柔性直流配電網(wǎng)運(yùn)行方式劃分探討

李國(guó)香

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)裝備工業(yè)有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

近幾年我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，對(duì)能源尤其是電力的需求快速增長(zhǎng)。然而，由于選址、征地、建設(shè)成本較高，輸電線路增加或改造難度較大。在用電量大的城市，電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃相對(duì)落后于城市的發(fā)展規(guī)劃，導(dǎo)致已有交流配電網(wǎng)絡(luò)難以滿足負(fù)荷發(fā)展的要求。新的供電要求逐漸嚴(yán)格，現(xiàn)有的交流配電網(wǎng)正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。直流配電網(wǎng)以其單位走廊的供電能力高、對(duì)電能的良好控制能力、對(duì)分布式可再生能源的友好接納能力越來越受到關(guān)注[1]。

1 直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)及不足

1.1 優(yōu)勢(shì)

柔性直流配電網(wǎng)具有更好的并網(wǎng)能力，對(duì)于當(dāng)前大力推進(jìn)的分布式電源建設(shè)意義重大，有利于分布式可再生能源的接入，解決了一直困擾新能源企業(yè)棄風(fēng)、棄水、棄光等問題，其具體優(yōu)勢(shì)主要有以下幾方面[2-4]。

a） 直流輸電技術(shù)能夠提高單位走廊的配電網(wǎng)供電能力。相關(guān)測(cè)算表明，相同條件下直流輸電容量是交流輸電容量的1.5 倍。

b） 直流輸電配電網(wǎng)的供電可靠性要比交流網(wǎng)更高。由于直流輸電技術(shù)對(duì)于電能具有更好的控制能力（主要包括電壓、有功、無功等），避免了輸配網(wǎng)變換過程中廣泛存在的高低壓電磁環(huán)網(wǎng)問題，使配電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多電源供電，提高了電力系統(tǒng)供電的可靠性。

c） 基于直流輸電技術(shù)對(duì)于電能的良好控制能力，加上柔性直流技術(shù)的配電網(wǎng)絡(luò)僅需要控制直流母線的線路電壓，不需要考慮其他參數(shù)變化，避免了諧波等問題的產(chǎn)生，并且響應(yīng)迅速，大大提高了供電質(zhì)量，這對(duì)于電能質(zhì)量要求較高的電力用戶非常關(guān)鍵。

d） 直流配電網(wǎng)具有多電源供電優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)多種受環(huán)境影響發(fā)電能力波動(dòng)較大的分布式能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能等） 的資源互補(bǔ)，尤其是結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)，能夠大幅提高分布式可再生能源的接納能力。在直流配電網(wǎng)接入分布式能源過程中，為更加充分發(fā)揮分布式電源的作用，其主要通過直流微電網(wǎng)形式并入電網(wǎng)主網(wǎng)。

1.2 不足

a） 直流配電網(wǎng)電壓等級(jí)尚未確定，其選擇不僅需要考慮網(wǎng)絡(luò)的供電半徑，還要兼顧各類直流設(shè)備在該電壓下的電氣保護(hù)以及直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度等。

b） 滿足直流配電網(wǎng)電壓、電流與交流大電網(wǎng)電壓、電流以及潮流方程等約束條件下的混合調(diào)度有待進(jìn)一步分析探索。

c） 直流配電網(wǎng)的故障定位方法以及不同結(jié)構(gòu)、不同運(yùn)行方式下的故障診斷與保護(hù)配合策略有待優(yōu)化。

2 直流配電網(wǎng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況

通過與交流配電網(wǎng)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)直流配電網(wǎng)在電力輸配過程以及分布式可再生能源的消納過程中具有很大的優(yōu)勢(shì)。因此，近年來，直流配電網(wǎng)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的研究，諸多國(guó)家和地區(qū)都根據(jù)自身電力系統(tǒng)特點(diǎn)制定了其直流配電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃。

其中，以美國(guó)為首的西方國(guó)家針對(duì)直流配電網(wǎng)的研究最早，其基于龐大的科研系統(tǒng)，十幾年前便在幾個(gè)大學(xué)（弗吉尼亞理工大學(xué)、北卡羅來納州立大學(xué)等） 設(shè)立了關(guān)于直流配電網(wǎng)的研究機(jī)構(gòu)并取得了諸多的研究成果。2007 年弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子系統(tǒng)中心CPES（center for power electronics systems） 結(jié)合直流配電網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)分析了其在住宅和樓宇供電方面的應(yīng)用前景，并制定了SBI（sustainable building initiative） 發(fā)展計(jì)劃。3 年后，該研究中心將SBI 發(fā)展計(jì)劃進(jìn)行了擴(kuò)充，正式更名為SBN（sustainable building and na nogrids） 研究計(jì)劃。目前，CPES 已經(jīng)在SBN 研究計(jì)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)行了更加深入的研究，其融合了高壓直流輸電技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了混合配電系統(tǒng)架構(gòu)。此外，亞洲地區(qū)的日本、韓國(guó)等地的高校和科研院所也著手關(guān)于直流配電網(wǎng)的研究。

總體而言，對(duì)于直流配電技術(shù)，國(guó)外諸多國(guó)家均處于實(shí)驗(yàn)及理論研究階段，相關(guān)的大型工程實(shí)踐項(xiàng)目并沒有實(shí)際應(yīng)用，分析重點(diǎn)也主要放在以微網(wǎng)為研究對(duì)象的低壓配電網(wǎng)絡(luò)。

我國(guó)針對(duì)直流技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)絡(luò)的研究始于2009 年，電網(wǎng)系統(tǒng)科研人員借鑒國(guó)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)率先進(jìn)行了直流微網(wǎng)的研究。我國(guó)于2013 年便制定了中壓直流配電網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃，走在世界電力系統(tǒng)技術(shù)的前列。比較典型的為深圳電力公司負(fù)責(zé)的“基于柔性直流的智能配電關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”。此外，國(guó)家電網(wǎng)公司也規(guī)劃了多個(gè)柔性直流配電網(wǎng)科技項(xiàng)目，開展柔性直流配電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)研究。

3 兩端“手拉手”柔性直流配電運(yùn)行方式劃分

柔性直流配電網(wǎng)電路如圖1 所示，采用兩端“手拉手”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩端電壓源換流器VSC（voltage source converter） 各自連接一個(gè)獨(dú)立的交流電源。直流配電網(wǎng)設(shè)計(jì)為雙層母線結(jié)構(gòu)的四端網(wǎng)絡(luò)，以模擬不同電壓等級(jí)的直流配電系統(tǒng)。

圖1 柔性直流配電網(wǎng)RT-LAB 仿真模擬平臺(tái)拓?fù)?/p>

經(jīng)兩端VSC 換流站把380 V 的交流電轉(zhuǎn)換為760 V 的直流電，再用直流變壓器將760 V 降為380 V，以方便接入儲(chǔ)能裝置、直流負(fù)載及分布式能源。

為保證配電網(wǎng)的供電可靠性，系統(tǒng)應(yīng)能滿足在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)或運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，各可控端的控制方式能自動(dòng)平滑切換，滿足當(dāng)前系統(tǒng)工況。針對(duì)兩端“手拉手”的拓?fù)?，將各種可能出現(xiàn)的運(yùn)行工況進(jìn)行歸納，將運(yùn)行方式劃分為5 種日常運(yùn)行方式和3 種試驗(yàn)運(yùn)行方式（見表1）[5-6]。根據(jù)直流配網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式，換流站的控制模式可選擇定交流電壓控制模式（VF 模式）、定直流電壓控制模式（VdcQ 模式）、定有功功率控制模式和無功功率控制模式（PQ）。由于仿真平臺(tái)簡(jiǎn)單，涉及的設(shè)備及開關(guān)數(shù)量不多，故運(yùn)行方式的劃分原則主要為系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化引起的電力電子設(shè)備控制模式切換的情況。

表1 直流配電系統(tǒng)的運(yùn)行方式

3.1 日常運(yùn)行方式

3.1.1 雙端供電運(yùn)行方式

配網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，直流配電網(wǎng)經(jīng)兩端VSC 與交流系統(tǒng)連接。該方式下，一端VSC 控制直流電壓，另一端VSC 控制功率，從而維持直流系統(tǒng)的潮流平衡。雙端供電運(yùn)行方式見圖2。

3.1.2 單換流器運(yùn)行方式

當(dāng)兩端換流站有一端出現(xiàn)故障時(shí)，直流配電網(wǎng)經(jīng)一端VSC 與交流系統(tǒng)相連。該方式下，配電網(wǎng)直流電壓由無故障的VSC 來控制。單端供電運(yùn)行方式見圖3。

圖2 雙端供電運(yùn)行方式

圖3 單端供電運(yùn)行方式

3.1.3 雙端隔離運(yùn)行方式

當(dāng)配電網(wǎng)母線中的斷路器故障跳開后，直流配電網(wǎng)分為兩部分，兩部分各自經(jīng)VSC 與交流系統(tǒng)相連，各自控制直流電壓。雙端隔離運(yùn)行方式見圖4。

3.1.4 STATC0M 運(yùn)行方式

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在STATC0M 模式時(shí)，2 個(gè)VSC 均跟直流配電網(wǎng)斷開，各自跟交流系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償功能。STATC0M 運(yùn)行方式見圖5。

圖4 雙端隔離運(yùn)行方式

圖5 STATCOM 運(yùn)行方式

3.2 試驗(yàn)運(yùn)行方式

3.2.1 背靠背運(yùn)行方式

該方式下，直流網(wǎng)絡(luò)中的所有負(fù)荷及分布式電源全部退出運(yùn)行，2 個(gè)VSC 的直流側(cè)經(jīng)直流母線相連，完成功率傳遞。根據(jù)潮流方向，一端工作在定直流電壓模式，一端工作在定功率模式。背靠背運(yùn)行方式見圖6。

3.2.2 功率支援運(yùn)行方式

當(dāng)VSC 所連交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，直流配電網(wǎng)可根據(jù)情況進(jìn)行短時(shí)功率支持。只有一端發(fā)生故障時(shí)，故障端所連VSC 可工作在定交流電壓模式；兩端都發(fā)生故障時(shí)，兩端VSC 都工作在VF模式，直流電壓可由直流變壓器控制。功率支援運(yùn)行方式見圖7。

3.2.3 孤島運(yùn)行方式

兩端VSC 都發(fā)生故障時(shí)，直流配電網(wǎng)脫離交流系統(tǒng)形成孤島，獨(dú)立運(yùn)行。直流電壓可由直流變壓器控制。該模式下，如網(wǎng)內(nèi)容量不足以支撐所有負(fù)荷，可根據(jù)負(fù)荷重要級(jí)別，斷開一些不重要的負(fù)荷。孤島運(yùn)行方式見圖8。

3.3 運(yùn)行方式的切換原則

當(dāng)直流配電網(wǎng)的運(yùn)行工況改變時(shí)，如斷路器跳開、VSC 發(fā)生故障退出或交流側(cè)短路等，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)平滑切換至新的運(yùn)行方式以適應(yīng)新的工況，各運(yùn)行方式之間的切換關(guān)系及對(duì)應(yīng)的設(shè)備情況如圖9 所示。

根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，某些運(yùn)行方式相互間只存在單方向切換，在實(shí)際運(yùn)行中有很多不便?？刂葡到y(tǒng)則能根據(jù)線路實(shí)際工況快速切換運(yùn)行方式并轉(zhuǎn)換控制模式，保證柔性直流配電網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行。

圖6 背靠背運(yùn)行方式

圖7 功率支援運(yùn)行方式

圖8 孤島運(yùn)行方式

圖9 運(yùn)行方式切換原則

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在介紹直流配電網(wǎng)優(yōu)勢(shì)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以兩端“手拉手”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，以斷路器開閉引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化為依據(jù)來劃分運(yùn)行方式，將運(yùn)行方式劃分為5 種日常運(yùn)行方式和3 種試驗(yàn)運(yùn)行方式，并探討了運(yùn)行方式的切換原則。