主動(dòng)配電網(wǎng)是解決未來(lái)分布式能源大規(guī)模接入配電網(wǎng)的重要技術(shù)途徑，也是智能配電網(wǎng)發(fā)展的重要階段。我國(guó)首個(gè)主動(dòng)配電網(wǎng)示范工程的建成及投運(yùn)有力驗(yàn)證了主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)分布式能源高效利用和配網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的可行性和有效性，并為我國(guó)主動(dòng)配電網(wǎng)的研究與建設(shè)提供重要參考和指導(dǎo)。

0引言

“主動(dòng)配電網(wǎng)的間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)”示范工程是依托國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)—— “主動(dòng)配電網(wǎng)的間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用(2012AA050212)”建設(shè)而成。該示范工程坐落于廣東佛山三水區(qū)中心科技工業(yè)園，其中包含5.5MWp分布式光伏發(fā)電及1.1MWh分布式儲(chǔ)能，在示范區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)100%光伏消納，且供電可靠性高于99.99%。

該863項(xiàng)目是我國(guó)首個(gè)主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用示范工程，由廣東電網(wǎng)公司、上海交通大學(xué)、上?？臻g電源研究所、佛山電力設(shè)計(jì)院合作完成。工程結(jié)合示范區(qū)域的分布式發(fā)電現(xiàn)狀，在堅(jiān)持技術(shù)先進(jìn)的同時(shí)，注重經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，綜合應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)以及配電網(wǎng)的靈活拓?fù)?，?duì)以分布式光伏發(fā)電為代表的間歇式能源實(shí)現(xiàn)了高效消納，同時(shí)確保電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行，建成了先進(jìn)的、可持續(xù)發(fā)展的主動(dòng)配電網(wǎng)間歇式能源消納及控制系統(tǒng)[1-7]。

文章將逐一介紹示范工程的總體概況、實(shí)施方案、關(guān)鍵技術(shù)以及運(yùn)行效果，最后對(duì)示范工程的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合分析。

1示范工程總體概況

1.1示范區(qū)簡(jiǎn)介

“主動(dòng)配電網(wǎng)間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)”示范工程位于廣東省佛山市三水區(qū)中心科技工業(yè)區(qū)廣成鋁業(yè)有限公司廠區(qū)和金世界創(chuàng)新鋁業(yè)有限公司廠區(qū)，項(xiàng)目所在地全年日照小時(shí)數(shù)達(dá)1600～1700h，太陽(yáng)輻射總量為4803.408MJ/m2，適宜建設(shè)分布式太陽(yáng)能光伏發(fā)電。示范工程累計(jì)完成分布式光伏發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)5.5MWp，分布在4條10kV饋線(黃南線、鋁業(yè)線、蕭海線、塘溪線)，并配套安裝3套電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，總?cè)萘抗灿?jì)1.1MWh。為了模擬配電網(wǎng)的靈活拓?fù)?，在蕭海線和塘溪線之間架設(shè)1條10kV聯(lián)絡(luò)線。整個(gè)示范區(qū)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2負(fù)荷情況

示范區(qū)域內(nèi)除塘溪線接入少量居民負(fù)荷外，其他均為工業(yè)負(fù)荷，整體負(fù)荷特性大體呈現(xiàn)工業(yè)負(fù)荷的特點(diǎn)，由于工業(yè)用戶一般在低谷時(shí)刻高負(fù)荷運(yùn)行，而在其他時(shí)段低負(fù)荷運(yùn)行，受峰谷電價(jià)影響較大，峰谷特性較為明顯。值得注意的是，在節(jié)假日的白天時(shí)段，由于工廠停工，示范區(qū)域的負(fù)荷很小，存在光伏倒送的風(fēng)險(xiǎn)。示范區(qū)域典型日的整體負(fù)荷和光伏發(fā)電出力比對(duì)見圖2，雖然區(qū)域從整體上負(fù)荷值大于光伏發(fā)電，但在局部區(qū)域(例如蕭海線和塘溪線)的特殊時(shí)段則存在光伏出力大于負(fù)荷值的現(xiàn)象，需要利用主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的100%高效消納。

1.3分布式電源接入情況

示范區(qū)域主要接入分布式光伏發(fā)電和電池儲(chǔ)能2種分布式電源，其中電池儲(chǔ)能分為單一儲(chǔ)能和復(fù)合儲(chǔ)能，單一儲(chǔ)能為磷酸鐵鋰電池，復(fù)合儲(chǔ)能則由鉛碳電池和鈦酸鋰電池構(gòu)成。具體的配置情況見表1。

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)見圖3。太陽(yáng)能通過(guò)光伏組件轉(zhuǎn)化為直流電力，通過(guò)光伏電纜、直流匯流箱及直流配電柜最終匯集到并網(wǎng)型逆變器，逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流后接入交流配電柜，然后直接并入廠房附近的變壓器三相低壓端。

為保證并網(wǎng)安全，在交流配電柜中配置防孤島保護(hù)裝置以防止逆變器本身的保護(hù)功能失效。同時(shí)，并網(wǎng)逆變器均帶有隔離變壓器，將逆變器的直流輸入和交流輸出之間進(jìn)行電氣隔離。直流側(cè)的光伏組件陣列為負(fù)極接地，且逆變器在運(yùn)行過(guò)程中，隨時(shí)檢測(cè)直流正負(fù)極的對(duì)地電流，從而保證了逆變器直流側(cè)的短路故障不會(huì)影響到電網(wǎng)。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)則通過(guò)逆變器升壓后直接接入10kV饋線，其中蕭海線接入總?cè)萘繛?00kWh的復(fù)合電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。而鋁業(yè)線和塘溪線則分別接入250kWh的磷酸鐵鋰電池。

復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)由2套50kWh/5C鈦酸鋰電池儲(chǔ)能單元配套250kW儲(chǔ)能逆變器，和1套500kWh/0.2C鉛碳電池儲(chǔ)能單元配套100kW儲(chǔ)能逆變器組成。整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)可提供600kW充放電功率，總能量為600kWh。系統(tǒng)接入設(shè)計(jì)見圖4。

2示范工程實(shí)施方案及關(guān)鍵技術(shù)

光伏及儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入以及聯(lián)絡(luò)線的敷設(shè)為示范區(qū)域的主動(dòng)協(xié)調(diào)控制提供了受控資源，在此基礎(chǔ)上通過(guò)建設(shè)主動(dòng)配電網(wǎng)二次監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各可控資源(光伏、儲(chǔ)能、聯(lián)絡(luò)開關(guān))進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，利用協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)示范區(qū)域的源、網(wǎng)、荷協(xié)調(diào)控制，確保光伏發(fā)電的高效消納和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。示范區(qū)域的二次監(jiān)控系統(tǒng)包括：主動(dòng)配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)、分層分布協(xié)調(diào)控制器、源網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器、儲(chǔ)能雙向并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器、配電自動(dòng)化終端、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端以及通信網(wǎng)絡(luò)。

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層控制體系，最上層的主動(dòng)配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)主要用于對(duì)示范區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)的各種分布式電源(光伏發(fā)電和儲(chǔ)能單元)以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(分布式電源公共連接點(diǎn)、新建聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、用戶側(cè)與配電網(wǎng)的關(guān)口節(jié)點(diǎn))進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視，利用示范區(qū)域的儲(chǔ)能單元以及新建聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)備，通過(guò)協(xié)調(diào)控制及靈活網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)示范區(qū)域內(nèi)光伏發(fā)電的高效消納及網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。中間層的分層分布控制器則用以實(shí)現(xiàn)對(duì)單條線路的自治控制，通過(guò)與源網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器和能量管理系統(tǒng)的雙向交互，實(shí)施自治控制策略。最下層的源網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器是分布式電源的直接控制單元，其接收分層分布控制器的控制指令后再進(jìn)行安全分析及優(yōu)化分配后對(duì)分布電源進(jìn)行直接控制[8-9]。

示范區(qū)域二次監(jiān)控系統(tǒng)的總體信息流見圖5。

2.1主動(dòng)配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

主動(dòng)配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)主站具備基本的配電網(wǎng)自動(dòng)化主站功能，包括：DSCADA功能、拓?fù)浞治?、潮流?jì)算、事件記錄及告警、人工控制、負(fù)荷預(yù)測(cè)等功能。在此基礎(chǔ)上，主動(dòng)配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)還具備特有的協(xié)調(diào)控制及優(yōu)化管理功能，包括：光伏發(fā)電預(yù)測(cè)、主動(dòng)配電網(wǎng)最優(yōu)潮流、主動(dòng)配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)、主動(dòng)配電網(wǎng)間歇式能源消納模式自適應(yīng)切換、主動(dòng)配電網(wǎng)KPI特性分析等。主動(dòng)配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖見圖6。

光伏發(fā)電預(yù)測(cè)能根據(jù)氣象預(yù)報(bào)信息(風(fēng)速、光照、溫度等)和歷史數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)未來(lái)一天的光伏有功出力，且在當(dāng)日可以根據(jù)實(shí)時(shí)天氣情況進(jìn)行滾動(dòng)修編。主動(dòng)配電網(wǎng)的光伏發(fā)電預(yù)測(cè)功能是主動(dòng)配電網(wǎng)最優(yōu)潮流進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行計(jì)算的前提條件。

主動(dòng)配電網(wǎng)最優(yōu)潮流是在負(fù)荷預(yù)測(cè)以及光伏發(fā)電預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能優(yōu)化算法生成主動(dòng)配電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間尺度下各分布式電源的最優(yōu)調(diào)度策略，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化[10]。

主動(dòng)配電網(wǎng)電壓優(yōu)化控制是通過(guò)對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)所有無(wú)功源以及變壓器分接頭的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制使得配電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的綜合電壓質(zhì)量最優(yōu)。

主動(dòng)配電網(wǎng)人工控制可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)接入的分布式電源按照人工預(yù)定計(jì)劃曲線出力，可用于各分布式電源在典型運(yùn)行方式下的自動(dòng)調(diào)度。

主動(dòng)配電網(wǎng)間歇式能源消納模式自適應(yīng)切換可以針對(duì)間歇式能源發(fā)電的實(shí)際規(guī)模，自適應(yīng)調(diào)整運(yùn)行方式，選擇最優(yōu)消納模式，實(shí)現(xiàn)間歇式能源的高效消納。

主動(dòng)配電網(wǎng)KPI特性分析是對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行深入分析，并從主動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性等多個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，形成主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行KPI指標(biāo)體系。

2.2通信網(wǎng)絡(luò)

考慮到示范區(qū)域廠房?jī)?nèi)的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布特性、光纖施工難度、配電線載波通信傳輸可靠性以及建設(shè)成本等因素，示范區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)在接入層主要采用無(wú)線專網(wǎng)通信方式，接入層與主站的通信則選擇租用通信供應(yīng)商的VPN光纖通道。這在一定程度上既保證了通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的實(shí)用性和通信傳輸需求的可靠性，又確保信息傳輸?shù)陌踩?。主?dòng)配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖7。

由于無(wú)線專網(wǎng)終端的覆蓋范圍有限，示范區(qū)域的無(wú)線專網(wǎng)終端配置以最大化資源利用為原則，各個(gè)無(wú)線專網(wǎng)終端就近與現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化終端、控制器、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)終端通過(guò)交換機(jī)組網(wǎng)。各無(wú)線終端信息集中采集后匯總到無(wú)線專網(wǎng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，并通過(guò)通信運(yùn)營(yíng)商的VPN光纖與能量管理系統(tǒng)主站系統(tǒng)進(jìn)行縱向數(shù)據(jù)通信。

2.3關(guān)鍵技術(shù)

在示范工程中應(yīng)用到的主動(dòng)配電網(wǎng)間歇式能源消納及優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)見表2。

主動(dòng)配電網(wǎng)最優(yōu)潮流主要用于主動(dòng)配電網(wǎng)的優(yōu)化日前調(diào)度，基于主動(dòng)管理的技術(shù)理念，結(jié)合天氣預(yù)測(cè)信息和負(fù)荷預(yù)測(cè)信息，制定未來(lái)24h的優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃曲線，以實(shí)現(xiàn)降低饋線負(fù)荷峰谷差，降低網(wǎng)絡(luò)線損，優(yōu)化電壓水平，改善負(fù)荷特性等目標(biāo)。

基于FCE的區(qū)域自治控制技術(shù)主要用于主動(dòng)配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)控制，基于FCE饋線控制誤差指標(biāo)，根據(jù)實(shí)際環(huán)境的變化，實(shí)時(shí)追蹤優(yōu)化目標(biāo)值，以達(dá)到抑制負(fù)荷波動(dòng)和間歇式能源出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊[11]。

間歇式能源消納模式自適應(yīng)切換技術(shù)主要用于主動(dòng)配電網(wǎng)的運(yùn)行方式優(yōu)化調(diào)整，根據(jù)間歇式能源的出力情況和負(fù)荷的大小，自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化方式，選擇最佳的消納模式，實(shí)現(xiàn)間歇式能源的高效消納，減少能量損耗。

孤島狀態(tài)下的光伏消納技術(shù)主要用于當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)故障或設(shè)備故障時(shí)，通過(guò)儲(chǔ)能及聯(lián)絡(luò)開關(guān)等可控資源，主動(dòng)形成孤島，并在孤島狀態(tài)下帶動(dòng)光伏發(fā)電，同時(shí)恢復(fù)部分負(fù)荷供電，既提升了消納率也提高了可靠性[12]。

3示范工程社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析

示范工程的實(shí)施，將對(duì)推進(jìn)主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化起到積極的推動(dòng)作用。首先，對(duì)于主動(dòng)配電網(wǎng)的間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)的研究有利于在主動(dòng)配電網(wǎng)仿真試驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)、主動(dòng)配電網(wǎng)控制設(shè)備研制、主動(dòng)配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)開發(fā)等方面取得重要突破;其次，主動(dòng)配電網(wǎng)的間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)一方面能減少因電網(wǎng)故障的失電負(fù)荷和棄光發(fā)電，同步提升供電可靠性和光伏消納率，另一方面可以緩解大規(guī)模間歇式能源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊，保持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益.

3.1經(jīng)濟(jì)效益

1)示范工程解決了由于電網(wǎng)側(cè)故障和廠內(nèi)電壓波動(dòng)引起的光伏停機(jī)問(wèn)題，光伏發(fā)電量同比增長(zhǎng)6.14%，直接創(chuàng)造光伏發(fā)電收益21 778.24元。

2)示范工程優(yōu)化儲(chǔ)能充放電策略，達(dá)到了削峰填谷的目的，最大峰谷差降低約7.75%，并利用峰谷電價(jià)差取得直接經(jīng)濟(jì)收益1442.08元/日，年度直接經(jīng)濟(jì)收益可達(dá)52.64萬(wàn)元。

3)基于示范工程的主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)，可為電網(wǎng)提供總計(jì)1.1MWh的后備電源以及靈活的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式，可為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供可靠保障。

示范工程投運(yùn)前后各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比總覽見表3。

3.2社會(huì)效益

(1)對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能的研究以及分布式電源與儲(chǔ)能的接入技術(shù)研究，包括通訊方式、通訊規(guī)約、信息模型等。這些技術(shù)研究為未來(lái)分布式能源大規(guī)模接入配電網(wǎng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

(2)基于優(yōu)化技術(shù)的能量管理系統(tǒng)的研究開發(fā)，對(duì)于未來(lái)主動(dòng)配電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行具有十分重要的意義，能夠顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。

(3)主動(dòng)配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器的研制，是未來(lái)面向主動(dòng)配電網(wǎng)區(qū)域自治控制的前瞻性設(shè)備，是當(dāng)前智能配電網(wǎng)技術(shù)范疇中較為新穎的技術(shù)。

(4)通過(guò)示范工程，保證了示范區(qū)域的供電可靠性和光伏消納率要求，為用戶和能源供應(yīng)商提供了雙贏的解決方案，高度體現(xiàn)了供電企業(yè)的社會(huì)責(zé)任感。

4結(jié)語(yǔ)

示范工程充分展示了主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)基于全局優(yōu)化控制和自治控制相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了示范區(qū)域內(nèi)間歇式能源的100%消納和99.99%以上的供電可靠率，并有效降低峰谷差，取得年度直接經(jīng)濟(jì)收益52.64萬(wàn)元。主動(dòng)配電網(wǎng)是未來(lái)配電網(wǎng)發(fā)展的必然方向，通過(guò)對(duì)可控資源的充分利用可有效降低配電網(wǎng)的建設(shè)投資，提供電網(wǎng)設(shè)備利用率，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)間歇式能源的高效消納以及確保較高的供電可靠性。主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)雖沒有固定的技術(shù)形態(tài)，但其對(duì)可控資源因地制宜地合理控制是其技術(shù)本質(zhì)，示范工程充分詮釋了主動(dòng)配電網(wǎng)的技術(shù)內(nèi)涵，為我國(guó)主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用提供了重要的指導(dǎo)和參考。(尤毅 余南華 宋旭東 張曉平)