒng)潮流柔性可控、經濟靈活項目傳統(tǒng)交流配電網柔性交直流配電網網架特點多輻射狀、開環(huán)運行多饋線多資源互聯、柔性閉環(huán)運行網絡包含元素特征源荷單一多元源荷設備接入，網絡包含元素豐富、關系更復雜調度調節(jié)可用措施網絡重構、無功電壓優(yōu)化調整裝置網絡重構、無功電壓優(yōu)化調整裝置、FID、互聯的可調資源能量、信息傳輸能量流動單一，信息指令自上而下源網荷能量與信息雙向互動饋線負載均衡度調控能力低調控能力高故障轉供電效果存在轉供電時間長、短時段停電問題故障可快速隔離，可不間斷供電89n機遇2：源荷獨立組網構建穩(wěn)定的交流電壓，實現保供利用分布式電源作為備用電源，區(qū)外故障時將分布式電源快速解分布式能源獨立組網、保供電2云南鶴慶某光伏臺區(qū)凈負荷曲線1040%以上的時間源>荷具備獨立組網的能量平衡物理基礎2云南鶴慶某光伏臺區(qū)凈負荷曲線1040%以上的時間源>荷具備獨立組網的能量平衡物理基礎目錄一一研究背景與意義二二交直流靈活運行技術五總結與展望潮流返送、電壓越限問題大規(guī)模分布式光伏接入導致配電網電壓越限、損耗增加、光伏消納受限等問題pv傳統(tǒng)治理方式采用節(jié)點“源-荷-儲”調節(jié)，未充分挖掘“網”結構變化的調節(jié)潛力pvPPloss(MW)0.160.080.00P=10%P=50%P=100%Ppv(MW)PPloss(MW)0.500.250.00?P=10%P=25%P=50%?P(MW)城網線路重載，消納上限受線路電流限制農網線路長，消納上限受最大電壓偏差限制。光伏退出系統(tǒng)后，存在欠電壓問題。knkn ● ●...饋線Ak+11k+112km............n-2n-1m+1mn-2n-1饋線Bn?農網，拓撲變換影響光伏消納、損耗。開關在重載線路上斷開，所提升的光伏消納22-k2-klLL,饋線A0m+1m+2m+3n-2n-1饋線Bn●k+1●kmP,)Pp直流配電調節(jié)：柔性資源的潮流調節(jié)直接調節(jié)功率分布，對系統(tǒng)整體運行水平的提升有限，但是|||||P|||||PP|k+10mSOPn-2n-1饋線APSOP+jQSOP,APSOP+jQSOP,Bnm+1m+2m+3饋線BPPP+P2+P2pv,Apv,B-2PP-2PPL,Apv,AL,Bpv,BPloss(MW)Ploss(MW)0.38545Ppv,A(MW)PPpv,A(MW)0?城網，直流調節(jié)不影響光伏最大發(fā)電量，但降低網損?農網，直流調節(jié)降低光伏最大發(fā)電量，但降低網損。光伏退出系統(tǒng)后可避免電壓越限問題拓撲變換協同直流調節(jié)：損耗最低、光伏消納能力最強，還能同時改善電能網損公式m饋線APSOP+jQSOP,Anm+1m+2m+3n-2n-1SOPPSOP+jQSOP,B饋線B網損公式m饋線APSOP+jQSOP,Anm+1m+2m+3n-2n-1SOPPSOP+jQSOP,B饋線BPPPLL,)|(,((l))l+3tanα|(|(1-PPtanα-PPtanα,,?2α2α12α2l(l)Ploss(MW)0.5PPloss(MW)0.5Ppv,A(MW)55lk/L=0.5lk/L=1lk/L=1.5PpvPpv,B(MW)Ploss(MW)0.8Ploss(MW)0.8lk/L=0.5lk/L=1lk/L=1.58Ppv,A(MW)504PPpv,A(MW)50?城網：直流調節(jié)協同拓撲變換不影響光伏最大發(fā)電量，但降低網損?農網：直流調節(jié)提升光伏最大消納量，且降低網損。光伏退出系統(tǒng)正常工況下，以最小網損、最大光伏利用率為目標，計及靈活性資源的潮流靈活調節(jié)與交流網架Gram-Gram-開minF=Σmin(-ωpvfpvξi+ωlossflossξi)pvloss最大光伏利用率Umin,iU Pathway2Pathway1Pathway3●o●o.lI.o構建了包含“安全性-靈活性-高效性”3個維度9個指標的拓撲切換評價體系，采取模糊層次分析考慮“安全性-靈活性-高效性”的交直流配178121提升型指標降低型指標基于IEEE33節(jié)點改進的交直流配電系統(tǒng)正常工況下拓撲重構?切換至目標拓撲，光伏利用率提升為97%（棄光減?拓撲不變換，?切換至目標拓撲，光伏利用率提升為97%（棄光減?拓撲不變換，光伏消納受限，光伏利用率為75%（存在棄光損耗為目錄一一研究背景與意義二二交直流靈活運行技術五總結與展望傳統(tǒng)保供電方式：高冗余網架配置2018~2022年全國用戶平均停電頻次統(tǒng)計(次/戶)3.52018~2022年全國用戶平均停電頻次統(tǒng)計(次/戶)3.53 0主-從組網模式：儲能獨立構建孤島配網系統(tǒng)頻率電壓，并維持功率平衡；分布式光伏不承擔頻率UUUref++ Pref+iL,dref+PI f Pref+iL,dref+PI fref+PIPI+udSPWM---iL,diL,q-iL,qref+fPQQref+dqabcuq-+PIPIPI--PCC U,IP1,Q1II,,U,fU,ISPWM---iL,diL,q-iL,qref+fPQQref+dqabcuq-+PIPIPI--PCC U,IP1,Q1II,,U,fU,ISPWMiL,dref+PIPref+PI--iL,dPdqabc-+SPWMiL,dref+PIPref+PI--iL,dPdqabc-+++udiL,qiL,quq-iL,qref+PIPIiL,qref+PIPI+虛擬同步控制ω ,+U-,+P+虛擬同步控制ω ,+U-,+-θUmdDθUmdDdqabcUrefωrefUrefKKuQmQP+mQ mPP0Droop -fref頻率電壓下垂控制- + θUmdf0θUmdf0dqabc++-Uref-Pref f0+mf-Pref f0+mf+P0+P0Droop-QrefmUQrefmUdqabc-有功無功下垂控制dqabc-++PIiL,dref++PIiL,dref+PI- ud P+P+PIPIiL,qref+PIPI+高比例可調儲能系統(tǒng)的離網保供電問題。孤島邊界：變電站低壓母線孤島邊界：變電站低壓母線110kV/10kV變電站饋線380V臺區(qū)1380V臺區(qū)1饋線支線1380V臺區(qū)2380V臺區(qū)2380V臺區(qū)n380V臺區(qū)n110kV/10kV變電站饋線長距離配電線路380V臺區(qū)3380V臺區(qū)2饋線支線1饋線支線2110kV/10kV變電站饋線長距離配電線路380V臺區(qū)3380V臺區(qū)2饋線支線1饋線支線2故障或斷線發(fā)生在380V臺區(qū)1380V臺區(qū)n380V臺區(qū)4孤島邊界：饋線故障下游首個分段開關/斷線點孤島邊界：臺區(qū)配變回歸電力系統(tǒng)自主運行的基本范式：傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，任意規(guī)模系統(tǒng)的運行原理都可以總結為“原動機……從改造難度、控制復雜度、通信成本限制等角度考慮，對380V臺區(qū)及其所包含的分布式資源進行適當配電綜合自動化系統(tǒng)主網/地調110kV/10kV饋線饋線臺區(qū)7 臺區(qū)7380V臺區(qū)1臺區(qū)4380V臺區(qū)2380V臺區(qū)5臺區(qū)3臺區(qū)6臺區(qū)n配電綜合自動化系統(tǒng)主網/地調110kV/10kV饋線饋線臺區(qū)7 臺區(qū)7380V臺區(qū)1臺區(qū)4380V臺區(qū)2380V臺區(qū)5臺區(qū)3臺區(qū)6臺區(qū)n矢量剛度補償：功率自同步儲能采用矢量剛度補償控制，為臺區(qū)內的分布式光伏提供孤島運行模式下DP臺區(qū)內分布式光伏協同調控：邊緣控制器內置集控算法，根據臺區(qū)內所有光伏實時運行信息計算功率DPVPVP1s GFM1TsJEGFM1KCsVPVP1s GFM1TsJEGFM1KCsU,ωVPEPQωXPVUPhotovoltaic跟網型光伏1RL,1PVPPPhotovoltaicPQ配網QXUQPXV自同步/自組網臺區(qū)：同步發(fā)電機勵磁與慣量響應+原動機輸入功率調節(jié)，從而構建系統(tǒng)頻率電壓并維持eΔUPCCPCCeΔUPCCPCCPCCΣ PCC,1PCC,2PCC,n光伏光伏多臺區(qū)自組網機理多臺區(qū)自組網機理：各臺區(qū)呈現類“原動機+?臺區(qū)孤島瞬間，臺區(qū)內控制策略無需進行切換，僅依靠臺區(qū)本地控制即可實現并-離網自主無縫切換，頻率和電壓波動分別控制在0.3Hz及0.04pu內?臺區(qū)與饋線支線失去電氣連接后，慣量剛度補償控制作用下儲能快速平抑功率失配，同時為孤島臺區(qū)頻率(Hz)電壓(p.u.)10.980.9650.249.849.6110kV/10kV變電站PL-PG=0.3p.u.PL-PG=0.1p.u.PL-PG=-0.1p.u.PL-PG頻率(Hz)電壓(p.u.)10.980.9650.249.849.6110kV/10kV變電站事件1:與饋線支線失去電氣連接事件2:負荷階躍擾動t=3.0s380V自組網臺區(qū)內發(fā)生負荷功率階躍22.22.42.62.833.23.4t=3.0s380V自組網臺區(qū)內發(fā)生負荷功率階躍22.22.42.62.833.23.43.63.84時間(s)時間(s)(b)自組網臺區(qū)電壓t=2.0(b)自組網臺區(qū)電壓t=2.0s380V自組網臺區(qū)與饋線支線失去電氣連接0.2(p.u.)有功無功(pu)無功(p.u.)(p.u.)有功無功(pu)無功(p.u.)0.20饋線0.1長距離配電線路0-0.2-0.4 3.84 3.84饋線支線-0.1380V0.20饋線0.1長距離配電線路0-0.2-0.4 3.84 3.84饋線支線-0.1380V自組網臺區(qū)222.22.42.62.833.23.43.63.84時間(s)3.6時間(s)(c)慣量剛度補償控制儲能輸出有功功率孤島邊界：臺區(qū)配變(d)慣量剛度補償控制儲能輸出無功功率(c)慣量剛度補償控制儲能輸出有功功率孤島邊界：臺區(qū)配變有功有功(p.u.)0.60.50.40.310.80.823.622.22.42.62.833.23.423.622.22.42.62.833.23.43.63.84時間(s)時間時間(s)(e)跟網型光伏輸出有功功率(f)(e)跟網型光伏輸出有功功率云南鶴慶縣網架結構分散且薄弱，保供電難度大。充分利用分布式光伏資源稟賦，在上級配網失電或者饋獨立組網試點PPDPPDQQU1Ks PQLC1Tsθ PQLC1Tsθf1s50.1 P,Q 電壓(pu)頻率(Hz)Z電壓(pu)頻率(Hz)Z50.049.9 LC跟網型分布式電源有功/無功功率調整指令計算P,Q f跟網型分布式電源有功/無功功率調整指令計算P,Q fU49.8fPP,Q通信模塊一層：下達臺區(qū)內分布式資源功率調整指令二層：通信模塊一層：下達臺區(qū)內分布式資源功率調整指令二層：臺區(qū)間分布式通信三層：與饋線有限通信（獲取分布式控制領導者）通信模塊能量模塊變流器380V儲能可并聯擴展控制器控制器儲能一二次融合構網型分布式儲能380V構網型臺區(qū)3t=3.0s380V構網型太區(qū)內發(fā)生負荷階躍擾動380V構網型臺區(qū)380V構網型臺區(qū)3t=3.0s380V構網型太區(qū)內發(fā)生負荷階躍擾動380V構網型臺區(qū)4380V構網型臺區(qū)2380V構網型臺區(qū)1饋線支線1饋線支線2t=2.0饋線支線1饋線支線2饋線1饋線1常開饋線聯絡開關110kV/10kV常開饋線聯絡開關饋線2變電站饋線2t=6.0s聯絡開關閉合饋線支線3饋線支線饋線支線3380V構網型臺區(qū)5380V構網型臺區(qū)8380V構網型臺區(qū)380V構網型臺區(qū)5380V構網型臺區(qū)8380V構網型臺區(qū)6380V構網型臺區(qū)7頻率(頻率(Hz)事件3:饋線聯絡開關閉合事件2:/負荷階躍擾動事件1:變電站低壓母線失電49.949.850.150.0722.533.544.555.566.5722.533.544.555.566.57時間(s)(b)饋線2頻率(a)(b)饋線2頻率1110.950.950.9722.533.544.555.566.5722.533.544.555.566.57時間(s)(c)饋線1首端電壓(b)饋線2首端電壓10kV母線失電后兩條饋線上的自組網臺區(qū)集群互濟運行，構建并維持雙饋線孤島系統(tǒng)頻率電壓穩(wěn)定目錄一一研究背景與意義二二交直流靈活運行技術五總結與展望傳統(tǒng)認識：狀態(tài)變量的動態(tài)相互疊加且“平權”，失穩(wěn)表象復雜多樣交流電壓二維矢量激勵網絡形成各種電氣量的動態(tài)行為系統(tǒng)功率與節(jié)點電壓矢量的定量關系交流電壓二維矢量激勵網絡形成各種電氣量的動態(tài)行為系統(tǒng)功率與節(jié)點電壓矢量的定量關系U(p.u.)U(p.u.)U(p.u.)10.9P=0.73p.u.U(p.u.)U(p.u.)U(p.u.)10.9P=0.73p.u.P=0.75p.u.P=0.80p.u.10.9CQCQVCCVCP=0.82p.u.P=0.89p.u.10.92X=1.30p.u.X=1.35p.u.X=1.45p.u.X=1.55p.u.X=1.85p.u.等幅振蕩、發(fā)散振蕩、滑步失穩(wěn)、非線性失穩(wěn)諧波、次同步、超同步動力學系統(tǒng)理論：狀態(tài)變量的動態(tài)是相互疊加的，動力學系統(tǒng)理論：狀態(tài)變量的動態(tài)是相互疊加的，換言之，狀態(tài)