图1 自适应负荷型配电变压器结构
Fig.1 Architecture of self-adaptive distribution transformer
摘要 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，该文总结了其拓扑结构、关键技术、应用场景及局限性。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，以期为我国智能配电变压器的发展与研究提供新思路。
关键词：虚拟增容 配电变压器 储能 智能配电网
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[1-2]，尖峰负荷特征日益凸显[3-4]，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[5]。考虑到储能技术的规模化应用[6-7]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[8]。
国内外学者已对新型配电变压器进行了广泛研究。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[8-11]。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。现有变压器可分为传统方式调控和集成电力电子设备调控两类。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。集成电力电子设备调控的配电变压器包括集成无功补偿/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。以上两类配电变压器均已在工程实践中得到广泛应用，但两者的应用优势相异。传统方式调控的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[12]，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[13]。
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[14]。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[15]，降低配电变压器负载率及线路电压损耗[16]，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[17]或扩容改造解决配电变压器重过载[18]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[19]。在用户层面，此举通过峰谷套利提升用户的经济效益[20]。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[21]。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。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。
配电网负荷正经历着由传统的刚性、纯消费型向柔性、生产与消费兼具型转变。这一转变使得配电网负荷的种类及特性由过去的“少而趋同”变为“多而相异”，负荷特性曲线也从单一向复杂、随机转变。因此，未来智能配电网负荷呈现“身份多元”“种类多元”“时空特性多元”的特点。在这样的背景下，如何适应多元负荷成为配电变压器未来研究的重点。
我国实际电力工程中的配电变压器空载损耗严重，经济效益与供电可靠性难以在容量确定的情况下保持平衡[22]。有载调容/调压配电变压器针对这一现象，根据实际负荷或电压改变额定运行容量、调整电压分接头，降低空载损耗，提高电压质量[23]与配电台区的经济运行水平[24]。
有载调容/调压配电变压器对输出电压或负载电流进行检测[25]，根据容量或电压整定值判断约束条件进行调容或调压。有载调容过程通过变压器内部高压线圈的Y/△变换和低压线圈串并联转换，在带励磁状态下转换容量[24]，具体切换方式如附图1所示。当从大容量切换至小容量时，低压侧匝数增加，铁心磁通密度降低，使硅钢片单位损耗变小，空载损耗和空载电流降低，达到降损节能的目的。
有载调压变压器则可定性地视作理想变压器在空载高压侧及低压侧分别接入一个并联电容器和一个并联电感器[26]，通过分接头变换实现带负荷调压，其原理及等效电路如附图2所示。
有载调压开关（On-Load Tap Changer, OLTC）作为有载调压的核心技术，决定有载调压效果。根据电力电子器件在开关中所占比例，OLTC可分为机械式、混合式和电力电子式[27]。目前，机械式开关存在易形成电弧、造成油污染、准确性低以及高维修成本等问题，已经逐渐被后两者取代[28]；混合式开关与电力电子式开关相比，切换速度慢且结构复杂；而电力电子式开关由于包含较多电力电子器件，对均压和均流的要求较高，在一定程度上制约了系统性能[27]。目前，实际应用中主要采用永磁真空有载调压开关。短期内，混合式开关为调压开关的研究重点；中远期来看，随着集成化全电力电子器件开关均压与均流问题的解决，电力电子式开关将更具研究前景。
有载调容/调压配电变压器在季节性、昼夜峰谷负荷变化大的场景应用效果较好，如城市商业区、开发区、工业区及农村电网[29]，目前已在大庆油田采油七厂、苏州工业园区临湖村等地投运[30]。据应用试点数据，有载调容/调压配电变压器可有效降低空载损耗，减少造价及运维投资[31-32]。
然而，由于有载调容/调压配电变压器为无源设备，其大容量运行状态仅在变压器过载或临界过载时刻使用，扩建投资成本较高，并且存在增容后变压器容载比长期偏高的问题[21]。因此，在高比例分布式新能源并网的场景中作用有限。
此外，有载调容/调压配电变压器还存在开关高压触头熄弧难，低压触头抗短路能力差、寿命短，内部绝缘结构复杂[25]等问题。对于无功功率匮乏的系统，有载调容/调压配电变压器存在负调压效应，可能会导致电压崩溃[26]。
针对电压频繁波动、不可短时切负荷、三相负荷严重不平衡场景中的调容调压需求，中国电力科学研究院设计了一种自适应负荷型配电变压器（Self-Adaptive Distribution Transformer, SADT）。相比传统有载调容/调压变压器，SADT增加了在线负荷换相及分相无功补偿的功能[33]，在不切断负荷的前提下自动跟踪判断实时负荷大小和电压偏移情况，可有效地解决三相负荷严重不平衡问题，提高电压和容量调整判定的及时性和准确性。
SADT结构如图1所示，根据功能可分为配电变压器本体单元、有载调容调压一体化单元、配套设备单元及综合控制单元。其中，配电变压器本体单元及有载调容调压一体化单元分别作为配电变压器的结构基础与功能基础，其拓扑和工作原理与有载调容/调压变压器基本一致。配套设备单元及综合控制单元作为其区分于传统有载调容/调压变压器的创新之处，实现在线负荷换相及分相无功补偿：综合控制单元涵盖数据状态信息采集、综合分析判断决策及输出控制功能，作为“指挥官”指导运作；配套设备单元主要包括在线负荷换相设备和分相无功补偿设备。
图1 自适应负荷型配电变压器结构
Fig.1 Architecture of self-adaptive distribution transformer
相比有载调容/调压配电变压器，SADT在不停电、不切负荷调压方面更进一步。面向三相负荷不平衡和电压波动频繁场景，可有效地避免因传统有载调容/调压配电变压器片面降低空载损耗而导致的实际综合损耗增大和经济运行水平降低的情况。
由于未来配电网大量分布式电源、非线性负荷和电力电子设备接入的趋势，配电网面临复杂程度高、易叠加的电压质量扰动，及其导致的谐波、电压偏差、三相不平衡、电压暂降等电能质量问题。配电变压器作为直接影响用户的最后关键节点[34]，若不能及时抑制扰动扩散，将折损设备自身的寿命，恶化配电网电能质量并影响电力系统的安全可靠供电[35]。因此，研究配电变压器在配电网中保障优质供电的角色与作用具有重要意义。
实现无功功率在配电网中的控制与转移以及谐波治理，是配电变压器保障优质供电的基本需求。与此同时，电力用户对于配电变压器的无功补偿及滤波功能的要求也逐渐提高。配电网常见补偿、滤波方式及特性[36-42]见附表1。
静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）在动态无功补偿、改善负荷与公共电网连接点处电能质量方面具有一定优势[43]。随着功率器件开关频率与电流水平的提高，应用于低压配电网及用户侧配电网的STATCOM（D-STATCOM）技术迅速发展，学者们对集成STATCOM的配电变压器展开了大量研究。文献[36, 44]提出一种将STATCOM与配电变压器融合的新型配电变压器一体化静止无功补偿技术，结合跨端口瞬时无功功率检测技术，将STATCOM从变压器高压绕组抽头处接入，实现对配电变压器自身及负荷无功消耗的动态精确补偿，丰富了对补偿单元接入电压的灵活选择，其集成结构也降低了补偿装置的体积和成本。在此基础上，文献[45]针对D-STATCOM结构提出三电平变环宽滞环电流控制方法及含LCL滤波器的STATCOM改进控制方法，降低滤波电路的设计难度，提高STATCOM的无功补偿能力。
与此同时，治理配电变压器所供非线性负荷注入的谐波也是保障优质供电的重要一环。目前，针对配电变压器集成滤波的思路主要有接线方案改进[46-49]及集成一体化[50-51]装置。
集成无功补偿或滤波的配电变压器在一定程度上可提高配电变压器对一次电流、功率因数、二次电压等的可控性，且在提高用户供电质量的同时减少对电网的谐波、无功污染。然而，作为无源配电设备，此类变压器缺乏应对主动配电网短时高峰负荷需求、消纳分布式新能源等问题的灵活性。
电力电子技术的发展及其对于配电设备动态补偿能力的提升促使“混合式配电变压器（Hybrid Distribution Transformer, HDT）”概念[52-54]逐渐进入学术视野。HDT以工频变压器为主体，集成电能补偿类电力电子装置及旁路开关。HDT最早由ABB公司提出[55]，相较于静止无功补偿器（Static Var Compensator, SVC）、OLTC等传统调压设备，HDT集成了传统工频配电变压器与电力电子设备的优势，既完善了变压器的电能质量治理功能，又节省了补偿设备的投入[56-57]。
HDT典型拓扑结构如附图3a所示。其中，T1为主变压器；W1为主变压器接入交流配电网高压侧绕组；W2为主变压器低压交流侧接入负载的绕组；W3为主变压器控制绕组，接入电力电子变换器以完成电能质量控制。西安交通大学团队研究的HDT拓扑（如附图3b所示）在此基础上增加一个隔离变压器[58]，以更好地适配三相应用场合，减少用于负载电压补偿的电力电子变换器，简化控制。其中T2为隔离变压器，隔离变压器一次绕组W4与W1串联后接入交流配电网高压侧，电力电子变换器输出端口分别接入隔离变压器阀侧绕组W5与主变压器控制绕组W3。
不同的变流器结构及其与变压器的连接方式决定了HDT不同的电能质量提升功能。根据变流器与变压器结合方式可将HDT拓扑分为原边、副边、原副边[59]，其中副边HDT应用最为广泛。另有学者将其进一步细分为直接耦合、磁耦合与串联、并联、串并联[60-62]。并联型HDT可完成电压转换、对输入侧电网的功率因数校正、无功补偿及滤波；串联型HDT侧重输出侧电网的电压调节，控制负载电压相位、幅值及频率稳定；串并联型HDT由于存在背靠背变换器型换流器，具有前两者的功能，实现对电能质量的综合治理。
HDT的工频绕组可为并网装置提供双向电能支撑及隔离，完成大部分功率传输；极小一部分功率通过电力电子变换器进行调节变换，对电网电流及负载电压进行实时控制[8]。其主控制器可实现电压补偿、电流补偿、潮流控制、故障保护等。HDT被誉为新型电力系统中的新“能量路由器”[63]，其综合电能质量治理示意图如图2所示。
图2 HDT综合电能质量治理示意图
Fig.2 Comprehensive power quality management diagram of HDT
尽管现阶段HDT通过接口换流器的不同控制策略可实现电压、电流补偿与功率的主动控制，然而未来智能配电网中电力扰动的复杂程度与故障深度提升，对配电网稳态和暂态过程的分析提出了更高的要求。HDT在以上场景中，尚未有足够能力缓解配电网的故障自愈压力，抵御深度故障带来的影响。
同时，在拓扑方面，有学者认为配置在低压侧的变换器单元限制了HDT控制功能的充分发挥[63]，未来研究需专注于设计能应用于实际场景、具有较少开关器件和无源的三相HDT拓扑。另外，在HDT运作原理解析和控制系统设计方面，目前缺乏精确简明的动态模型，大部分关于HDT工作原理的分析还停留在定性说明阶段，对控制和保护策略的研究较少，并且主要集中在连续域[64]。此外，变压器与变换器一体化设计尚存在补偿功率低、散热效果及故障保护能力差等问题[65]。
当前，变换功率比例大的远期配电网场景正寻求更灵活可控、可连接多种电压等级及分布式新能源的智能配电变压器。因此，拥有交直流多端口特性的电力电子变压器（Power Electronic Transformer, PET）被广泛研究[10]。PET是一种基于磁耦合的高频电能、电力电子变换技术，集电压等级变换、频率变化、电气隔离、动态无功补偿、谐波治理、电力设备间信息交互等功能于一身的智能变压器[11, 66]。
早期PET设计以减小变压器体积和质量，应用于电气化铁路为主[67-71]。在能量传递等效的工况下，提高变压器内部线圈的利用率以减少使用线圈的数量。而今PET研究集中于改进拓扑、保障优质供电，以完成作为交直流连接端口的使命。其主要应用在分布式新能源接入电网、能源互联网等场景中[72-76]。
对PET拓扑的研究是保障多级电能变换过程中优质供电的基础[53]。图3为两种基础的PET结构，其余PET拓扑均由基础结构衍生而来。图3a由输入AC-AC变换器、高频变压器、输出AC-AC变换器构成，是典型的早期不具备直流端口的PET拓扑。虽然功率器件少、建造成本低，但拓展困难、功能单一，谐波治理能力、大功率场合适应性差。以图3a为基础，Buck-Boost式、基于电流源型变流器的三级式[77-79]等拓扑被提出，然而前者缺乏谐波治理功能，后者需依赖额外的保护装置。
图3 PET拓扑结构
Fig.3 Topology of PET
图3b由整流器、隔离DC-DC、逆变器构成，因同时连接中压交流、中压直流、低压交流和低压直流四组母线而被称为多端口PET[80]。多端口PET各端口功率等级、电压等级和功能需求不同，由多个功率模块串并联组合而成，因而演变出串型、星型、混合型等多种定制拓扑。多端口PET可实现各端口功率/电压灵活调控与端口间能量互联互济，更适应现代交直流混合配电系统、直流电源或负荷的接入需求[80]。
常见的PET拓扑有级联H桥（Cascaded H-Bridge, CHB）结构[81-83]、模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）结构[9, 84-85]、中点钳位式（Neutral-Point-Clamped, NPC）结构[86-90]及基于公共直流母线的多端口PET。未来PET拓扑将向定制化、多重化发展，更有利于实现配电网功率的优化配置，但同时也面临着更严峻的耐压、成本等问题。
与HDT的部分功率变换、工频隔离不同，PET采用全功率变换、高频隔离。相较于PET，HDT的结构更简单、可靠性更高、在变换功率比例较低的配电网中整体效率较高。然而随着分布式新能源接入比例的日渐提升，未来智能配电网可运行在孤岛模式，即负荷完全由分布式电源供电，此时PET的控制、运行效率、经济性都将超越HDT[8]。
此外，储能单元和PET的结合弥补了PET应对电压跌落、深度电压中断方面的劣势[91-97]。现阶段接入PET的储能类型以超级电容储能单元[92-93]、小容量储能单元[94-96]、混合储能系统[97]为主。三者特性及一般接入PET方式见附表2；现有研究中，四种常见储能单元接入PET的拓扑如附图4所示。
综上所述，PET可改善系统动态补偿响应速度，灵活调节电压、电流，提高系统暂态稳定性；直流环节设计对分布式电源并网友好，减小了无功损耗。然而，在未来季节性高峰负荷越加严重、存量配电变压器在高温等极端天气下过载能力下降的场景中，配电变压器的增容需求增大。PET虽可与储能单元协调运行，满足短时增容需求，提供短时、小范围的容量与功率支撑，但二者协调控制策略复杂且趋于定制化，需为储能单元额外配置通信通道、控制保护装置，不适于大规模使用。
前述配电变压器分别以适应多元负荷、保障优质供电为发展目标各自进行技术革新，从而在应对传统配电网负荷峰谷差大、安全稳定供电等需求工况下应用良好。然而随着分布式电源、多元负荷和储能的广泛应用，大量用户侧主体兼具发电和用电双重属性，未来智能配电网对分布式新能源消纳、功率双向调节的需求日益增长。为了满足上述需求，提出将作为“输变电核心”的配电变压器与储能系统（Energy Storage System, ESS）进行融合的新概念——将存量配电变压器升级为有源元件。这种升级使得未来配电变压器能够更加灵活地适应多元负荷，并摆脱对传统电能输送和消耗形式的限制，是配电变压器向网络化、系统化延伸的必然结果。
配电变压器与储能系统的融合将运用ESS的诸多功能，如拓展配电网的功率分配[98-100]、实现紧急支撑[101-102]、平滑新能源出力[103-105]等。目前学者已对二者融合后的定制式拓扑[106]、功率解耦[95]、电能质量调节[107]、协调控制策略[97,108]等进行了探索。因自身高度可控性、多端口结构及ESS集成能力，PET、HDT与ESS的融合被广泛研究。然而，目前研究主要集中在变流器层面，较少涉及系统层面[109]。此外，现有研究多将配电变压器与储能视作独立个体设备分别并网，从电力系统视角研究其耦合影响与互联控制，其中包括ESS接入变压器后的容量优化方法、接入ESS的变压器电压协调控制策略等。然而，缺乏关于如何在信息物理层面深度融合这两者，实现一体化设计和控制的研究。特别是在面向多元负荷接入、优质供电需求以及信息物理深度融合的智能配电网中，现有研究仍存在一定缺口。因此，本节在文献[21]基础上，深入讨论虚拟增容配电变压器的概念、拓扑及功能架构。
虚拟增容配电变压器是在配电变压器高/低压侧安装分布式储能，将二者通过电力电子变换器进行深度融合的新型配电变压器；通过构建“虚拟”电能配送节点，实现就地灵活协同调配资源，柔性、灵活调控多元负荷，保障优质供电和设备增容等功能。
在保持变压器各绕组通流能力固定的前提下，虚拟增容配电变压器通过“功能虚拟化”思想，充分利用配电网侧终端用户在储能使用需求中的时间互补性，调节配电变压器的容量，实现对短时高峰负荷功率/电量的额外供给。其特色在于“一体化”设计、规划、运行，充分利用存量配电变压器分布广、控制保护成熟、通信通道完备的特点，不仅提高了设备投资经济性，还增强了配电网的运行灵活性，促进了储能规模化应用及提升了设备利用率。值得一提的是，前文所述的HDT、PET及集成无功补偿/滤波的配电变压器配合储能之后均可作为虚拟增容配电变压器的硬件基础。
虚拟增容配电变压器拓扑结构如图4所示，图4a为储能并联型虚拟增容配电变压器，图4b为储能串联型虚拟增容配电变压器。
图4 虚拟增容配电变压器拓扑结构
Fig.4 Topology of virtual capacity-enhanced distribution transformer
虚拟增容配电变压器功能架构如图5所示。功能架构由资源总结、技术探索、功能实现、目标完成与拓展组成。资源层包含分布式储能、电动汽车等柔性负荷，分布式新能源以及配电变压器等存量配电设备。技术层包含多时间尺度模型的搭建（如配电变压器与储能寿命均衡的长时间尺度模型，与紧急过载时虚拟增容配电变压器动态响应的短时间尺度模型），集成新能源出力平滑、配电变压器短时虚拟增容、故障缓冲、紧急功率支撑等功能的多功能分时复用，以及存量配电设备和接入储能设备的寿命均衡优化技术。功能层由旨在提升配电网韧性和延缓设备增容改造的低频应用场景（变压器虚拟增容、紧急功率支撑、故障缓冲等）以及旨在提高资源利用率和系统灵活性的高频应用场景（平滑新能源出力、负荷侧需求响应、峰谷电价盈利等）组成。最终，完成延缓设备升级、提升系统新能源消纳能力等既有目标，拓展完成提升储能利用率、投资回报率，实现多样化辅助服务等新目标。
图5 虚拟增容配电变压器功能架构
Fig.5 Functional architecture of virtual capacity-enhanced distribution transformer
本节结合虚拟增容配电变压器拓扑、特色及功能架构，从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四方面对其在配电网中的应用场景展开探讨，同时简要评估各应用场景的经济效益。此外，从建模分析、控制策略、协同规划三个方面出发阐述实现虚拟增容配电变压器的关键技术。
4.1.1 延缓传统设备增容升级
除负荷增长外，传统配电变压器通常仅有较短时间比例超负荷运行（如年中夏季高峰、日中晚间高峰），若仅因短时负荷高峰更换成大容量配电变压器，在中长期低负荷水平工况下，配电变压器容载比长期偏高，损耗大且利用率低。相较而言，虚拟增容配电变压器在保持配电变压器传输功率不变的前提下，通过储能灵活电源的特性支撑短时负荷高峰，延缓大规模配电设备升级，节省配电变压器扩容带来的固定资产投资（如附图5所示）。
与此同时，新能源发电的随机性可能导致大量电能在特定时段（与需求无关）涌入配电网，引发反向潮流，作为配电网核心设备的配电变压器运行和老化将受此影响。虚拟增容配电变压器的引入提供了一种解决方案——储能单元可凭借自身能量灵活性和限电机制，降低电网潮流耦合度，延缓变压器老化以提高其寿命，减少设备折旧及运维投资。目前已有学者研究利用电池储能系统的能量灵活性，配合日前调度策略限制变压器的老化[110]。
4.1.2 一体化调控
相比于HDT、PET等配电变压器与电能质量提升设备配合运行带来的控制策略繁琐、多样问题，虚拟增容配电变压器在运行的存量配电变压器上进行改造，实现“一体化”设计、规划、运行，充分利用存量配电变压器分布广、控制保护成熟、通信通道完备的特点，通过控制器集成变压器挡位调节、充放电控制、电压控制、电容器投退等功能。面向多元负荷的在线反馈与实时控制更为及时，可实现短时间尺度内调控的精细化、智能化，如图6所示。
图6 虚拟增容配电变压器集成一体化调控
Fig.6 Integrated control system of virtual capacity-enhanced distribution transformer
虚拟增容配电变压器一体化调控系统由虚拟配电变压器（配电变压器与储能设备）、数据采集终端、集成控制系统与自有云平台四个单元组成，各单元间实现信息、能量交互及反馈：虚拟增容配电变压器通过功率变换器件并网，数据采集终端收集来自调压开关的变压器挡位信息、变压器输出侧电压信息、储能系统荷电状态、配电变压器与储能系统的寿命均衡、工作损耗等信息，并将之反馈至自有云平台与集成控制系统中进行调控策略分析计算，集成控制系统执行策略。如此，可实现对虚拟配电变压器输出侧电压的调控，同时管理储能系统的充放电状态，使二者进行协同调控。
此外，数据采集终端测量监测点电能质量数据（如电压、谐波电流等）并上传至自有云平台。自有云平台数据库对该数据进行分析学习，研究虚拟增容配电变压器的自主临界和系统稳定边界特性；同时采用智能协调优化、保护装置和智能开关的拓扑动态调整等自重构手段应对故障工况，使虚拟增容配电变压器具备故障快速响应能力。
4.1.3 提升新能源消纳及削峰填谷能力
提升新能源消纳水平，解决由于新能源发电随机性、波动性、季节不均衡性带来的系统平衡问题，是未来配电变压器发展的目标之一。然而，现阶段常用的有载调容/调压配电变压器由于使用传统的电压调节、容量切换装置，其运行状态受调压开关切换次数、设备寿命等限制[111-114]；且设备的大小切换容量离散而确定，难以实时跟踪因风电、光伏等分布式新能源和电动汽车接入比例增加而引起的电网电压快速、连续波动。
相对地，虚拟增容配电变压器提升新能源消纳能力的主要手段包括通过增加常规发电系统静态出力的灵活性，解决新能源出力波动性和不确定性引起的系统供电充裕性不足的问题；改善新能源对电网扰动的动态响应，解决由于新能源的弱致稳性和弱抗扰性引起的系统运行稳定性问题。
值得一提的是，不同类型的储能将发挥不同的新能源消纳作用。储能单元基于材料本体的能量密度与功率密度可分为能量型储能单元与功率型储能单元[115]：以分布式液流电池、锂离子电池、储冷储热技术为代表的能量型储能能量密度大，功率密度小，多用于长时间充放电，以实现削峰填谷、缓解充电桩充电功率冲击等[110]；以超级电容、超导磁储能为代表的功率型储能具有快速响应能力，在平滑新能源发电、优化供电质量、改善配电网动态稳定性方面可发挥重要作用[116]。
在经济效益层面，虚拟增容配电变压器能够提升售购电效益。通过“功能虚拟化”，充分利用配电网侧终端用户在储能使用需求的时间互补性，分时复用以进一步降低储能的运行成本。同时，降低用户侧配置储能数量，减少用户申请用电的基本电费，提升容量电费效益[117]。
以传统分布式储能为例，采用峰谷套利时，其在电价便宜的时段充电，在电价高昂的时段放电。但当负荷波动性较强，出现尖峰电价与低负荷时间匹配、低谷电价与高负荷时间匹配的情况，将导致储能容量闲置。分布式单功能、单储能的配置与运营模式导致闲置的容量难以被充分利用。此外，作为一次性投资，终端用户难以买到与其负荷曲线相匹配的储能容量模块。本文所提出的虚拟配电变压器通过“虚拟增容”，可实现紧急功率支撑、故障缓冲等低频场景，以及平滑新能源出力、负荷侧需求响应、峰谷电价盈利等旨在提高资源利用率和系统灵活性的高频应用场景（如图7所示）；通过对储能单元的分时复用及降低用户侧的储能规模提高储能利用率和投资回报率。
图7 虚拟增容配电变压器对峰谷电价的挖掘
Fig.7 Virtual capacity-enhanced distribution transformer taps peak-valley electricity price
4.1.4 提供多样化辅助服务
虚拟增容配电变压器利用储能的“低储高发”特性及快速响应能力，可实现源侧调频调峰，网侧优化潮流、故障缓冲，荷侧保底供电等多样化辅助服务，实现对供给侧和需求侧的资源综合规划，支撑需求侧响应升级。依据虚拟增容配电变压器特性，总结其在配电网中应用的支撑技术及对应辅助服务，如图8所示。
图8 虚拟增容配电变压器提供多样化辅助服务
Fig.8 Virtual capacity-enhanced distribution transformer provides diversified auxiliary services
1）辅助调频调峰
虚拟增容配电变压器可运用储能单元与电力电子设备灵活性，平衡分布式新能源出力的随机性、调峰资源的容量与功率限制、负荷曲线的非线性变化三者之间的矛盾[118-119]，解决高比例新能源电力系统电量在时空上的不平衡问题，保障系统电力供需动态平衡。同时，还能降低对负荷侧需求响应资源和额外储能设备等昂贵辅助资源的需求。
储能快速充放电的动态响应性能以及电源/负荷双重身份的特点，使其具有两倍于自身容量的调节能力，在调频和调峰等需求实时响应的场景中表现出色：通过替代传统机组调频、减少传统机组调频损耗助力新型电力系统调频；通过缩小负荷峰谷差、调节发电时序助力新型电力系统调峰；还可作为备用容量应对新能源出力波动，减少新能源所需备用。与传统燃煤机组相比，储能系统的响应更加迅速准确，能够在保持发电输出功率的同时，具备更大的上下功率调节余量。这不仅满足了负荷变化的需求，还可改善电网对分布式新能源的吸纳能力，提高传统发电机组的运行效率。
2）优化潮流分布
虚拟增容配电变压器作为一个功能强大、响应实时的“灵活虚拟”电能配送节点，可增加电网的柔性（典型工程实例为江苏镇江于2018年7月投运的国内最大的电网侧储能电站群[120]），抑制分布式新能源接入时的配电网电压波动[121-122]，虚拟扩增存量配电变压器容量并配合以负荷转供等手段均衡配电网负载，提高配电变压器负荷调节能力，减少变压器过载[123]。
在管理层面，虚拟增容配电变压器集成智能调控、自有云平台的信息采集、边缘处理控制、储能融合等特性和功能。这些特性和功能共同实现对配电变压器状态的全面、及时、精准感知与交互，同时也支持自适应调整，为优化电网潮流在设备层面的分布夯实基础。此外，虚拟增容配电变压器还能够提升实时负载率检测和计算能力，以及可转移负荷的计算精度，这为增强配电网实时负荷调节能力、优化在线负荷转移策略奠定了基础。
3）紧急故障缓冲
虚拟增容配电变压器倚仗自身拓扑结构以及电力电子设备决定的功率调节和故障隔离能力，结合储能系统的四象限功率快速调节能力[124]，致力于为紧急故障/扰动工况下的电网提供双向功率支撑，满足高比例分布式新能源电力系统的故障穿越能力等低频应用场景的韧性提升需求。
着眼于虚拟增容配电变压器中配电变压器与储能的电气耦合特性，可在策略层面实现扰动/故障前的主动预防和扰动/故障后的紧急控制，从而提高设备故障处理的灵活性和电网的稳定性。此外，储能的投入还能增强系统在扰动作用下的动态性能，并提高其应对动态冲击的能力[125-126]；在故障发生以致短时负荷严重不平衡，或是大范围巨额潮流转移过程中出现局部电网有功/无功缺口和低电压问题时（尤其是直流受端电网双极闭锁等极端情况），虚拟增容配电变压器预计能在百毫秒级提供紧急功率支撑，实现瞬时能量平衡，提高电网稳定性。
4）备用应急电源
虚拟增容配电变压器可作为应急电源，保证电网严重故障时为用户持续可靠供电，支持电网黑启动。
关于储能作为电力系统备用应急电源的研究，文献[127]研制了一种基于电化学储能的配电变压器动态增容装置，该装置在离网工作模式下等效于电压源，负荷接入其电力电子功率变换单元的交流侧，用于临时供电、应急保电、不停电作业等，提升供电稳定性、连续性。
4.2.1 多时间尺度状态空间模型构建
在建模分析方面，亟须获取配电网中虚拟增容配电变压器在不同时间尺度下的运行特性，构建虚拟增容配电变压器多时间尺度状态空间模型。
虚拟增容配电变压器中并网换流器等设备具有机电暂态特性[128]，储能荷电状态等具有中长期特性[129]，因此，虚拟增容配电变压器具备多时间尺度特性。虚拟增容配电变压器中的变压器、串并联换流器以及基于下垂控制的有功控制策略会对一次调频、秒级风电波动平抑等造成影响[130]；电池储能会对二次调频、分钟或小时级风电波动平抑、有功调度等造成影响[131]。
研究虚拟增容配电变压器扰动前后的动态特性及其在近区故障缓冲和短时紧急过载时的暂态响应特性，结合变压器与储能循环寿命及温升等长时间尺度过程，建立能够精确反映虚拟增容配电变压器多时间尺度运行特性的模型，是开展虚拟增容配电变压器系统研究的基础。
4.2.2 针对韧性提升的主动预防及故障后紧急控制策略
在控制策略方面，亟须揭示扰动/故障后含虚拟增容配电变压器配电网的动态响应演化过程，研究虚拟增容配电变压器故障前主动预防及故障后紧急控制策略，及其对配电网韧性提升的效果及适应性。
在主动预防阶段，结合虚拟增容配电变压器多时间尺度状态空间模型及一体化调控系统，建立监控预警系统[132]，全面感知设备状态以实现故障/扰动前预防。
在故障后响应及紧急控制阶段，根据含虚拟增容配电变压器的高比例新能源配电网在遭受扰动后的电压、频率动态演化特性，结合虚拟增容配电变压器内部各元件的电热应力耐受安全边界，充分利用其对近区故障缓冲和短时紧急过载的极限能力，配合以黑启动[133]、网络重构[134]等手段，构建故障后紧急控制策略，提升配电网长短期韧性。
4.2.3 基于设备全寿命周期模型的内部元件之间的寿命均衡
在协同规划方面，亟须协同优化高、低频场景并存下基于全寿命周期模型的储能和配电变压器之间的寿命均衡。
虚拟增容配电变压器中储能元件与常规配电变压器设计寿命差异大，其优化配置既要考虑各元件设计寿命不匹配带来的退役时间不一致，也要协调传统配电变压器升级改造成虚拟增容配电变压器的时序。
因此，亟须推导综合循环寿命、温升限制以及高、低频场景应用响应频次的虚拟增容配电变压器内部储能与传统配电变压器的工作寿命损耗估算模型；综合考虑长周期经济运行和短时紧急响应，提出计及内部元件寿命均衡的虚拟增容配电变压器的增量成本效益量化模型。
在大力发展智能配电网的新形势下，配电变压器的发展正面临与多极负荷增长不匹配、与高比例新能源并网发展不平衡的问题，呈现设备利用率低、投资成本高、经济性较差等现象。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。
附 录
附图1 调容原理
App.Fig.1 Principle of capacity adjustment
附图2 调压原理及等效电路
App.Fig.2 Principle of voltage regulation and the equivalent circuit
附图3 HDT拓扑结构
App.Fig.3 Topology of HDT
附表1 配电网常见补偿方式及其特性
App.Tab.1 Common compensation methods and characteristics of distribution network
补偿设备优势缺陷 静电电容器改善线路参数、减少线路感性无功功率、维护便捷、装设容量弹性大、集中/分散装设均宜调节不连续、响应速度慢、无法实时跟踪变压器/负荷无功变化、放大谐波 同步调相机（Synchronous Condenser, SC）固定/动态补偿无功功率响应速度慢、投资大、运维复杂、损耗大 静止无功补偿器（SVC）控制简单、价格低响应速度慢、电压低时补偿量较小，补偿后仍有大量无功在配电变压器中流动；因连接电压与补偿容量较高而造价过高；需与无源滤波器配合、占地面积大、响应速度慢（2～3个周期）、对快速的冲击负荷补偿效果较差 静止同步补偿器（STATCOM）体积小、容量大、调节连续、响应速度快、经济性能好基于可控器件的VSC技术、无需无源滤波器、可提供双向无功、占地较小、响应速度快（20 ms以内）、对快速的冲击负荷补偿效果好 有源滤波器（Active Power Filter, APF）避免谐振、自适应补偿谐波/无功、抑制闪变容量小、损耗大、与其余并联补偿器联合使用时易使系统不稳定 动态电压恢复器（Dynamic Voltage Regulator, DVR）最经济、有效的解决电压暂降问题的用户电力装置补偿策略不能兼顾幅值和相位的补偿、补偿时间不充分
附表2 接入PET的储能类型及其特性
App.Tab.2 The types and characteristics of energy storage connected to PET
接入PET的储能类型特性一般选择接入PET方式接入方式特性 小容量储能（如蓄电池）①能量密度高；②循环使用寿命短；③维护成本高；④放电能力有限；⑤应用规模小分散接入：①Buck-Boost双向变换器接入输入级、隔离级之间；②分别接入输入级、输出级直流端口①保证PET各级直流电容电压的电压稳定、平衡和功率均分；②（输入级输出级分别接入）可实现功率双向流动和解耦，适用于交直流混联、分布式电源接入场景；③电力电子器件过多，成本高、体积大，受耐压等级约束 超级电容储能①功率密度高；②循环使用寿命长；③工作温度范围宽；④环境友好；⑤免维护，可靠性高；⑥电池使用易冗余，电池管理模块与成本大集中接入：通过双向DC-DC变换器接入PET低压直流侧端口①在负荷波动、电压暂降等工况下对交直流负荷的平稳可靠供电；②仅关注PET低压直流电压稳定，高压侧直流电容电压没有稳定；③整流级各级联模块输出功率难以平衡 混合储能①系统功率波动适应性好；②控制策略复杂
附图4 储能单元接入PET的四种常见拓扑
App.Fig.4 Four common topologies for connecting energy storage units to PET
附图5 虚拟增容配电变压器延缓配电设施升级
App.Fig.5 Virtual capacity-enhanced distribution transformer delays the upgrading of distribution facilities
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Abstract Incorporating distributed renewable energy sources, flexible nonlinear loads, and power electronic devices into distribution networks has led to an increasingly complex grid structure, accompanied by a multi-tiered growth trend in electricity demand levels. Traditional distribution grids face challenges such as transformer capacity-load ratio imbalance, declining power quality, and insufficient transmission capacity. As the "heart" of the distribution grid, distribution transformers face increasingly formidable challenges in enhancing the adaptability to diverse loads and ensuring power quality. Simultaneously, the scalable application of energy storage technology and the trend toward intelligent grids provided opportunities for upgrading distribution transformers. Therefore, the paper proposed a new concept: the "virtual capacity-enhanced distribution transformer". This concept involves merging energy storage and distribution transformers to enhance the reliability and controllability of distribution grids.
Firstly, for a systematically review of the advantages and disadvantages, similarities and differences of existing distribution transformers in terms of technology and economy, this paper extensively examined distribution transformers targeting diverse loads and ensuring high-quality power supply. The former includes loaded-capacity/voltage control distribution transformers and the self-adaptive distribution transformer. The latter encompasses distribution transformers integrated with reactive power compensation (filtering), hybrid distribution transformers, and power electronic distribution transformers. Each of the mentioned distribution transformers has its own suitable scenarios, advantages, and disadvantages, yet all of them are passive devices, unable to meet the demands of distributed renewable energy integration and bidirectional power regulation within distribution networks.
Therefore, the paper proposed using existing distribution transformers as a hardware foundation, upgrading them into active components by integrating them with energy storage systems (ESS). It is worth noting that this is a non-exclusive exploratory attempt. This fusion empowers distribution transformers to expand power distribution capabilities through energy storage, facilitating emergency support and smoothing new energy output. The paper delved into the topology, functional architecture, application scenarios, and key implementation technologies of this integration.
Compared to traditional distribution transformers, the proposed virtual capacity-enhanced distribution transformers have practical significance in scenarios such as delaying traditional equipment upgrades, integrated control, enhancing renewable energy integration, and providing diverse auxiliary services. Among them, diversified auxiliary services include the following four types: assisting the main grid in frequency and peak regulation, balancing loads to optimize the distribution of tidal flows, buffering emergency faults, and serving as backup emergency power sources. To facilitate a systematic technical study at the system level, this paper also summarized three key implementation technologies in terms of model construction, control strategies, and collaborative planning. These include building a multi-time scale state-space model, implementing proactive prevention and emergency control strategies for enhanced resilience, and employing life balance technology based on the full lifecycle model of internal components.
In conclusion, virtual capacity-enhanced distribution transformers aim to achieve deep integration and collaborative optimization of energy storage technology and distribution transformers. They align with the evolving outlook of future intelligent grids, tapping into the potential of existing distribution transformers in reliable power supply, security assurance, regional interconnection, load regulation, power source control, dynamic capacity expansion, and efficient utilization of aging equipment. Research on the planning, operation, and control of virtual capacity-enhanced distribution transformers is of guiding significance. It can accelerate the construction of flexible distribution grids adaptable to rapid renewable energy development, promote energy storage deployment and demand response, foster digital transformation and intelligent control, and facilitate dynamic capacity expansion and efficient utilization of existing equipment.
keywords：Virtual capacity-enhancement, distribution transformers, energy storage, smart distribution network
中图分类号：TM421
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231498
国家自然科学基金面上项目资助（52077017）。
收稿日期 2023-09-11
改稿日期 2023-11-29
郭莹霏 女，1999年生，硕士研究生，研究方向为电力系统优化运行和电能质量。E-mail：guoyingfei@cqu.edu.cn
王强钢 男，1987年生，博士，副教授，研究方向为电力系统自动化和电能质量。E-mail：qianggang1987@cqu.edu.cn（通信作者）
（编辑 李 冰）