柔性直流配电网运行方式划分探讨

李国香

（中国葛洲坝集团装备工业有限公司，湖北 武汉 430040）

0 引言

近几年我国经济发展势头迅猛，对能源尤其是电力的需求快速增长。然而，由于选址、征地、建设成本较高，输电线路增加或改造难度较大。在用电量大的城市，电网建设规划相对落后于城市的发展规划，导致已有交流配电网络难以满足负荷发展的要求。新的供电要求逐渐严格，现有的交流配电网正面临着严峻的挑战。直流配电网以其单位走廊的供电能力高、对电能的良好控制能力、对分布式可再生能源的友好接纳能力越来越受到关注[1]。

1 直流配电网的优势及不足

1.1 优势

柔性直流配电网具有更好的并网能力，对于当前大力推进的分布式电源建设意义重大，有利于分布式可再生能源的接入，解决了一直困扰新能源企业弃风、弃水、弃光等问题，其具体优势主要有以下几方面[2-4]。

a） 直流输电技术能够提高单位走廊的配电网供电能力。相关测算表明，相同条件下直流输电容量是交流输电容量的1.5 倍。

b） 直流输电配电网的供电可靠性要比交流网更高。由于直流输电技术对于电能具有更好的控制能力（主要包括电压、有功、无功等），避免了输配网变换过程中广泛存在的高低压电磁环网问题，使配电网系统实现了多电源供电，提高了电力系统供电的可靠性。

c） 基于直流输电技术对于电能的良好控制能力，加上柔性直流技术的配电网络仅需要控制直流母线的线路电压，不需要考虑其他参数变化，避免了谐波等问题的产生，并且响应迅速，大大提高了供电质量，这对于电能质量要求较高的电力用户非常关键。

d） 直流配电网具有多电源供电优势，可以实现多种受环境影响发电能力波动较大的分布式能源（风能、太阳能等） 的资源互补，尤其是结合储能技术，能够大幅提高分布式可再生能源的接纳能力。在直流配电网接入分布式能源过程中，为更加充分发挥分布式电源的作用，其主要通过直流微电网形式并入电网主网。

1.2 不足

a） 直流配电网电压等级尚未确定，其选择不仅需要考虑网络的供电半径，还要兼顾各类直流设备在该电压下的电气保护以及直流系统设计难度等。

b） 满足直流配电网电压、电流与交流大电网电压、电流以及潮流方程等约束条件下的混合调度有待进一步分析探索。

c） 直流配电网的故障定位方法以及不同结构、不同运行方式下的故障诊断与保护配合策略有待优化。

2 直流配电网国内外发展概况

通过与交流配电网的对比，可以发现直流配电网在电力输配过程以及分布式可再生能源的消纳过程中具有很大的优势。因此，近年来，直流配电网在国内外得到了广泛的研究，诸多国家和地区都根据自身电力系统特点制定了其直流配电网发展规划。

其中，以美国为首的西方国家针对直流配电网的研究最早，其基于庞大的科研系统，十几年前便在几个大学（弗吉尼亚理工大学、北卡罗来纳州立大学等） 设立了关于直流配电网的研究机构并取得了诸多的研究成果。2007 年弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心CPES（center for power electronics systems） 结合直流配电网技术特点分析了其在住宅和楼宇供电方面的应用前景，并制定了SBI（sustainable building initiative） 发展计划。3 年后，该研究中心将SBI 发展计划进行了扩充，正式更名为SBN（sustainable building and na nogrids） 研究计划。目前，CPES 已经在SBN 研究计划的基础上进行了更加深入的研究，其融合了高压直流输电技术的特点，设计了混合配电系统架构。此外，亚洲地区的日本、韩国等地的高校和科研院所也着手关于直流配电网的研究。

总体而言，对于直流配电技术，国外诸多国家均处于实验及理论研究阶段，相关的大型工程实践项目并没有实际应用，分析重点也主要放在以微网为研究对象的低压配电网络。

我国针对直流技术应用于配电网络的研究始于2009 年，电网系统科研人员借鉴国外相关经验率先进行了直流微网的研究。我国于2013 年便制定了中压直流配电网络研究计划，走在世界电力系统技术的前列。比较典型的为深圳电力公司负责的“基于柔性直流的智能配电关键技术研究与应用”。此外，国家电网公司也规划了多个柔性直流配电网科技项目，开展柔性直流配电网络的关键技术研究。

3 两端“手拉手”柔性直流配电运行方式划分

柔性直流配电网电路如图1 所示，采用两端“手拉手”的拓扑结构，两端电压源换流器VSC（voltage source converter） 各自连接一个独立的交流电源。直流配电网设计为双层母线结构的四端网络，以模拟不同电压等级的直流配电系统。

图1 柔性直流配电网RT-LAB 仿真模拟平台拓扑

经两端VSC 换流站把380 V 的交流电转换为760 V 的直流电，再用直流变压器将760 V 降为380 V，以方便接入储能装置、直流负载及分布式能源。

为保证配电网的供电可靠性，系统应能满足在电网结构或运行工况发生变化时，各可控端的控制方式能自动平滑切换，满足当前系统工况。针对两端“手拉手”的拓扑，将各种可能出现的运行工况进行归纳，将运行方式划分为5 种日常运行方式和3 种试验运行方式（见表1）[5-6]。根据直流配网系统的运行方式，换流站的控制模式可选择定交流电压控制模式（VF 模式）、定直流电压控制模式（VdcQ 模式）、定有功功率控制模式和无功功率控制模式（PQ）。由于仿真平台简单，涉及的设备及开关数量不多，故运行方式的划分原则主要为系统拓扑结构变化引起的电力电子设备控制模式切换的情况。

表1 直流配电系统的运行方式

3.1 日常运行方式

3.1.1 双端供电运行方式

配网正常运行时，直流配电网经两端VSC 与交流系统连接。该方式下，一端VSC 控制直流电压，另一端VSC 控制功率，从而维持直流系统的潮流平衡。双端供电运行方式见图2。

3.1.2 单换流器运行方式

当两端换流站有一端出现故障时，直流配电网经一端VSC 与交流系统相连。该方式下，配电网直流电压由无故障的VSC 来控制。单端供电运行方式见图3。

图2 双端供电运行方式

图3 单端供电运行方式

3.1.3 双端隔离运行方式

当配电网母线中的断路器故障跳开后，直流配电网分为两部分，两部分各自经VSC 与交流系统相连，各自控制直流电压。双端隔离运行方式见图4。

3.1.4 STATC0M 运行方式

当系统运行在STATC0M 模式时，2 个VSC 均跟直流配电网断开，各自跟交流系统相连，实现无功补偿功能。STATC0M 运行方式见图5。

图4 双端隔离运行方式

图5 STATCOM 运行方式

3.2 试验运行方式

3.2.1 背靠背运行方式

该方式下，直流网络中的所有负荷及分布式电源全部退出运行，2 个VSC 的直流侧经直流母线相连，完成功率传递。根据潮流方向，一端工作在定直流电压模式，一端工作在定功率模式。背靠背运行方式见图6。

3.2.2 功率支援运行方式

当VSC 所连交流系统发生故障时，直流配电网可根据情况进行短时功率支持。只有一端发生故障时，故障端所连VSC 可工作在定交流电压模式；两端都发生故障时，两端VSC 都工作在VF模式，直流电压可由直流变压器控制。功率支援运行方式见图7。

3.2.3 孤岛运行方式

两端VSC 都发生故障时，直流配电网脱离交流系统形成孤岛，独立运行。直流电压可由直流变压器控制。该模式下，如网内容量不足以支撑所有负荷，可根据负荷重要级别，断开一些不重要的负荷。孤岛运行方式见图8。

3.3 运行方式的切换原则

当直流配电网的运行工况改变时，如断路器跳开、VSC 发生故障退出或交流侧短路等，系统应自动平滑切换至新的运行方式以适应新的工况，各运行方式之间的切换关系及对应的设备情况如图9 所示。

根据电网实际运行情况，某些运行方式相互间只存在单方向切换，在实际运行中有很多不便。控制系统则能根据线路实际工况快速切换运行方式并转换控制模式，保证柔性直流配电网持续运行。

图6 背靠背运行方式

图7 功率支援运行方式

图8 孤岛运行方式

图9 运行方式切换原则

4 结束语

本文在介绍直流配电网优势及国内外研究现状的基础上，以两端“手拉手”拓扑结构为例，以断路器开闭引起系统结构的变化为依据来划分运行方式，将运行方式划分为5 种日常运行方式和3 种试验运行方式，并探讨了运行方式的切换原则。