重庆大学郭莹霏、池源等提出面向多元负荷和优质供电的虚拟增容配电变压器的概念、应用与展望

阅读提示：本文约 4600 字

随着海量分布式新能源、柔性负荷、储能接入配电网，配电变压器在增强配电网多元负荷适应性及供电质量等方面将面临更严峻的挑战。 为系统地梳理现有配电变压器在技术性、经济性等方面的优劣和异同，重庆大学电力系统及其自动化系的郭莹霏、池源、王强钢、周念成、罗永捷和叶佳，在2024年第39卷第21期《电工技术学报》上撰文，总结了现有配电变压器的拓扑结构、关键技术、应用场景及局限性。与此同时，在考虑储能技术规模化应用的基础上，以现有配电变压器配合储能为硬件基础，提出对现有配电变压器进行“虚拟增容”的新概念——虚拟增容配电变压器，以探索传统配电变压器与储能元件信息物理融合的新模式、新场景。 该文对虚拟增容配电变压器的概念进行了定义，并阐述了其拓扑结构与功能架构，进而探讨了虚拟增容配电变压器的应用场景与关键实现技术，以期为智能配电变压器的发展与研究提供新思路。

研究背景

随着国家“双碳”目标和新型电力系统建设进程的推进，分布式新能源接入配电网的比例日益增加，尖峰负荷特征日益凸显，电力需求呈现多极增长的趋势。在此发展态势下，传统配电网将面临变压器容载比失衡、电能质量下降、传输功率不足等挑战。

考虑到储能技术的规模化应用及电网基础设施的智能化趋势，配电变压器的升级改造正迎来契机。配电变压器是配电网核心组成部分之一，将其与储能深度融合能全面提升配电网的可靠性、可控性，强化配电网对新能源的消纳和存储能力，柔化配电网对“源网荷储”的衔接，契合配电网的实时协调优化需求。

目前，功能单一的传统变压器已升级到功能多样、灵活可控的智能变压器。面对多元负荷接入诱发的电能质量扰动，智能变压器能根据配电网的电能质量治理需求进行无功补偿、谐波抑制和电压调节。

传统方式调控的配电变压器（包括用于不停电调压/调容的有载调压/调容配电变压器，以及适用于频繁电压波动和实时调控需求的自适应负荷型配电变压器）具有较高的经济性，但其调节方式与智能配电网的动态调控需求不匹配；集成电力电子设备调控的配电变压器（集成无功补偿/滤波的配电变压器、混合式配电变压器及电力电子配电变压器等）动态调控能力较强，但定制化的控制策略及拓扑降低了该类变压器的经济性。

因此，上述配电变压器在供电多元化、用电互动化的未来智能配电网中应用时，仍难以实现灵活的功率优化控制，兼顾配电网的新能源消纳及出力平滑、调频调峰等需求。

储能作为支撑新型电力系统建设的重要技术和基础装备，目前已在延缓电网升级、平滑新能源出力等方面发挥重要作用。此外，在靠近用户侧安装储能与存量配电变压器（指已经在电力系统中安装并运行的配电变压器）配合，将为配电变压器、电网、用户等主体带来增量收益。

在配电变压器层面，此举可实现配电变压器动态增容，降低配电变压器负载率及线路电压损耗，缓解季节性过载及低电压问题。在电网层面，此举与通过新增配电变压器或扩容改造解决配电变压器重过载的传统手段相比，可减少工程量、缩短建设周期，同时可充当后备电源和无功源，为配电网提供功率支撑。在用户层面，此举通过峰谷套利提升用户的经济效益。

然而，此方案中储能与存量输配电设备的协调配合难度大，适用性受限于储能成本及循环寿命。若能发挥存量配电变压器点多面广、运维保护技术成熟的优势，实现配电变压器与储能一体化规划、运行，可进一步挖掘二者的协同调控潜力。

因此，亟须探索存量配电变压器与储能融合的一体化技术形态，挖掘二者有机有序结合后的经济性与灵活性优势，为配电网未来面临的困境提供解决方案。

论文所解决的问题及意义

本文从功能性出发对现有配电变压器进行分类，梳理了各类变压器的特征及应用场景。在此基础上，提出虚拟增容配电变压器的概念，阐释其拓扑及功能架构，探讨其应用前景及关键技术。以期为未来智能配电网中高比例分布式新能源的消纳、配电变压器的升级改造及系统的安全高效运行提供理论基础和工程应用的路径参考。

图 1 虚拟增容配电变压器拓扑结构

图 2 虚拟增容配电变压器功能架构

图 3 虚拟增容配电变压器对峰谷电价的挖掘

图 4 虚拟增容配电变压器提供多样化辅助服务

论文方法及创新点

以现有配电变压器配合储能为硬件基础，提出虚拟增容配电变压器，旨在实现储能技术与配电变压器的深度融合、协同优化，顺应未来智能配电网“源网荷储”多元灵活互动的发展前景。

以“虚拟增容”为核心思想，挖掘存量配电变压器与储能互动后，在延缓传统设备增容升级、一体化调控、提升新能源消纳及削峰填谷能力、提供多样化辅助服务方面的潜力。

为对其进行系统层面的技术研究，也总结了模型构建、控制策略、协同规划三方面的关键实现技术：分别为多时间尺度状态空间模型构建、针对韧性提升的主动预防及故障后紧急控制策略以及基于设备全寿命周期模型的内部元件之间的寿命均衡技术。

结论

本文总结了现有配电变压器的拓扑结构、关键技术、应用场景及局限性，提出了对存量配电变压器进行“虚拟增容”的新概念——虚拟增容配电变压器。结合储能在未来智能配电网中的灵活性资源角色及其平滑新能源出力等方面的能力，对配电变压器与储能的深度融合新形式、新场景展开探索。

1）从“适应多元负荷”“保障优质供电”两个角度对现有配电变压器进行分类，分析其各自拓扑、工作原理、控制与保护方式及应用场景，总结其在未来智能配电网发展下的优劣势。总的来说，面向高比例分布式新能源接入的配电网，由于其无源特性，存量配电变压器对分布式新能源的消纳能力及功率双向调节能力存在一定局限性。

2）作为一个不具排他性的探索性尝试，以现有配电变压器配合储能为硬件基础，提出虚拟增容配电变压器。虚拟增容配电变压器旨在实现储能技术与配电变压器的深度融合、协同优化，顺应未来智能配电网“源网荷储”多元灵活互动的发展前景。以“虚拟增容”为核心思想，挖掘存量配电变压器与储能互动后，在延缓传统设备增容升级、一体化调控、提升新能源消纳及削峰填谷能力、提供多样化辅助服务方面的潜力。

为对其进行系统层面的技术研究，也总结了模型构建、控制策略、协同规划三方面的关键实现技术。针对虚拟配电增容变压器规划、运行、控制的研究，对加快构建适应新能源快速发展的柔性配电网、推动配电网侧储能建设和需求侧响应、数字化转型和智能化调控，以及存量设备动态增容和老旧设备高效利用具有指导意义。

团队介绍

重庆大学新型电力系统安全运行与智能控制团队现有教师6名（教授3名，副教授1名，助理教授1名，含国家级青年人才1名），在读博士/硕士研究生30余名。团队长期从事电力系统保护与控制，直流电网运行与控制，交直流电能质量分析、电力系统及综合能源系统运行等领域的研究；累计发表学术论文400余篇（含IEEE Trans. 论文40余篇，JCR 1区论文160余篇，EI论文130余篇）；出版学术专著2部；主持国家自然科学基金项目9项，参与国家重点研发计划3项；获得省部级奖励4项。

郭莹霏

硕士，重庆大学电气工程学院，主要研究方向为电力系统规划、电力系统自动化和电能质量。发表EI期刊论文4篇。

池源

助理教授，硕士生导师，重庆大学电气工程学院，主要研究方向为电力系统稳定性、电力系统灵活性与韧性、数据分析。主持博士后国际交流计划引进项目1项，承担多项工业界资助科研项目。近五年发表SCI 期刊论文 20篇，出版Wiley-IEEE电力系统稳定性专著1本，参与制定IEEE 负荷模型标准1项。

王强钢

教授，博士生导师，重庆大学电气工程学院，主要研究方向为电力系统保护与控制、交直流电能质量分析。主持国家自然科学基金-联合基金-集成项目课题1项、面上和青年项目各1项，国家重点研发计划子课题1项，重要横向项目2项；以第一/唯一通信作者发表JCR一区SCI论文18篇（其中IEEE汇刊10篇）、《中国电机工程学报》等一级学报论文10篇；获中国仪器仪表学会科技进步一等奖（排名3）、中国产学研合作创新奖（个人）、重庆市电力科技一等奖（排名1）；授权国家发明专利20项，参编电力/能源行业标准4项。担任输配电领域国际顶刊IEEE Transactions on Power Delivery副编辑，负责重庆市重大教改项目、教育部产学合作育人项目各1项，参编“十三五”卓越工程系列规划教材1部（排名2），获评重庆大学教书育人奖（优秀青年教师）。

周念成

教授，博士生导师，重庆大学电气工程学院电力系统及其自动化系主任，主要研究方向为交直流电网稳定与控制、电力系统保护、电能质量等。中国电机工程学会分布式发电及智能配电网专委会委员、IEEE PES DC Distribution Network Technical Subcommittee常务理事、IEEE高级会员。主持国家自然科学基金面上项目3项、获得重庆市科技进步一等奖1项、仪器仪表协会科技进步一等奖1项，近五年发表SCI/EI 论文100余篇。

罗永捷

副教授，博士生导师，重庆大学电气工程学院，主要研究方向为柔性直流输电技术、可再生能源与储能优化控制等。现担任IEEE PC37.252工作组成员、IEC/SC22F工作组成员、《电力系统保护与控制》青年编委、《Applied Sciences》客座编辑。主持国家自然科学基金青年项目1项，作为骨干成员参与国家重点研发计划4项。作为团队核心成员参与广东南澳±160kV/200MW三端柔性直流输电示范工程、云南鲁西±350kV/1000MW直流异步联网工程研发及试运行工作，团队荣获“南方电网公司科技进步特等奖”和“中国机械工业科学技术一等奖”。

叶佳

教授，重庆大学电气工程学院，主要研究方向为无线通信系统设计分析与优化、通信与电力系统交叉研究。2023 年围绕“无线信息与能量传输网络构建方法”的研究获得优秀青年科学基金项目（海外）资助，获评重庆英才青年拔尖人才，获批国家自然科学青年科学基金项目、重庆市自然科学基金创新发展联合基金项目、新重庆引才计划优秀青年专项，主持和参与校企合作项目4 项，作为项目骨干参与国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目。在Proceedings of the IEEE、IEEE Transactions on Communications、IEEE Transactions on Wireless Communications 等国内外期刊以及ICC、GLOBECOM 等会议上已发表/录用论文50 余篇,其中SCI 论文40 余篇(JCR 一区论文30 余篇,中科院一区论文15 篇)、EI 论文6 篇,以第一/通讯作者发表期刊论文20 余篇(其中IEEE 权威期刊发表论文20 篇)，参与编写英文著作一部。

本工作成果发表在2024年第21期《电工技术学报》，论文标题为“面向多元负荷和优质供电的虚拟增容配电变压器：概念、应用与展望“。本课题得到国家自然科学基金面上项目的支持。

引用本文

郭莹霏, 池源, 王强钢, 周念成, 罗永捷, 叶佳. 面向多元负荷和优质供电的虚拟增容配电变压器：概念、应用与展望[J]. 电工技术学报, 2024, 39(21): 6666-6686. Guo Yingfei, Chi Yuan, Wang Qianggang, Zhou Niancheng, Luo Yongjie, Ye Jia. Virtual Capacity-Enhanced Distribution Transformer for Diverse Loads and Quality Power Supply: Concepts, Applications, and Prospects. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(21): 6666-6686.

阅读全文

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

今日头条号

学会科普微信

大赛官方微信

☎️ 《电工技术学报》：010-63256949/6981；邮箱：dgjsxb@vip.126.com ☎️ 《电气技术》：010-63256943；邮箱：dianqijishu@126.com ☎️ 《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》：电话：010-63256823；邮箱：cestems@126.com ☎️ 编务：010-63256994 ☎️ 订阅：010-63256817 ☎️ “电工技术学报”微信号运营编辑：13121222619（微信同号） ☎️ “CES电气”微信号运营编辑：18500877291（微信同号）