中国农业大学：交直流混合配电网韧性提升关键技术（2023）_25页_2mb

交直流混合配电网韧性提升关键技术总结

核心内容

交直流混合配电网在应对极端天气和自然灾害方面具有显著优势，其韧性提升关键技术主要围绕精准投资、多元资源协调优化、柔性设备调控能力以及协调恢复模型展开。这些技术旨在实现经济性与韧性的均衡优化，提升配电网在极端事件下的恢复能力与供电可靠性。

主要观点

• 交直流混合配电网的韧性提升需求源于供电能力不足、调控能力不足、新型直流源荷增多等现实问题。
• 配电网在极端事件下面临小概率-高损失的风险，且传统方法难以准确量化其影响。
• 数据机理融合建模是实现精准灾损预测的重要手段，通过结合气象数据和故障机理，提高模型的准确性与适用性。
• 博弈论方法用于实现韧性与经济性的多目标均衡优化，特别是在灾前资源配置中，通过Nash均衡等方法确保各子目标的物理含义不变。
• 交直流混合配电网的灵活性与恢复能力可有效提升系统在故障后的恢复效率，尤其是在直流配电线路作为应急供电通道的情况下。

关键信息

1. 韧性提升的关键技术方向

• 精准投资差异化调控：根据应用场景合理配置资源，避免过度投资。
• 多元资源协调优化：结合分布式电源、储能、电动汽车等资源，实现系统韧性与经济性的平衡。
• 柔性设备调控能力：通过VSC（电压源变换器）等设备实现交直流网络的灵活控制，提升系统恢复能力。
• 协调恢复模型：通过网络重构、VSC优化、电动汽车参与等手段，实现负荷恢复的最大化。

2. 数据机理融合的灾损建模

• 数据驱动：利用历史气象数据（如台风、暴雨等）进行极端事件的概率密度函数建模。
• 机理驱动：基于物理机制，计算配电网元件（如杆塔、架空线、变压器）在极端天气下的损坏概率。
• 算法流程：
  • 使用**高斯混合模型（GMM）**对气象数据进行建模；
  • 基于气象要素计算配电网元件损坏概率；
  • 最终得出各节点负荷失电概率，为后续优化提供依据。

3. 韧性与经济性均衡优化

• 双层优化模型：以总成本-停电损失比为优化目标，实现韧性与经济性的平衡。
• Nash均衡方法：将多目标优化转化为博弈问题，确保各子目标的物理含义不变。
• 投资边际分析：通过调整固定储能装置占比，找到韧性提升与经济性下降之间的最优平衡点。

4. 交直流混合配电网的韧性提升策略

• 直流配电线路作为应急通道：在故障后，利用直流线路实现快速恢复，保障重要负荷持续供电。
• VSC控制方式选择：根据故障场景和网络状态，灵活选择VSC控制方式（如Vf控制、PQ控制、VDC-Q控制），以提升恢复能力。
• 电动大巴V2G（车辆到电网）技术：通过电动大巴的电池容量和调度能力，实现对配电网的辅助恢复，提升系统韧性。
• 多维度均衡规划方法：在投资规划阶段，考虑交直流混合配电网在正常运行、风险运行、故障恢复、极端事件等不同工况下的作用效果，结合地理环境和存量资产进行优化配置。

5. 灾前、灾中、灾后协调恢复

• 灾前：通过优化资源配置，提升系统在极端事件前的准备能力。
• 灾中：利用VSC和移动储能系统（如电动大巴）实现快速恢复，提高供电恢复效率。
• 灾后：通过网络重构和协调恢复策略，最大化恢复负荷量，减少停电损失。

算例分析

• 不同方案的负荷恢复结果：

  • Case1：仅通过网络重构和VSC恢复，恢复负荷量为50%；
  • Case2：网络重构与VSC协调恢复，随后电动汽车参与，恢复负荷量提升至65%；
  • Case3：网络重构、VSC与电动汽车三者协调，恢复负荷量达到82%。

• 投资成本与恢复效果对比：

  • 在降低固定储能装置占比后，韧性提升速度与经济性下降速度之间的比值呈现先增后减趋势，拐点即为最优均衡规划方案。
  • 通过减少40.4万元投资成本，可获得与原有方案相近的停电损失削减效果。

未来研究方向

• 提升模型的预测精度：通过更精确的气象数据与故障机理建模，提高灾损预测的准确性。
• 优化资源配置策略：探索更合理的资源配置方案，实现韧性与经济性的最优平衡。
• 融合交通网络与电网恢复：考虑交通网络对电动大巴V2G恢复能力的影响，提升系统整体恢复效率。
• 推广交直流混合配电网应用：在城市与乡村电网中推广交直流混合配电网，提升其在极端事件下的供电可靠性。

参考文献

• L. Zhang, C. Wang, J. Liang, M. Z. Wu, B. Z and W. Tang*, “A Coordinated Restoration Method of Hybrid AC/DC Distribution Network for Resilience Enhancement,” IEEE Trans. Smart Grid, vol. 14, no. 1, pp. 112 - 125, Jan. 2023.
• 张博,马梓耀,王辰,张璐*,唐巍.含光储充一体化电站的城市交直流混合配电网韧性提升策略.电力系统自动化(录用).
• L. Zhang, S. Yu, B. Zhang*, G. Li, Y. Cai and W. Tang, "Outage Management of Hybrid AC/DC Distribution Systems: Co-Optimize Service Restoration with Repair Crew and Mobile Energy Storage System Dispatch," Applied Energy, vol. 335, pp. 1 - 14, Feb. 2023.
• L. Zhang, B. Zhang, W. Tang*, Y. Lu, C. X. Zhao and Q. M. Zhang, “A Coordinated Restoration Method of Hybrid AC-DC Distribution Network with Electric Buses Considering Transportation System Influence,” IEEE Trans. Ind. Informat., vol. 18, no. 11, pp. 8236 - 8246, Nov. 2022.

结论

交直流混合配电网在提升韧性方面具有独特优势，通过数据机理融合建模、博弈论方法、VSC调控、电动大巴V2G等关键技术，可以实现经济性与韧性的均衡优化。未来研究应进一步提升模型精度、优化资源配置策略，并考虑交通网络对恢复能力的影响，以构建更加智能、高效、韧性的交直流混合配电网系统。