李國香

（中國葛洲壩集團裝備工業(yè)有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

近幾年我國經(jīng)濟發(fā)展勢頭迅猛，對能源尤其是電力的需求快速增長。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)劃相對落后于城市的發(fā)展規(guī)劃，導致已有交流配電網(wǎng)絡(luò)難以滿足負荷發(fā)展的要求。新的供電要求逐漸嚴格，現(xiàn)有的交流配電網(wǎng)正面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。直流配電網(wǎng)以其單位走廊的供電能力高、對電能的良好控制能力、對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)勢及不足

1.1 優(yōu)勢

柔性直流配電網(wǎng)具有更好的并網(wǎng)能力，對于當前大力推進的分布式電源建設(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、棄水、棄光等問題，其具體優(yōu)勢主要有以下幾方面[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，可以實現(xiàn)多種受環(huán)境影響發(fā)電能力波動較大的分布式能源（風能、太陽能等） 的資源互補，尤其是結(jié)合儲能技術(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以及直流系統(tǒng)設(shè)計難度等。

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)、不同運行方式下的故障診斷與保護配合策略有待優(yōu)化。

2 直流配電網(wǎng)國內(nèi)外發(fā)展概況

通過與交流配電網(wǎng)的對比，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。因此，近年來，直流配電網(wǎng)在國內(nèi)外得到了廣泛的研究，諸多國家和地區(qū)都根據(jù)自身電力系統(tǒng)特點制定了其直流配電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃。

其中，以美國為首的西方國家針對直流配電網(wǎng)的研究最早，其基于龐大的科研系統(tǒng)，十幾年前便在幾個大學（弗吉尼亞理工大學、北卡羅來納州立大學等） 設(shè)立了關(guān)于直流配電網(wǎng)的研究機構(gòu)并取得了諸多的研究成果。2007 年弗吉尼亞理工大學電力電子系統(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)展計劃。3 年后，該研究中心將SBI 發(fā)展計劃進行了擴充，正式更名為SBN（sustainable building and na nogrids） 研究計劃。目前，CPES 已經(jīng)在SBN 研究計劃的基礎(chǔ)上進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，設(shè)計了混合配電系統(tǒng)架構(gòu)。此外，亞洲地區(qū)的日本、韓國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，對于直流配電技術(shù)，國外諸多國家均處于實驗及理論研究階段，相關(guān)的大型工程實踐項目并沒有實際應(yīng)用，分析重點也主要放在以微網(wǎng)為研究對象的低壓配電網(wǎng)絡(luò)。

我國針對直流技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)絡(luò)的研究始于2009 年，電網(wǎng)系統(tǒng)科研人員借鑒國外相關(guān)經(jīng)驗率先進行了直流微網(wǎng)的研究。我國于2013 年便制定了中壓直流配電網(wǎng)絡(luò)研究計劃，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責的“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，國家電網(wǎng)公司也規(guī)劃了多個柔性直流配電網(wǎng)科技項目，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”的拓撲結(jié)構(gòu)，兩端電壓源換流器VSC（voltage source converter） 各自連接一個獨立的交流電源。直流配電網(wǎng)設(shè)計為雙層母線結(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 仿真模擬平臺拓撲

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，以方便接入儲能裝置、直流負載及分布式能源。

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)或運行工況發(fā)生變化時，各可控端的控制方式能自動平滑切換，滿足當前系統(tǒng)工況。針對兩端“手拉手”的拓撲，將各種可能出現(xiàn)的運行工況進行歸納，將運行方式劃分為5 種日常運行方式和3 種試驗運行方式（見表1）[5-6]。根據(jù)直流配網(wǎng)系統(tǒng)的運行方式，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）。由于仿真平臺簡單，涉及的設(shè)備及開關(guān)數(shù)量不多，故運行方式的劃分原則主要為系統(tǒng)拓撲結(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)的運行方式

3.1 日常運行方式

3.1.1 雙端供電運行方式

配網(wǎng)正常運行時，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。雙端供電運行方式見圖2。

3.1.2 單換流器運行方式

當兩端換流站有一端出現(xiàn)故障時，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。單端供電運行方式見圖3。

圖2 雙端供電運行方式

圖3 單端供電運行方式

3.1.3 雙端隔離運行方式

當配電網(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。雙端隔離運行方式見圖4。

3.1.4 STATC0M 運行方式

當系統(tǒng)運行在STATC0M 模式時，2 個VSC 均跟直流配電網(wǎng)斷開，各自跟交流系統(tǒng)相連，實現(xiàn)無功補償功能。STATC0M 運行方式見圖5。

圖4 雙端隔離運行方式

圖5 STATCOM 運行方式

3.2 試驗運行方式

3.2.1 背靠背運行方式

該方式下，直流網(wǎng)絡(luò)中的所有負荷及分布式電源全部退出運行，2 個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。背靠背運行方式見圖6。

3.2.2 功率支援運行方式

當VSC 所連交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，直流配電網(wǎng)可根據(jù)情況進行短時功率支持。只有一端發(fā)生故障時，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，兩端VSC 都工作在VF模式，直流電壓可由直流變壓器控制。功率支援運行方式見圖7。

3.2.3 孤島運行方式

兩端VSC 都發(fā)生故障時，直流配電網(wǎng)脫離交流系統(tǒng)形成孤島，獨立運行。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荷，可根據(jù)負荷重要級別，斷開一些不重要的負荷。孤島運行方式見圖8。

3.3 運行方式的切換原則

當直流配電網(wǎng)的運行工況改變時，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)自動平滑切換至新的運行方式以適應(yīng)新的工況，各運行方式之間的切換關(guān)系及對應(yīng)的設(shè)備情況如圖9 所示。

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

圖6 背靠背運行方式

圖7 功率支援運行方式

圖8 孤島運行方式

圖9 運行方式切換原則

4 結(jié)束語

本文在介紹直流配電網(wǎng)優(yōu)勢及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以兩端“手拉手”拓撲結(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)來劃分運行方式，將運行方式劃分為5 種日常運行方式和3 種試驗運行方式，并探討了運行方式的切換原則。