“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)，實現(xiàn)配電網(wǎng)多元負荷平衡調(diào)控與協(xié)同互動。

“當前系統(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，石獅市供電公司運維人員檢查了基于電力電子變壓器的能量路由系統(tǒng)運行狀態(tài)。該系統(tǒng)為有源配電網(wǎng)的運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)電裝機容量達442萬千瓦，預(yù)計2025年達到900萬千瓦。目前，泉州市光伏發(fā)電裝機容量全省第一，達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)團隊核心成員范元亮介紹。

為解決這些問題，2021年，攻關(guān)團隊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)，實現(xiàn)多臺區(qū)分布式資源靈活互動和協(xié)同運行。但是這一方案主要適用于負荷具有互補特性的場景，當電網(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)可以實現(xiàn)交直流、多電壓等級的電能變換，運行調(diào)控模式更多，可進一步提升配電網(wǎng)運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、運行控制、動態(tài)承載能力等提出更高要求，面臨的運行工況更加復(fù)雜。”范元亮說。自2022年起，他帶領(lǐng)團隊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)高效運轉(zhuǎn)

攻關(guān)團隊多次到現(xiàn)場調(diào)研，與一線技術(shù)人員深入交流，了解分布式光伏項目并網(wǎng)的影響以及低壓柔直互聯(lián)微電網(wǎng)在運行中易出現(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，進行暫態(tài)特性分析和功率控制模式切換調(diào)試。”攻關(guān)團隊成員陳偉銘說。

沿著這一思路，攻關(guān)團隊提出了基于“級聯(lián)H橋”及“基于高頻隔離變壓器的雙有源橋”拓撲結(jié)構(gòu)的暫態(tài)功率自適應(yīng)控制策略。一開始，團隊成員受限于傳統(tǒng)控制方法框架，設(shè)計出來的控制策略存在穩(wěn)態(tài)誤差大、運行損耗高等問題。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，降低了運行損耗。

今年3月22日，攻關(guān)團隊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。”各項工作準備就緒后，范元亮按下了系統(tǒng)啟動按鈕。測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)運行情況良好，達到設(shè)計目標。

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)過理論驗證、系統(tǒng)設(shè)計、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250千伏安柔性互濟裝置組成，實現(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)化運行水平。

能量路由系統(tǒng)具備較強的邊緣計算和能量調(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)智能融合終端實現(xiàn)能效診斷、智能調(diào)控、需求響應(yīng)、用能監(jiān)測、智能運維、多臺區(qū)能量互補等功能。目前，依托能量路由系統(tǒng)建設(shè)工作，攻關(guān)團隊已申請4項國家發(fā)明專利授權(quán)。