能源互联网环境下交直流混合配电系统关键技术

2.2 关键设备方面

当前，针对直流配电关键设备的研究主要集中在基于电力电子技术的不同电压等级换流器、直流变压器和中高压直流短路器及其相关控制策略方面[30-34]。目前，工程中常用的电压源型换流器（VSC）主要包括两电平换流器、三电平换流器和模块化多电平（MMC）[35-37]。两电平换流器和三电平换流器优点在于工作原理简单，控制系统构造简单，但两电平换流器和三电平换流器均需要大量的开关器件直接串联，投资较大。另外由于采用PWM调制技术，系统损耗相对较高，且输出电压中纹波含量较高。在直流变压器方面，其主要拓扑包括谐振式高压直流变压器、Buck_Buck/Boost直流变压器、谐振开关电容直流变压器、输入串联输出并联直流变压器、MMC型直流变压器等类型，但尚无适应多场景并具备故障穿越能力的兆瓦级中压直流变压器工程化应用。中压直流断路器方面，主要包括机械式、全固态和混合式等3类，国内相关厂家已开发了开断能力大于10 kA的10 kV混合式直流断路器样机，但成本较高、额定通流损耗严重。部分科研单位开发了开断能力大于15 kA的10 kV机械式直流断路器样机，但存在断口绝缘恢复差、小电流开断困难等问题。

为满足能源互联网发展需求，高效消纳光伏、风电等分布式可再生能源，实现集中式或分布式能源生产、消耗、转换等单元互联，开发低成本、高性能的直流配用电关键装备成为当前的关键性技术问题。在电源接入侧，以各类能源及储能接入需求为出发点，重点研发具备高可靠性、高效率、高稳定性的电源侧电力电子接口设备及其分层控制策略。在电网侧，重点研究换流阀强弱电紧凑化布局和大电流应力下的优化方法，提出AC/DC换流阀的高可靠设计方案，提出分层分布式控制架构与分区保护架构，实现换流器的可靠保护；采用磁集成技术减小变压器体积和能耗，建立兆瓦级中压直流变压器拓扑优化方案，提出功率快速精准控制策略及故障穿越方法。在用电侧，通过研究宽禁带器件应用技术、多谐振软开关功率变换拓扑和低压高频磁路集成方法，解决变换器拓扑复杂、功率密度较低、一致性较差等问题，同时，整合典型家用电器的电路构架，提出直流化智能化改造方法，实现家用电器能效整体提升。另外，目前快速直流开关主要有机械式和混合式2种。针对机械式开关存在断口绝缘恢复差、开断小电流困难等问题以及混合式开关存在成本高、额定通流损耗高等问题，提出各电压等级直流快速开断方案及拓扑结构，开发高性能、低成本的中低压直流断路器成为目前一项亟待解决的关键性技术问题。

2.3 保护策略方面

交直流配电网的安全稳定运行需要完备可靠的保护策略，目前针对该方面的研究主要集中在各类故障对继电保护的影响分析、故障特性分析、保护策略制定等方面[38-41]。部分高校已开展直流配电系统的故障特征与原理分析，提出了多端柔性直流配电网保护方案及限流方法。部分厂商研发了针对换流阀、直流变压器等直流设备的保护装置，但缺乏系统级的保护技术研究及工程应用。

直流配电系统的故障根据各类设备和系统结构的不同，可分为交流侧故障、换流器故障、直流侧故障三大类。交流侧故障主要指并网变流器与交流电网之间交流母线上的故障以及变压器故障，以线路短路故障为主；变换器故障主要有阀短路、桥臂短路、变换器交流或直流侧出口短路、脉冲触发系统故障、冷却系统故障等；直流侧故障主要指直流母线故障和直流线路故障，包括接地故障、极间故障及断线故障，另外还存在绝缘水平下降、低电压或过电压等不正常运行方式。

交直流混合配电系统电源类型多、故障类型复杂，多类型换流站和储能的控制策略、分布式电源功率波动对于故障暂态特性影响大，系统运行方式改变后保护原理和定值难以适应，电力电子设备耐受过电压、过电流的能力差，系统直流短路阻抗小，故障对直流母线电压波动影响大。因此，应重点研究分布式电源并网变压器、换流阀等在不同控制方式下的多电压等级直流配用电系统的故障机理；研究多电压等级直流配用电系统在不同拓扑结构下的故障特征。进一步研究基于多点信息的直流配电系统故障快速识别与定位方法，提出多电压等级直流配电系统保护配置方案，并结合相关需求研制直流配电系统保护、测量、控制一体化系列装置及直流用电系统漏电保护装置。

2.4 运行控制方面

交直流混合配电系统的电源主要包括交流配电网和太阳能、风电等多种分布式电源，负荷包括常规交、直流负荷以及储能设备、电动汽车充电站等双向可控负荷。运行控制的基本要求是通过对各类设备的主动控制，实现分布式能源的充分利用以及电源与负荷的高效、动态匹配。目前，直流配电网的电压控制方面的研究主要包括主从控制方式、电压下垂控制方式和电压裕度控制等[42-44]，主要集中在含分布式电源的直流配电网优化调度、典型运行方式及切换方法、分层控制协调控制策略等方面[45-49]。相关高校等单位围绕含多换流器的低压直流系统控制架构、稳定控制方法展开研究，但系统结构较为简单，时间尺度短，源荷类型单一。

为推动交直流配电技术发展应用，在运行控制方面尚需开展深入研究。重点研究多换流器并网及多电压等级直流配电系统状态精确划分方法，构建多重状态转换模型。建立多电压等级直流配电系统分层控制架构，研究中压直流配电网多换流器并网分散协调控制策略，分析基于惯性环节的低压区域子网电压稳定控制方法，提出区域子网多换流器间环流抑制方法。结合分布式电源及负荷预测结果，研究基于状态估计的系统网络重构方法，构建直流源荷匹配的系统滚动优化调度模型，提出满足源荷匹配的直流配电系统能量优化控制方法。

3 结论

为满足能源互联网智能化发展需求，未来配电网将呈现出交直流混合的形态。交直流混合配电网的应用对于减少一次设备投资、降低配电网损耗、减少无功补偿设备、提升系统运行效率具有重要意义。本文重点针对交直流混合配电网发展的关键技术研究现状及相关技术需求开展分析。交直流混合配电系统应尽快细化典型应用场景划分原则和电压序列选取原则，并进一步明确涵盖典型网架、接线方式、一二次设备配置等方面的典型供电模式；加快研制快速开关设备、兆瓦级直流变压器以及低压直流用电高效高功率密度多输出电能变换设备；提出满足分布式电源及各类负荷灵活接入的优化运行方式及分压分层控制方法；明确直流混合配电网的故障识别方法、故障穿越及快速恢复方法、典型保护配置方案；根据实际工程需要提出交直流混合配电网关键设施及多元化电源、负荷接口典型设计方案。

作者简介：

李敬如(1969—)，女，高级工程师(教授级)，从事电力系统规划、电力系统技术经济分析等方面研究工作

韩丰(1962—)，女，高级工程师（教授级），从事电力系统规划及设计等方面研究工作

姜世公(1983—)，男，通信作者，高级工程师，从事交、直流配电系统规划及技术经济评价等方面研究工作

李红军(1971—)，男，高级工程师（教授级），从事配电系统规划及设计等方面研究工作

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