[科普中国]-柔性配电网

简介

利用柔性电力电子技术改造的配电网是一个重要趋势，能有效解决传统配电网发展中的一些瓶颈问题。先进的电力电子技术可以构建灵活、可靠、高效的配电网，既可提升城市配电系统的电能质量、可靠性与运行效率，还可应对传统负荷以及比例可再生能源的波动性2。

智能柔性开关(也称软开关，包括SNOP, SOP,DC Link)}是安装于传统联络开关处的一种新型智能电力电子装置，它能使传统闭环设计开环运行的配电网改为柔性闭环运行。传统配电网通过调节开关的开合状态来改变电网拓扑，这种0-1调节模式，能在一定程度上改变潮流分布;安装柔性开关后，能平滑调节馈线间潮流分布，其优势主要体现在以下几方面:1)响应速度更快，潮流调节能力; 2降低电网损耗，优化电压分布，提高暂态电压稳定性 ; 3提高对分布式电源(distributedgeneration DG)·波动负荷的消纳能力 4)均衡馈线间负载，提高供电能力缩小故障停电范围，提高供电可靠性。

FDN的定义传统配电网(简称刚性配电网，与柔性配电网相对)由于受短路容量、电磁环网等问题的限制，被迫采取闭环设计开环运行的模式。潮流随网络结构参数以及负荷需求而自然分布，只能通过开关操作的网络重构才能在一定程度上改变潮流分布。开环运行对供电可靠性有负面影响，潮流控制力不强对安全性和供电能力也是不利的2。

本文将FDN定义为能实现柔性闭环运行的配电网。FDN有2个特征:第1个特征是闭环，这是因为 FDN在闭环点对短路电流具有阻断能力;第2个特征是柔性，即某些节点对所连多个支路的潮流具有多方向连续调控能力，从电网角度看能一定程度改变潮流的自然分布。闭环特征让FDN可能达到更高的供电可靠性，能做到故障或检修时避免短时停电;柔性特征让FDN具备更强大的潮流控制能力，能更快更广地适应负荷与DG的波动。

FDN概念属于智能配电网的子集。智能配电网是新一代配电网的统称，其内涵非常丰富:既有DG、储能等新元件接入，又包括配电网络自身的升级换代。网络换代有2方面内容:1)信息通信技术对二次系统的升级;2)电力电子技术对一次系统的升级。FDN的提出是针对方面2)的。FDN与主动配电网(active distribution network ADN)概念不同:ADN针对DG进行主动调度，让其与电网协同工作;FDN针对电网一次系统，让其具备柔性能力。二者也存在联系:柔性化提高了电网潮流转移调节能力，有助于间歇性DG的消纳，对提高整个配电网的主动调节性也是有益的。

柔性配电网的实现在已有电网基础上构建FDN，只需要部分关键节点或支路具有柔性闭环能力2，这部分节点/支路称为柔性节点/柔性支路。柔性节点或柔性支路的关键设备是电力电子装置。柔性开关本质上是一种2端电力电子装置，可由背靠背电压源型变流器(voltagesource converter VSC)、统一潮流控制器(unifiedpower flow controller UPFC)、静止同步串联补偿器(static synchronous series compensatory SSSC)等电力电子装置实现。若直接使用柔性开关，通常在馈线联络处替代传统开关(以下称刚性开关，与柔性开关相对)，这种情况适合单联络接线的柔性改造。

对于多联络接线，既可采用多台柔性开关，也可采用连接效率更高的多端电力电子装置。由于开闭站在现有城市配电网中广泛使用，文献「13]提出的柔性开闭站(flexible switching station FSS)是构建FDN的关键设施，具有组网效率高、规模易于伸缩扩展的优点，更能满足大规模复杂FDN的组网需求。FSS的核心是一台多端柔性装置，但从配电网工程师的角度来看，更适合视为由通过母线连接的多个柔性开关构成的开闭站，单台柔性开关也可视为FSS的特例。FSS的概念还利于结合传统刚性开关，采用柔性开关和刚性开关的混合方式，混合FSS对到变电站的主馈线可采用柔性开关连接，对到次级分支线路可采用刚性开关连接。

FDN的组网形态一些新的研究探讨了与我国现状不同的组网形态方式，例如网格化组网、利用能量路由器[’“]组网等。但由于我国已基本完成了大规模配网建设改造，现有网络规模庞大，已具有超前性。因此必须考虑从现有接线模式向FDN过渡并简化接线2。

FDN并非全面替代刚性开关，而是在关键位置采用柔性开关，这是由于柔性开关造价高，即使大规模应用后也会明显高于刚性开关，在设备可靠性和耐久性方面也很难超过刚性开关。因此，部分柔J陛化改造后会取得性价比更好的结果。

传统配电网的多联络接线比单联络接线具有更高的允许负载率，未来高比例分布式电源需要更灵活畅通的网络结构。因此，本文认为城市配电网采用多端FSS对多回馈线进行组网更为合适。

依据配电网规划技术原则，中压配电网中架空网接线模式主要包括辐射和多分段适度联络2种;电缆网主要包括单环和双环2种。

柔性配电网的优势本文明确了柔性配电网FDN的定义及其特征;提出了以柔性开闭站FSS为核心的多馈线互联组网形态;提出了从现有接线到FDN的过渡方式;提出了FDN的运行方式以及安全性分析方法。与传统刚性配电网对比，发现FDN的优势如下2:

1)在正常运行方面，FDN能较好地均衡馈线以及变电站主变的负载，安全裕度更高;而刚性配电网会出现重载或者轻载很不均衡的情况。

2)在N-1安全性方面，由于FSS在多回馈线间具有连续负荷分配能力，能充分利用网络相互支持，安全性更高;而刚性配电网依靠开关重构的负荷转移是离散的，相对FDN安全性更低。

3)在供电能力方面，FDN不仅会提升TSC}并且TSC能在各种负荷分布下达到，在实际中容易实现;而刚性配电网在很多分布下无法实现TSC o 柔性化是配电网发展的一个重要趋势，FDN概念会带来很多令人感兴趣的课题，如柔性化程度如何衡量、如何确定合理的柔性度。后续研究还将提高计算精度，计及损耗和FSS无功输出的独立性，并考虑DG、储能、用户响应等因素，研究FDN对消纳间歇性DG的作用。

必须指出，电力电子器件应用于中压配电网目前还存可靠性、损耗和成本等问题[}20> > FDN的研究仍处于概念和起步阶段，大规模的推广应用还需要时间。但随着科学技术的发展以及新型可关断器件的出现[2()]，FDN在未来应具有广阔的前景。

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