交直流混合配電網(wǎng)控制保護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

王一，侯成，程旭，肖立軍，劉樹

(1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000)

相比交流配電系統(tǒng)，直流配電系統(tǒng)供電容量更大，供電半徑更長，運行效率更高，電能質(zhì)量問題不突出，不存在無功補償問題，可閉環(huán)運行，可節(jié)省走廊資源25%～30%[1-4]。隨著大型數(shù)據(jù)中心、電動汽車等多元化負(fù)荷的迅速增長，傳統(tǒng)的城市配電系統(tǒng)面臨供電容量不足、電能質(zhì)量難以保障、供電可靠性降低等問題，亟需進(jìn)行升級改造[5-6]?，F(xiàn)代城市配電網(wǎng)需要交流配電網(wǎng)合環(huán)運行，互為熱備用，以提高供電可靠性；需要多路交流配電網(wǎng)負(fù)載主動平衡，以提高系統(tǒng)設(shè)備利用率；需要對可再生新能源發(fā)電進(jìn)行直流匯集，減少損耗和發(fā)電成本；需要電動汽車、儲能高效接入，實現(xiàn)配電網(wǎng)的能量管理和峰谷互濟(jì)。在傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)中增加直流配電網(wǎng)所構(gòu)建的交直流混合配電系統(tǒng)是城市配電網(wǎng)的重要發(fā)展方向。

近年來，多個國家和地區(qū)均開展了直流配電系統(tǒng)的理論研究和工程示范[7-9]，包括日本大阪大學(xué)交直流配電網(wǎng)雙極系統(tǒng)、CPES SBI計劃、韓國明知大學(xué)智能配電網(wǎng)項目、羅馬尼亞布加勒斯特理工大學(xué)直流配電項目以及歐洲UNIFLEX項目等，主要在低壓直流配電系統(tǒng)進(jìn)行，系統(tǒng)拓?fù)漭^為簡單。在中壓直流配電系統(tǒng)的研究和示范建設(shè)方面，中國走在了世界的前列[10-13]，近5年來包括北京延慶、貴州大學(xué)、廣東珠海、江蘇蘇州以及廣東東莞等多個10 kV等級的多端直流配電示范工程相繼建成，電壓等級序列[14]、直流配電系統(tǒng)接線和接地方式[15]、直流配電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備[16-21]、直流配電系統(tǒng)控制保護(hù)等多項理論研究成果在示范工程中得到論證和發(fā)展。北京四方繼保自動化股份有限公司(以下簡稱“北京四方公司”)也深度參與其中[22-27]，本文介紹交直流混合配電系統(tǒng)的控制保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，從保護(hù)及暫態(tài)控制技術(shù)、系統(tǒng)控制技術(shù)以及在示范工程中的應(yīng)用3個方面進(jìn)行詳細(xì)闡述和總結(jié)。

1 保護(hù)與暫態(tài)控制

國家加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，高新技術(shù)、高附加值產(chǎn)業(yè)以及高精度制造企業(yè)等重要負(fù)荷比重增大，同時城市居民的生活品質(zhì)和電氣化程度越來越高，高可靠、高質(zhì)量供電是現(xiàn)代城市配電網(wǎng)的核心需求。交直流配電系統(tǒng)的核心設(shè)備包括中壓模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)、直流變壓器、多端口能量路由器、直流斷路器、低壓換流器等，是控制保護(hù)技術(shù)的實施主體。直流配電系統(tǒng)的故障特性包括：①大量電力電子設(shè)備接入提高了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，故障類型復(fù)雜多變，定位和檢測困難；②直流系統(tǒng)阻尼小，故障電流上升迅速且數(shù)值大，具有更強(qiáng)的破壞力；③電力電子設(shè)備與傳統(tǒng)電氣設(shè)備組合，需要協(xié)調(diào)微秒級、毫秒級、秒級保護(hù)，保護(hù)難度大。因此，需要結(jié)合保護(hù)、故障穿越以及諧振抑制3個方面實現(xiàn)交直流混合配電網(wǎng)高可靠、高質(zhì)量運行。

1.1 交直流混合配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)

1.1.1 保護(hù)分區(qū)

中壓直流配電系統(tǒng)的典型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)包括單端輻射狀結(jié)構(gòu)、雙端結(jié)構(gòu)、多端樹枝狀結(jié)構(gòu)、多端環(huán)狀結(jié)構(gòu)等。本文以典型的多端環(huán)網(wǎng)與放射網(wǎng)相結(jié)合的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為例，如圖1所示。該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可兼顧系統(tǒng)的可靠性以及保護(hù)配置的難易程度，是最常用的直流配電拓?fù)洹Ｖ绷髋潆娤到y(tǒng)保護(hù)分區(qū)依據(jù)被保護(hù)對象的功能、所處的電氣間隔進(jìn)行劃分，各保護(hù)分區(qū)之間要相互配合確保系統(tǒng)運行無死區(qū)，同時保護(hù)分區(qū)要具有可復(fù)制性，便于保護(hù)配置。保護(hù)分區(qū)可以劃分為AC/DC換流器保護(hù)區(qū)、DC/DC換流器保護(hù)區(qū)、直流母線保護(hù)區(qū)以及直流負(fù)載保護(hù)區(qū)等。

1.1.2 保護(hù)配置

直流配電網(wǎng)的保護(hù)配置目標(biāo)是防止直流系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備損壞，在保護(hù)層次上采用單元級保護(hù)技術(shù)、微網(wǎng)級保護(hù)技術(shù)以及配電網(wǎng)級保護(hù)技術(shù)，分別對設(shè)備本體、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)以及交直流系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，相應(yīng)的保護(hù)配置如下：

a)對于AC/DC換流器保護(hù)區(qū)，配置橋臂電抗器差動保護(hù)、橋臂差動保護(hù)、橋臂過流保護(hù)、直流過流保護(hù)、直流過電壓保護(hù)、直流低電壓保護(hù)；

b)對于DC/DC換流器保護(hù)區(qū)，配置直流過流保護(hù)、直流過電壓保護(hù)、直流低電壓保護(hù)；

c)對于直流母線保護(hù)區(qū)，配置匯流母線差動保護(hù)、支路方向過流保護(hù)、直流過電壓保護(hù)、直流低電壓保護(hù)、直流電壓不平衡保護(hù)；

d)對于直流負(fù)載保護(hù)區(qū)，配置直流過流保護(hù)。

根據(jù)系統(tǒng)的保護(hù)配置和物理測量點，可以針對直流配電系統(tǒng)的典型故障(極間短路、單極接地、斷線故障等)進(jìn)行保護(hù)和故障定位。差動保護(hù)和多點測量方向信息相結(jié)合是故障定位的主要方法。

1.2 故障穿越

保護(hù)是配電網(wǎng)安全運行的基礎(chǔ)，但在城市配電網(wǎng)中，故障類型以暫時性故障為主，保護(hù)動作如果過于頻繁會降低系統(tǒng)的供電質(zhì)量。交直流混合配電網(wǎng)由電力電子設(shè)備組網(wǎng)，其基于電力電子設(shè)備的快速控制能力實現(xiàn)故障穿越是應(yīng)對暫時性故障的更有效手段。

圖2所示的交直流混合配電網(wǎng)中，暫時性故障可能發(fā)生在中壓交流母線、中壓直流母線以及低壓直流負(fù)載上，對應(yīng)于故障穿越的設(shè)備為MMC和直流變壓器。

1.2.1 交流故障穿越

本文采用交流低電壓故障穿越與并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)統(tǒng)一控制方法，適用于交流系統(tǒng)故障發(fā)生后低電壓穿越模式與并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)模式的自動檢測和切換，以及故障消失后自動恢復(fù)至初始運行模式?？刂屏鞒倘鐖D3所示。

故障發(fā)生時，根據(jù)檢測點電壓的暫態(tài)跌落特性，通過電壓預(yù)測與實時采樣判斷，MMC判斷交流系統(tǒng)發(fā)生異常，檢測時間小于2 ms。MMC采用電流內(nèi)環(huán)控制，實時電壓前饋可以將交流系統(tǒng)電壓的變化引入控制環(huán)，保證MMC的輸出電流在故障情況下繼續(xù)跟蹤電流指令。在穿越過程中，MMC為系統(tǒng)提供功率支撐，并繼續(xù)檢測公共連接點(point of common coupling，PCC)電壓，當(dāng)公共連接點電壓恢復(fù)后，MMC自動進(jìn)入電壓源特性的緩沖期，之后根據(jù)保護(hù)動作信息完成運行模式的恢復(fù)。如果系統(tǒng)出現(xiàn)永久故障，MMC可直接進(jìn)入離網(wǎng)運行模式，保證負(fù)荷的用電可靠性。

圖1 直流配電系統(tǒng)典型架構(gòu)及保護(hù)分區(qū)Fig.1 Typical architecture and protection partition of DC distribution system

電壓源特性的緩沖期可以幫助系統(tǒng)識別非斷線暫時性故障和永久故障，在故障發(fā)生階段MMC采用相同的應(yīng)對機(jī)制，更加適用于配電網(wǎng)交流故障的特性，穿越過程對配電網(wǎng)影響小。

1.2.2 中壓直流故障穿越

中壓直流電網(wǎng)是連接交流系統(tǒng)與直流負(fù)荷的紐帶，目前其主要形式是由MMC和直流變壓器共同構(gòu)建。直流斷路器的動作時間已縮短至毫秒級，但對于電力電子設(shè)備來說，毫秒級的過電流依然可能導(dǎo)致設(shè)備損毀，因此MMC和直流變壓器的中壓直流故障穿越能力對直流配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定至關(guān)重要。

本文采用的用于中壓直流配電網(wǎng)的MMC和直流變壓器拓?fù)淙鐖D4所示，MMC采用全半橋子模塊混合拓?fù)?，直流變壓器采用帶中壓直流鉗位的輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(input-series-output-parallel，ISOP)拓?fù)?。中壓直流故障穿越針對極間短路故障，通過低壓過電流判斷故障發(fā)生。

穿越過程中，MMC采用直流電流控制方式，直流電流存在多個過零點，保證故障點快速熄弧。同時MMC控制子模塊電容電壓維持額定，MMC交流端口連續(xù)運行。當(dāng)故障消失后，MMC根據(jù)系統(tǒng)容量完成直流電壓重建和系統(tǒng)恢復(fù)。對于多端MMC系統(tǒng)，重建過程可以根據(jù)事先設(shè)定的優(yōu)先級自動完成，系統(tǒng)恢復(fù)時間小于20 ms。

穿越過程中，直流變壓器的S1管閉鎖，與系統(tǒng)故障點進(jìn)行隔離。直流變壓器運行與控制中壓側(cè)

圖2 故障穿越電氣位置Fig.2 Electrical location of fault ride-through

圖3 MMC交流故障穿越控制流程Fig.3 Control process of MMC AC fault ride-through

子模塊電容電壓模式，電容電壓維持額定。當(dāng)故障消失后，直流母線電壓恢復(fù)，直流變壓器控制高壓側(cè)電壓跟隨系統(tǒng)電壓，滿足并網(wǎng)要求時導(dǎo)通S1管，系統(tǒng)恢復(fù)運行，恢復(fù)時間小于20 ms。

1.2.3 低壓直流故障穿越

由直流變壓器建立低壓直流電網(wǎng)后，直流負(fù)荷通過負(fù)荷開關(guān)接入，系統(tǒng)示意圖如圖5所示。低壓直流電網(wǎng)為多路直流負(fù)荷供電，當(dāng)?shù)蛪褐绷麟娋W(wǎng)構(gòu)成環(huán)網(wǎng)時，負(fù)荷支路更多，故障發(fā)生的概率也會大幅提高。當(dāng)某一負(fù)荷支路發(fā)生故障時，由于直流系統(tǒng)過電流傳播能力強(qiáng)，故障支路負(fù)荷開關(guān)未進(jìn)行保護(hù)動作前故障電流已導(dǎo)致直流變壓器閉鎖，所有低壓直流母線的負(fù)荷供電將無法保證，這樣的低可靠性直流供電難以滿足現(xiàn)代城市用電的需要。

圖4 中壓直流故障穿越裝置拓?fù)銯ig.4 Topology of medium voltage DC fault ride-through device

本文采用圖5(a)中A、C點間的直流變壓器與直流限流器組合的方式構(gòu)建低壓直流端口。當(dāng)某一支路負(fù)荷故障時，直流限流器在百微秒級時間內(nèi)由旁路模式轉(zhuǎn)為限流模式，圖中C點低壓直流母線電流和B點直流變壓器輸出電流被限制在系統(tǒng)運行的最大電流值，此電流值大于額定電流，因此故障負(fù)荷支路中會流過過電流，導(dǎo)致就地負(fù)荷開關(guān)動作，切除故障支路。

圖5 低壓直流配電網(wǎng)故障穿越Fig.5 Fault ride-through of low voltage DC distribution network

如圖5(b)所示為故障穿越過程中的直流電壓、電流波形，其中：Uin、Iin為直流變壓器出口、限流器入口處的電壓和電流，對應(yīng)圖5(a)中B點；Uout、Iout為限流器出口直流母線的電壓和電流，對應(yīng)圖5(a)中C點?？梢钥吹?，故障過程中直流變壓器的輸出電流由正常運行的0.3(標(biāo)幺值，下同)開始升高，被限流器限幅至1.2，直流變壓器出口電壓保持不變。直流母線電流也被限幅至1.2，當(dāng)故障消失后，限流器退出，系統(tǒng)恢復(fù)。

在故障中直流變壓器連續(xù)運行，低壓直流母線電流連續(xù)，故障負(fù)荷支路切除后，低壓直流系統(tǒng)會在毫秒級時間內(nèi)恢復(fù)電壓，完成低壓直流故障穿越。

1.3 諧振抑制

除各種形式的短路故障外，另一個影響系統(tǒng)運行安全的暫態(tài)過程是諧振。本文將系統(tǒng)諧振分為高頻諧振和低頻諧振。

高頻諧振指高于系統(tǒng)控制頻率的諧振，在交直流混合配電網(wǎng)中，不同的電力電子設(shè)備相互耦合產(chǎn)生高頻諧振。本文采用的抑制措施是提高電力電子設(shè)備的控制帶寬，對于MMC裝置，采用多個大容量核心處理芯片并行分工，并配合高速的內(nèi)部通信總線，將裝置的鏈路延時降低至50 μs以下，因此裝置具備了大于10 kHz的控制帶寬。交直流混合配電系統(tǒng)雖然阻尼較小，但對于10 kHz以上的諧振也具備了足夠的阻尼抑制能力。

與高頻諧振相對應(yīng)，低頻諧振指低于設(shè)備控制頻率的諧振，主要發(fā)生于弱系統(tǒng)或系統(tǒng)阻抗復(fù)雜多變的情況。以MMC為例，由于控制方式、采樣回路以及執(zhí)行方式等不同，MMC的等效阻抗存在非線性特點，極端情況當(dāng)出現(xiàn)負(fù)阻尼特性時，激發(fā)系統(tǒng)振蕩。

本文采用在MMC控制環(huán)上增加優(yōu)化阻尼控制的方法，如圖6所示，其中：虛線框內(nèi)為MMC的諾頓等效模型，由逆變器等效電流源iinv0和等效阻抗Zinv0并聯(lián)構(gòu)成，iY0和ii0分別為阻抗支路與逆變器輸出電流；虛線框外為系統(tǒng)模型，u0、i0為逆變器二端口的電壓和輸出電流，是系統(tǒng)真實的電氣量，u′0、i′0為加入阻尼校正后逆變器內(nèi)環(huán)控制二端口電壓和輸出電流，Zv為串聯(lián)阻尼校正，Yv為并聯(lián)導(dǎo)納校正，iv0為并聯(lián)虛擬支路電流。采用優(yōu)化阻尼控制后，MMC的等效電導(dǎo)特性如圖7所示。原來存在于800 Hz附近的負(fù)阻尼區(qū)間被消除，在控制頻率范圍內(nèi)電導(dǎo)特性均為正值，說明MMC具備了對弱電網(wǎng)和系統(tǒng)諧波的強(qiáng)適應(yīng)能力。本文以MMC的交流端口為例，對于直流端口也可采用類似的控制方法。

圖6 優(yōu)化阻尼控制阻抗Fig.6 Optimizing damping control impedance

圖7 優(yōu)化阻尼控制效果Fig.7 Effect of optimizing damping control

2 系統(tǒng)控制

交直流混合配電系統(tǒng)的系統(tǒng)控制包括協(xié)調(diào)控制和能量管理，實現(xiàn)對系統(tǒng)的集中管理和能量優(yōu)化，提升整體運行效率和可靠性，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)運行。系統(tǒng)控制采用慢速集中通信的方式實現(xiàn)，設(shè)備就地自治實現(xiàn)控制目標(biāo)。在母線電壓控制上，采用電壓裕度控制、多端對等的方式，各系統(tǒng)主設(shè)備間自動完成直流電壓控制權(quán)的切換，保證母線電壓的穩(wěn)定。

2.1 系統(tǒng)控制架構(gòu)

直流配電系統(tǒng)的系統(tǒng)控制根據(jù)核心設(shè)備的不同主要分如下2種。

a)一種如圖8所示，在多端交流系統(tǒng)中通過MMC換流器構(gòu)建直流母線，實現(xiàn)直流配電功能，同時直流配電系統(tǒng)也為交流配電系統(tǒng)進(jìn)行功能補充。其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)如圖9所示，由最優(yōu)控制、統(tǒng)一控制和分布自治3個層級構(gòu)成。通過最優(yōu)控制實現(xiàn)系統(tǒng)能量管理，得到能量傳輸、系統(tǒng)潮流和高級功能等系統(tǒng)運行目標(biāo)；統(tǒng)一控制調(diào)配各主換流器的運行模式以及節(jié)點目標(biāo)值；最后由設(shè)備就地控制分布自治，直流配電網(wǎng)內(nèi)各裝置或子系統(tǒng)根據(jù)實時就地量測的電氣量信息進(jìn)行快速控制和功能實現(xiàn)。

根據(jù)協(xié)調(diào)控制結(jié)果，系統(tǒng)中的MMC運行于多種模式，并進(jìn)行快速切換。如圖10所示，系統(tǒng)運行存在多端供電、單端供電、多端隔離及靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)等主要運行模式，運行模式的切換包括計劃性切換和非計劃性切換。計劃性切換由協(xié)調(diào)控制統(tǒng)一指揮，模式切換時間考慮動態(tài)、穩(wěn)態(tài)電壓偏差要求以及系統(tǒng)有無過流，系統(tǒng)運行方式轉(zhuǎn)換時間小于50 ms；非計劃性切換由協(xié)調(diào)控制下發(fā)設(shè)備切換使能，系統(tǒng)條件觸發(fā)裝置就地完成，如前文所述的交流系統(tǒng)故障并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)運行。

b)另外一種直流配電網(wǎng)架構(gòu)如圖11所示，由多端直流變壓器構(gòu)建多電壓等級直流配電網(wǎng)絡(luò)，更加方便儲能、新能源發(fā)電的接入并可以為多種直流負(fù)荷供電，是更加適用于城市園區(qū)新建配電網(wǎng)的應(yīng)用。其控制結(jié)構(gòu)分為3層：能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)層對整個交直流混合系統(tǒng)的能量管理和優(yōu)化；協(xié)調(diào)控制層主要負(fù)責(zé)不同區(qū)域間的功率優(yōu)化，確定直流變壓器的運行模式和目標(biāo)；就地控制層負(fù)責(zé)各電壓等級區(qū)域和電力電子變壓器(power electronic transformer，PET)的穩(wěn)定控制。

對于圖11所示的多端直流變壓器配電系統(tǒng)，直流變壓器是核心設(shè)備，也是協(xié)調(diào)控制的主要對象，控制框圖如圖12所示，系統(tǒng)運行模式及切換如圖13所示。系統(tǒng)運行模式主要分為主從模式和對等模式，同時兼顧電能質(zhì)量管理和儲能等設(shè)備的接入。主從模式下，1臺直流變壓器在恒壓模式下運行，另外的直流變壓器運行于功率模式；對等模式下，每臺直流變壓器對直流電壓進(jìn)行下垂控制，各直流變壓器同時保持對系統(tǒng)直流母線電壓的支撐。

圖8 多端MMC直流配電系統(tǒng)架構(gòu)Fig.8 Multi-terminal MMC DC distribution system architecture

圖9 多端MMC直流配電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制框圖Fig.9 Coordinated control block diagram of multi-terminal MMC DC distribution system

圖10 多端MMC直流配電系統(tǒng)運行模式Fig.10 Operation mode of multi-terminal MMC DC distribution system

圖11 多端直流變壓器配電系統(tǒng)架構(gòu)Fig.11 Multi-terminal DC transformer distribution system architecture

2.2 能量管理

直流配電系統(tǒng)能量管理的一般目標(biāo)是在最大程度吸納新能源并網(wǎng)出力的前提下，以最低的成本維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，其按時間尺度一般可分為長時間尺度的日前調(diào)度和短時間尺度的實時滾動。日前優(yōu)化調(diào)度的周期較長，一般為24 h，即統(tǒng)籌制訂未來1 d 時間的調(diào)度計劃，優(yōu)化目標(biāo)通常與系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行有關(guān)，如有功調(diào)度成本最小、配電網(wǎng)運行成本最小等；實時滾動的調(diào)度周期較短，由于數(shù)據(jù)預(yù)測不準(zhǔn)確，因此需要實時修正調(diào)度的運行計劃，優(yōu)化目標(biāo)通常與系統(tǒng)的安全運行有關(guān)(如可調(diào)資源的調(diào)整量最小等)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。此外如負(fù)荷預(yù)測、潮流優(yōu)化、電力市場等相關(guān)技術(shù)都可應(yīng)用其中。

圖12 多端直流變壓器配電系統(tǒng)控制框圖Fig.12 Control block diagram of multi-terminal DC transformer distribution system

圖13 多端直流變壓器配電系統(tǒng)運行模式Fig.13 Operation mode of multi-terminal DC transformer distribution system

目前最為常用的配電網(wǎng)系統(tǒng)控制架構(gòu)是能量-協(xié)調(diào)-就地3層架構(gòu)。針對不同的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和功能，3層控制架構(gòu)的優(yōu)化和協(xié)調(diào)目標(biāo)可能有所不同，且在配電網(wǎng)節(jié)點數(shù)增多、規(guī)模增大后依然適用。

3 示范應(yīng)用

在國內(nèi)，多個中壓直流示范工程相繼建成。從工程實踐的角度來看，直流配電網(wǎng)工程功能需求高，系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備制造難度大。本節(jié)以北京四方公司參與的2個中壓直流配電網(wǎng)示范工程為例，介紹本文提出的控制保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用效果。

a)其一是中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司重大科技項目“城市配電網(wǎng)柔性互聯(lián)關(guān)鍵設(shè)備及技術(shù)的研究”貴州大學(xué)中壓直流配電網(wǎng)示范工程，以柔性電力電子設(shè)備為基礎(chǔ)，構(gòu)建智能直流配電中心，同期建設(shè)交直流微電網(wǎng)并柔性接入直流配電中心，實現(xiàn)分布式能源的友好接入，有效提升城市配電網(wǎng)接納清潔能源能力，實現(xiàn)城市配電網(wǎng)的故障自愈和經(jīng)濟(jì)性重構(gòu)，提高城市配電網(wǎng)的運行可靠性，為含分布式能源的配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供良好的示范效果，同時也為配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行及可靠運行提供新的技術(shù)手段及示范。北京四方公司作為該項目示范工程的總體承包商，為該項目供應(yīng)了全套設(shè)備，包括直流控制保護(hù)系統(tǒng)、±10 kV MMC換流閥、±10 kV/±375 V直流變壓器、直流測量系統(tǒng)。

示范工程拓?fù)淙鐖D14所示，由三端MMC構(gòu)建±10 kV中壓直流母線，并通過MMC和直流變壓器拓展出低壓交流、直流配電網(wǎng)。該項目在國內(nèi)首次進(jìn)行了全半橋混合模塊MMC的工程化實踐，實現(xiàn)了交直流故障穿越與并網(wǎng)-離網(wǎng)無縫切換。該交直流混合配電網(wǎng)以三端交流饋線功率平衡、系統(tǒng)網(wǎng)損最小、分布式發(fā)電全部消納為能量管理目標(biāo)，通過MMC、直流變壓器柔性互聯(lián)，與功率預(yù)測結(jié)合，實時調(diào)整潮流和運行模式，在國內(nèi)首次完成了五端交直流混合配電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行控制。

b)其二為在珠海唐家灣落地建設(shè)的“支持能源消費革命的城市-園區(qū)雙級‘互聯(lián)網(wǎng)+’智慧能源示范項目”，是南方電網(wǎng)推進(jìn)國家能源局首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源示范項目建設(shè)的重要里程碑，圍繞珠海全市及唐家灣園區(qū)、橫琴園區(qū)，提出了物理層、信息層、應(yīng)用層3個層面建設(shè)模式，從3個層面為能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)探索提供支撐。北京四方公司承建該項目一端MMC、配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、站級控制保護(hù)系統(tǒng)和直流測量系統(tǒng)等。

示范工程拓?fù)淙鐖D15所示，由雞山I站、雞山II站和唐家站的三端MMC交流母線進(jìn)行換流組網(wǎng)，構(gòu)建±10 kV直流母線，為園區(qū)中的直流微電網(wǎng)、交流微電網(wǎng)供電，同時接入光伏、儲能和電動汽車充電樁。該示范工程中，中壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)與低壓直流微電網(wǎng)互補互濟(jì)運行，當(dāng)直流配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障或檢修停電時，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入孤島運行方式，光伏電站和儲能電站作為系統(tǒng)的電源，用來維持直流線路電壓的穩(wěn)定，同時對負(fù)荷進(jìn)行分級管理，保障低壓重要負(fù)荷的電力供應(yīng)。該示范工程容量大，電壓等級多，依托本文的并離網(wǎng)無縫切換技術(shù)和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了交流“N-2”故障后的快速功率支撐，提高了交直流配電網(wǎng)的供電可靠性。

圖14 貴州大學(xué)中壓直流配電網(wǎng)示范工程Fig.14 Demonstration project of medium voltage DC distribution network in Guizhou University

圖15 唐家灣交直流配電網(wǎng)示范工程Fig.15 Demonstration project of medium voltage DC distribution network in Tangjiawan

4 結(jié)論與展望

隨著可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中占比的不斷增長以及負(fù)荷側(cè)廣義直流負(fù)荷需求的不斷增大，配電網(wǎng)在滿足兩者靈活接入需求的同時，源、荷之間通過網(wǎng)絡(luò)供需互動的需求也逐漸增強(qiáng)。傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)結(jié)合直流配電技術(shù)構(gòu)建的現(xiàn)代城市配電網(wǎng)，采用柔性快速組網(wǎng)方式，有效集成大規(guī)模、多類型分布式電源及負(fù)荷，通過靈活、敏捷的分散調(diào)控實現(xiàn)供需側(cè)靈活互動，是未來配電網(wǎng)的熱點走向。

a)交直流混合配電系統(tǒng)多運行模式下故障機(jī)理復(fù)雜，對故障特征提取的速度和精度要求較高。保護(hù)、故障穿越以及阻尼諧振的三重控制技術(shù)可保障系統(tǒng)的安全運行，并能最大程度地為負(fù)荷提供用電保障，是提高交直流混合配電系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。目前的研究和示范應(yīng)用中，直流配電網(wǎng)規(guī)模較小，在多類型故障保護(hù)、多設(shè)備參與的系統(tǒng)故障與恢復(fù)以及系統(tǒng)長時運行可靠性測試等方面存在不足。研究真實配用電場景和故障類型、故障快速檢測與及時通信、交直流混合配電系統(tǒng)核心設(shè)備的阻抗特性一致性規(guī)劃、自適應(yīng)即插即用技術(shù)以及系統(tǒng)級暫態(tài)電能質(zhì)量優(yōu)化等是下一階段的主要工作。

b)在系統(tǒng)級優(yōu)化運行層面，隨著能源形式、用能方式、運行場景和目標(biāo)多樣化，需要交直流混合配電網(wǎng)在3層控制架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化。在區(qū)域電網(wǎng)和局域電網(wǎng)的有效劃分、就地控制與統(tǒng)一控制在大規(guī)模配電網(wǎng)的應(yīng)用配合、非確定性系統(tǒng)運行工況的有效調(diào)配等問題上，目前的研究成果還沒有充分解答。深度融合先進(jìn)信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)以及人工智能等構(gòu)建更加高效、靈活與可靠的交直流混合配電網(wǎng)，開展更大規(guī)模交直流混合配電網(wǎng)系統(tǒng)控制技術(shù)的研究與實踐，是系統(tǒng)優(yōu)化運行研究的重要方向。

c)在交直流混合配電系統(tǒng)核心設(shè)備制造方面，緊湊化、高可靠性、低成本、高效率的實用性技術(shù)是影響交直流混合配電網(wǎng)能夠推廣應(yīng)用的重要因素。目前示范工程與設(shè)備造價相對較高，電力電子設(shè)備的可靠性也有待進(jìn)一步驗證。開展從一、二次融合控制架構(gòu)到簡化通用的控制邏輯，從新器件應(yīng)用到新拓?fù)涮剿髋c集成等相關(guān)工作，研發(fā)緊湊化控制系統(tǒng)和高能量密度功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，提高交直流混合配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和實用性，是未來重要的技術(shù)研發(fā)方向。