“雙碳”背景下，能源結(jié)構(gòu)加速轉(zhuǎn)型，分布式光伏迎來新一輪快速發(fā)展，也給配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來新的挑戰(zhàn)。在福建省石獅市永寧鎮(zhèn)沙堤村，福建電科院試點(diǎn)建設(shè)應(yīng)用了基于電力電子變壓器的能量路由系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)多元負(fù)荷平衡調(diào)控與協(xié)同互動。

“當(dāng)前系統(tǒng)正向功率12千瓦，功率模組正處于同步傳輸模式，符合系統(tǒng)預(yù)設(shè)工作模式。”5月8日，在福建省石獅市永寧鎮(zhèn)沙堤村，石獅市供電公司運(yùn)維人員檢查了基于電力電子變壓器的能量路由系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)為有源配電網(wǎng)的運(yùn)行管控提供了新手段。

隨著分布式光伏規(guī)?；l(fā)展，配電網(wǎng)從“無源”向“有源”轉(zhuǎn)變，功率從單向流動向雙向流動轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的配電變壓器無法滿足電壓頻繁波動狀態(tài)下的調(diào)壓需求。國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院創(chuàng)新提出基于電力電子變壓器的能量路由系統(tǒng)方案，提升了配電網(wǎng)消納分布式光伏發(fā)電量的能力，實(shí)現(xiàn)了有源臺區(qū)自治、源網(wǎng)荷協(xié)同互動、電能質(zhì)量主動管理等。

開展技術(shù)攻關(guān)

提升配電網(wǎng)消納光伏發(fā)電量能力

近年來，福建分布式光伏項(xiàng)目建設(shè)保持快速增長態(tài)勢，截至4月底，福建光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)442萬千瓦，預(yù)計(jì)2025年達(dá)到900萬千瓦。目前，泉州市光伏發(fā)電裝機(jī)容量全省第一，達(dá)95萬千瓦。

沙堤村太陽能資源豐富，年利用小時數(shù)超過1300小時。截至4月底，沙堤村整村屋頂分布式光伏并網(wǎng)容量達(dá)1336千瓦。該村共有公用配電變壓器17臺，總?cè)萘?480千伏安，多個臺區(qū)光伏裝機(jī)滲透率已超過70%，存在光伏發(fā)電電量倒送等問題，影響配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

“我們通常通過配電網(wǎng)增容改造來解決這一問題，但該方案在設(shè)備占地面積、投資規(guī)模、功率控制等方面不具備優(yōu)越性，而且還有三相不平衡、電壓雙向越限等電能質(zhì)量方面的問題需要解決。”福建電科院高供電可靠性配電技術(shù)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)核心成員范元亮介紹。

為解決這些問題，2021年，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)開始研究低壓柔直互聯(lián)微電網(wǎng)：多個臺區(qū)通過低壓柔性直流互聯(lián)技術(shù)互聯(lián)，構(gòu)建臺區(qū)組微電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多臺區(qū)分布式資源靈活互動和協(xié)同運(yùn)行。但是這一方案主要適用于負(fù)荷具有互補(bǔ)特性的場景，當(dāng)電網(wǎng)中含極高比例分布式光伏時，難以滿足配電網(wǎng)高可靠運(yùn)行要求。

“和低壓柔直互聯(lián)微電網(wǎng)相比，能量路由系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)交直流、多電壓等級的電能變換，運(yùn)行調(diào)控模式更多，可進(jìn)一步提升配電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性和可靠性，提高微電網(wǎng)和配電網(wǎng)間的協(xié)同能力。但相關(guān)技術(shù)對系統(tǒng)的安全邊界、運(yùn)行控制、動態(tài)承載能力等提出更高要求，面臨的運(yùn)行工況更加復(fù)雜。”范元亮說。自2022年起，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研究基于電力電子變壓器的能量路由技術(shù)，并在沙堤村建設(shè)示范工程。

采用合理控制策略

保證能量路由系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)

攻關(guān)團(tuán)隊(duì)多次到現(xiàn)場調(diào)研，與一線技術(shù)人員深入交流，了解分布式光伏項(xiàng)目并網(wǎng)的影響以及低壓柔直互聯(lián)微電網(wǎng)在運(yùn)行中易出現(xiàn)的問題，總結(jié)分析地區(qū)分布式光伏發(fā)電特性。

能量路由系統(tǒng)可以構(gòu)建單元級的能源互聯(lián)網(wǎng)，通過信息交互實(shí)現(xiàn)單元內(nèi)部的能量管理和調(diào)度、微電網(wǎng)和配電網(wǎng)間的協(xié)同、設(shè)備及臺區(qū)用電狀態(tài)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)能量高效分配和友好交互。

“電力電子變壓器是能量路由系統(tǒng)的主要功率變換設(shè)備。而電力電子變壓器控制策略是決定其工作性能的關(guān)鍵因素，采用合理的控制策略才能保證能量路由系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。光伏發(fā)電受天氣影響大，發(fā)電功率變化快。而傳統(tǒng)的電力電子變壓器控制策略較少考慮暫態(tài)問題，我們需要改變控制策略，進(jìn)行暫態(tài)特性分析和功率控制模式切換調(diào)試。”攻關(guān)團(tuán)隊(duì)成員陳偉銘說。

沿著這一思路，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)提出了基于“級聯(lián)H橋”及“基于高頻隔離變壓器的雙有源橋”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的暫態(tài)功率自適應(yīng)控制策略。一開始，團(tuán)隊(duì)成員受限于傳統(tǒng)控制方法框架，設(shè)計(jì)出來的控制策略存在穩(wěn)態(tài)誤差大、運(yùn)行損耗高等問題。經(jīng)過反復(fù)的優(yōu)化調(diào)整，他們提出了一種基于廣義二階積分器的鎖相方法和暫態(tài)功率平滑切換控制技術(shù)方案，減小了穩(wěn)態(tài)誤差，降低了運(yùn)行損耗。

今年3月22日，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)開展了基于電力電子變壓器的能量路由系統(tǒng)測試工作。“請檢查電壓、電流和頻率是不是已在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。”“再檢查下功率驅(qū)動信號、通信通道和工作模式有沒有問題。”各項(xiàng)工作準(zhǔn)備就緒后，范元亮按下了系統(tǒng)啟動按鈕。測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

推動技術(shù)成果應(yīng)用

建成新型交直流混合微電網(wǎng)

福建電科院聯(lián)合泉州供電公司、石獅市供電公司推動基于電力電子變壓器的能量路由技術(shù)應(yīng)用于有源配電網(wǎng)。經(jīng)過理論驗(yàn)證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、全工況模擬測試等一系列流程，4月28日，能量路由系統(tǒng)在沙堤村正式投入運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，基于中壓直掛電力電子變壓器的新型交直流混合微電網(wǎng)建成。

能量路由系統(tǒng)由一套10千伏/630千伏安電力電子變壓器、2套250千伏安柔性互濟(jì)裝置組成，實(shí)現(xiàn)了10千伏交流、380伏交流、750伏直流的安全、可靠、智能及高效轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)融合先進(jìn)信息技術(shù)和電能變換技術(shù)，以直流的方式將多個臺區(qū)相連，提高了分布式電能利用和調(diào)控能力、源網(wǎng)荷協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行水平。

能量路由系統(tǒng)具備較強(qiáng)的邊緣計(jì)算和能量調(diào)控功能，可接入光伏發(fā)電設(shè)備、新能源汽車充電樁和直流配電網(wǎng)系統(tǒng)等，結(jié)合臺區(qū)智能融合終端實(shí)現(xiàn)能效診斷、智能調(diào)控、需求響應(yīng)、用能監(jiān)測、智能運(yùn)維、多臺區(qū)能量互補(bǔ)等功能。目前，依托能量路由系統(tǒng)建設(shè)工作，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)已申請4項(xiàng)國家發(fā)明專利授權(quán)。