01、研究背景
隨著分布式新能源的開發(fā)與利用，現(xiàn)有的傳統(tǒng)配電網(wǎng)適應(yīng)性已經(jīng)不夠。微網(wǎng)作為分布式電源接入電力系統(tǒng)的有效利用方式，能實現(xiàn)大規(guī)模、多類型的新能源就地消納和即插即用，正在成為智能配電網(wǎng)的關(guān)鍵一環(huán)。當(dāng)微網(wǎng)在配電網(wǎng)中大量存在并發(fā)展成多微網(wǎng)系統(tǒng)（微網(wǎng)群）后，可以通過尋求微網(wǎng)之間的連接方案，即合理構(gòu)建基于微網(wǎng)的有源配電網(wǎng)拓?fù)?，?gòu)建新型有源智能配電網(wǎng)。
02、蜂巢狀有源配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
2.1 基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
蜂巢狀有源配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中抽象的六邊形代表每個微網(wǎng)的供電區(qū)域，相鄰微網(wǎng)通過各自的公共連接點（PCC）與基于電力電子的智能功率/信息交換基站（SPIES）實現(xiàn)互聯(lián)，從而組成蜂巢狀有源配電網(wǎng)整體。正常工況下，各微網(wǎng)內(nèi)部自有小微電源與負(fù)荷之間基本保持供需平衡；當(dāng)某一微網(wǎng)出現(xiàn)功率異常或發(fā)生故障時，與其關(guān)聯(lián)的各智能功率/信息交換基站能夠根據(jù)所監(jiān)測到的情況迅速做出準(zhǔn)確判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果及時對其施以功率支援使之恢復(fù)平衡，或選擇切斷與該故障微網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)。
圖1 蜂巢狀有源配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
對于部分難以自給自足、缺額功率較大而無法通過基站支撐的重負(fù)荷微網(wǎng)，可考慮由上級電網(wǎng)承擔(dān)電力供應(yīng)。由于上級電網(wǎng)相對于微網(wǎng)屬于區(qū)外供電單位，故兩者選擇通過交易中心相聯(lián)絡(luò)。蜂巢狀有源配電網(wǎng)與上級的聯(lián)網(wǎng)方式如圖2所示。
圖2 蜂巢狀配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)方式
除了蜂巢狀有源配電網(wǎng)外，還可構(gòu)建其他形式的分布式有源配電網(wǎng)拓?fù)?，如微網(wǎng)的實際供電區(qū)域可以抽象為三角形和四邊形等。圖3為基于微網(wǎng)群的分布式有源配電網(wǎng)拓?fù)渫ㄓ眉軜?gòu)。
圖3 分布式有源配電網(wǎng)拓?fù)渫ㄓ眉軜?gòu)
實際工程中，微網(wǎng)的關(guān)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可根據(jù)配電網(wǎng)規(guī)模、劃分的微網(wǎng)區(qū)域/數(shù)量大小、供電可靠性與靈活性以及經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合優(yōu)化確定，如某一供電區(qū)域大部分以六邊形結(jié)構(gòu)的微網(wǎng)鋪展覆蓋，但少部分區(qū)域仍可以根據(jù)實際需求選擇以三角形或四邊形的微網(wǎng)鋪展，即圖4中的紅色和橙色區(qū)域所示。
圖4 蜂巢狀有源配電網(wǎng)的派生拓?fù)?
表1給出了微網(wǎng)抽象供電區(qū)域分別為蜂巢狀、矩形及三角形三種不同形態(tài)的有源配電網(wǎng)拓?fù)涞谋容^?？梢钥闯?，蜂巢狀有源配電網(wǎng)中微網(wǎng)關(guān)聯(lián)的基站數(shù)最多，供電可靠性最高；而基站關(guān)聯(lián)的微網(wǎng)數(shù)最少，控制也最簡單。因此，蜂巢狀拓?fù)淇勺鳛榉植际接性磁潆娋W(wǎng)的優(yōu)選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2.2 蜂巢狀有源配電網(wǎng)的特點
1）相鄰微網(wǎng)利用基于電力電子的可控設(shè)備實現(xiàn)功率互備，從而弱化了與主網(wǎng)的電氣連接。每個微網(wǎng)通過“源網(wǎng)荷儲”規(guī)范化配置構(gòu)成自治的小/微型供用電系統(tǒng)，實現(xiàn)新能源就地消納和區(qū)內(nèi)供需基本自平衡。余/缺功率能通過分布在區(qū)間的可控設(shè)備與相鄰微網(wǎng)實現(xiàn)自由交換。
2）整個配電系統(tǒng)將由一個個既相對獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的分布式自治微網(wǎng)群組合而成。其微網(wǎng)群之間不存在電磁環(huán)網(wǎng)，具有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)堅強(qiáng)、清潔能源消納能力強(qiáng)、配電方式靈活和支持電力市場交易等多項優(yōu)點。
3）微網(wǎng)“源網(wǎng)荷儲”規(guī)范化配置，運(yùn)行控制高度自治。正常情況下電源與負(fù)荷間實現(xiàn)功率自平衡控制，類似于孤島運(yùn)行。
4）兼容性高?？山尤敫鞣N類型的小微型電源和負(fù)荷，有很強(qiáng)的清潔能源消納能力。
5）配電方式靈活。電壓等級與交、直流供電方式取決于該區(qū)域的電源與負(fù)荷類型，相鄰微網(wǎng)可差異化選擇而無需統(tǒng)一的配電方式。
6）擁有定價權(quán)。不同微網(wǎng)的發(fā)電成本和用戶負(fù)荷類型可存在較大差異，運(yùn)營主體對出售的電價擁有自主定價權(quán)，有利于電力市場化。
03、蜂巢狀有源配電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和面臨挑戰(zhàn)
3.1 關(guān)鍵技術(shù)
1）智能功率/信息交換基站：智能功率/信息交換基站是一種帶有儲能裝置、多端、可交直流混合接入的電力電子設(shè)備，主要功能是監(jiān)測關(guān)聯(lián)微網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)、功率平衡輔助控制以及信息交互處理等。它是實現(xiàn)本文所提蜂巢狀有源配電網(wǎng)拓?fù)涞暮诵脑O(shè)備與關(guān)鍵技術(shù)，它的結(jié)構(gòu)示意圖和原理簡圖分別如圖5(a)和(b)所示。
圖5 智能功率/信息交換基站
2）站間通信與系統(tǒng)通信的雙層通信機(jī)制：站間通信是指基站與關(guān)聯(lián)微網(wǎng)的所有基站之間的相互通信，對關(guān)聯(lián)微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)信息的實時共享。系統(tǒng)通信是指各基站與上層綜合調(diào)控中心之間的通信，確保上層綜合調(diào)控中心實時掌握有源配電網(wǎng)中全部微網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，以便做出全局優(yōu)化調(diào)控決策和協(xié)調(diào)控制。站間通信和系統(tǒng)通信如圖6(a)和(b)所示。
圖6 雙層通信機(jī)制
3）微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度與基站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)營。有源微電網(wǎng)在考慮運(yùn)行安全約束及關(guān)聯(lián)基站功率交互成本等條件下，對區(qū)內(nèi)電源、儲能、負(fù)荷等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控以獲得效益的最大化。在這其中，基站充當(dāng)類似于“微型電能交易中心”的角色，通過購買和出售電能實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)營。
3.2 面臨的挑戰(zhàn)與展望
1）經(jīng)濟(jì)性問題。為了實現(xiàn)分布自治，蜂巢狀有源配電網(wǎng)所需的智能基站數(shù)量較多，可能其建設(shè)成本占比較高，但長遠(yuǎn)來看會逐步下降到可接受范圍內(nèi)。
2）對微網(wǎng)的自治能力和基站的自主運(yùn)作能力要求較高。需要研究并建立一套蜂巢狀有源配電網(wǎng)底層的電能自主交易規(guī)則，作為智能基站的運(yùn)行控制和功率調(diào)度的基本規(guī)則。
3）可能存在的潮流環(huán)流問題。智能基站增加了配電網(wǎng)中變流裝置的數(shù)量，而多逆變器并聯(lián)運(yùn)行在輸出電壓參數(shù)不一致時容易出現(xiàn)環(huán)流現(xiàn)象、增加網(wǎng)損。
4）繼電保護(hù)的配置問題。蜂巢狀有源配電網(wǎng)中，各微網(wǎng)的運(yùn)行控制相對獨(dú)立，因此其繼電保護(hù)也可相對獨(dú)立配置；但由于微網(wǎng)之間通過智能基站相互關(guān)聯(lián)，每個微網(wǎng)相當(dāng)于多電源供電模式，需要進(jìn)一步研究。
04、結(jié)論
蜂巢狀有源配電網(wǎng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，具有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更堅強(qiáng)、供電可靠性更高、消納新能源能力更強(qiáng)、擴(kuò)展靈活性更高和更易實現(xiàn)電力市場化等諸多優(yōu)點，但其作為一種新型拓?fù)?，面臨挑戰(zhàn)在所難免，許多問題需要進(jìn)一步深入研究與解決。
原文將發(fā)表在《電力系統(tǒng)自動化》2019年第43卷第17期，敬請關(guān)注！
引文信息
江道灼, 徐寧, 江崇熙, 等. 蜂巢狀有源配電網(wǎng)構(gòu)想、關(guān)鍵技術(shù)與展望 [J/OL]. 電力系統(tǒng)自動化, 2019, 43(17) [2019-07-09]. DOI: 10.7500/ AEPS20180730017.
JIANG Daozhuo, XU Ning, JIANG Chongxi, et al. Conception, key technology and prospect of honeycomb active distribution network [J/OL]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(17) [2019-07-09]. DOI: 10.7500/ AEPS20180730017.
