2019年07月12日 | 蜂巢状有源配电网构想、关键技术与展望

01、研究背景

随着分布式新能源的开发与利用，现有的传统配电网适应性已经不够。微网作为分布式电源接入电力系统的有效利用方式，能实现大规模、多类型的新能源就地消纳和即插即用，正在成为智能配电网的关键一环。当微网在配电网中大量存在并发展成多微网系统（微网群）后，可以通过寻求微网之间的连接方案，即合理构建基于微网的有源配电网拓扑，构建新型有源智能配电网。

02、蜂巢状有源配电网的拓扑结构

2.1  基本拓扑结构

蜂巢状有源配电网拓扑结构如图1所示，图中抽象的六边形代表每个微网的供电区域，相邻微网通过各自的公共连接点（PCC）与基于电力电子的智能功率/信息交换基站（SPIES）实现互联，从而组成蜂巢状有源配电网整体。正常工况下，各微网内部自有小微电源与负荷之间基本保持供需平衡；当某一微网出现功率异常或发生故障时，与其关联的各智能功率/信息交换基站能够根据所监测到的情况迅速做出准确判断，并根据判断结果及时对其施以功率支援使之恢复平衡，或选择切断与该故障微网的联络。

图1  蜂巢状有源配电网拓扑结构

对于部分难以自给自足、缺额功率较大而无法通过基站支撑的重负荷微网，可考虑由上级电网承担电力供应。由于上级电网相对于微网属于区外供电单位，故两者选择通过交易中心相联络。蜂巢状有源配电网与上级的联网方式如图2所示。

图2  蜂巢状配电网与上级电网联网方式

除了蜂巢状有源配电网外，还可构建其他形式的分布式有源配电网拓扑，如微网的实际供电区域可以抽象为三角形和四边形等。图3为基于微网群的分布式有源配电网拓扑通用架构。

图3  分布式有源配电网拓扑通用架构

实际工程中，微网的关联拓扑结构可根据配电网规模、划分的微网区域/数量大小、供电可靠性与灵活性以及经济性等多方面综合优化确定，如某一供电区域大部分以六边形结构的微网铺展覆盖，但少部分区域仍可以根据实际需求选择以三角形或四边形的微网铺展，即图4中的红色和橙色区域所示。

图4  蜂巢状有源配电网的派生拓扑

表1给出了微网抽象供电区域分别为蜂巢状、矩形及三角形三种不同形态的有源配电网拓扑的比较。可以看出，蜂巢状有源配电网中微网关联的基站数最多，供电可靠性最高；而基站关联的微网数最少，控制也最简单。因此，蜂巢状拓扑可作为分布式有源配电网的优选拓扑结构。

2.2  蜂巢状有源配电网的特点

1）相邻微网利用基于电力电子的可控设备实现功率互备，从而弱化了与主网的电气连接。每个微网通过“源网荷储”规范化配置构成自治的小/微型供用电系统，实现新能源就地消纳和区内供需基本自平衡。余/缺功率能通过分布在区间的可控设备与相邻微网实现自由交换。

2）整个配电系统将由一个个既相对独立又相互关联的分布式自治微网群组合而成。其微网群之间不存在电磁环网，具有网络架构坚强、清洁能源消纳能力强、配电方式灵活和支持电力市场交易等多项优点。

3）微网“源网荷储”规范化配置，运行控制高度自治。正常情况下电源与负荷间实现功率自平衡控制，类似于孤岛运行。

4）兼容性高。可接入各种类型的小微型电源和负荷，有很强的清洁能源消纳能力。

5）配电方式灵活。电压等级与交、直流供电方式取决于该区域的电源与负荷类型，相邻微网可差异化选择而无需统一的配电方式。

6）拥有定价权。不同微网的发电成本和用户负荷类型可存在较大差异，运营主体对出售的电价拥有自主定价权，有利于电力市场化。

03、蜂巢状有源配电网发展的关键技术和面临挑战

3.1  关键技术

1）智能功率/信息交换基站：智能功率/信息交换基站是一种带有储能装置、多端、可交直流混合接入的电力电子设备，主要功能是监测关联微网的运行状态、功率平衡辅助控制以及信息交互处理等。它是实现本文所提蜂巢状有源配电网拓扑的核心设备与关键技术，它的结构示意图和原理简图分别如图5(a)和(b)所示。

图5  智能功率/信息交换基站

2）站间通信与系统通信的双层通信机制：站间通信是指基站与关联微网的所有基站之间的相互通信，对关联微网运行状态信息的实时共享。系统通信是指各基站与上层综合调控中心之间的通信，确保上层综合调控中心实时掌握有源配电网中全部微网的运行状态，以便做出全局优化调控决策和协调控制。站间通信和系统通信如图6(a)和(b)所示。

图6  双层通信机制

3）微网的经济调度与基站的经济运营。有源微电网在考虑运行安全约束及关联基站功率交互成本等条件下，对区内电源、储能、负荷等进行优化调控以获得效益的最大化。在这其中，基站充当类似于“微型电能交易中心”的角色，通过购买和出售电能实现经济运营。

3.2  面临的挑战与展望

1）经济性问题。为了实现分布自治，蜂巢状有源配电网所需的智能基站数量较多，可能其建设成本占比较高，但长远来看会逐步下降到可接受范围内。

2）对微网的自治能力和基站的自主运作能力要求较高。需要研究并建立一套蜂巢状有源配电网底层的电能自主交易规则，作为智能基站的运行控制和功率调度的基本规则。

3）可能存在的潮流环流问题。智能基站增加了配电网中变流装置的数量，而多逆变器并联运行在输出电压参数不一致时容易出现环流现象、增加网损。

4）继电保护的配置问题。蜂巢状有源配电网中，各微网的运行控制相对独立，因此其继电保护也可相对独立配置；但由于微网之间通过智能基站相互关联，每个微网相当于多电源供电模式，需要进一步研究。

04、结论

蜂巢状有源配电网与传统配电网相比，具有网络架构更坚强、供电可靠性更高、消纳新能源能力更强、扩展灵活性更高和更易实现电力市场化等诸多优点，但其作为一种新型拓扑，面临挑战在所难免，许多问题需要进一步深入研究与解决。

原文将发表在《电力系统自动化》2019年第43卷第17期，敬请关注！

引文信息

江道灼, 徐宁, 江崇熙, 等. 蜂巢状有源配电网构想、关键技术与展望 [J/OL]. 电力系统自动化, 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.