韩旭
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摘要：近年来社会用电需求的不断增大，电力工程建设数量也逐渐增多。配电网是电力系统中的重要组成部分，也是用户从电网中获取电能的关键。交流系统以结构简单、技术成熟等优势在配电中占主导地位；但随着分布式电源的发展及直流负荷的快速增长，传统交流配电的局限性逐步表现出来。于是相关学者提出了交直流配电网的概念，其以符合能源互联网的发展需求，并具备电能质量高、电能损耗低、可控性好等优势而受到广泛的关注。本文就交直流柔性配电网展开探讨。
关键词：柔性交直流；混合配电网；运行方式
引言
在新能源发电占比不断增高的能源供给结构下，随着用户的用电需求向多样性和灵活性变化，分布式电源将成为未来配电网中常见的供电电源。同时，在负荷侧，配电网供给的直流和变频负荷设备也越来越多。这种电源侧与负荷侧的变化对传统配电方式产生冲击，提出了新的挑战。由此，一种新的交直流混合配电模式应运而生。交直流混合配电网既保留了现有交流配电方式技术成熟的优势，同时在控制灵活性、线路运送容量等方面具有与直流配电方式一样优秀的表现，因此具有较强的供电可靠性和分布式电源消纳能力。
1交直流配电网的网络架构
1.1辐射型配电网
辐射型拓扑又称为树状拓扑，其结构上类似于树，是电力系统中最为基础也是应用最为广泛的结构之一。辐射型配电网中系统潮流较为简单且难以控制，所有用电负荷及分布式电源均只能从一条支路与主电网进行能量交换，在主干支路故障时将造成大面积停电，另外系统在实际运行时还存在末端支路节点电压偏低的现象。因此该结构配电网的供电可靠性和电能质量较低，也难以通过优化调度对系统运行进行优化，可控性较差。
1.2三端联网运行
中压直流配电网内所有设备均正常时，三端交流系统经过环网连接的电压源换流器共同为直流配电网供电并实现灵活的功率转供。用于联结直流负荷和具有直流接口的分布式电源的直流变压器采取定负荷侧电压控制，确保各设备的稳定运行。于联接直流负荷和具有直流接口的分布式电源的直流变压器，采取定低压I端口侧（±375V）电压控制，确保各设备的稳定运行。
1.3环状型配电网
环状型配电网在结构上是用输电线路将负载、分布式电源、主电网、储能装置等结构连接成一个环网。类似于两端供电结构，其在一端电网故障时可以由另一端电网提供电压支撑；另外在其中一条线路的某段发生故障时，将不影响对其他负荷的供电，仍可调节换流装置的传输功率，实现电能最优分配，因此其供电可靠性和可控性在三种拓扑结构的配电网中最好。但该结构的配电网的控制策略也最为复杂，此外在实际运行时其还存在功率环流的现象。
2柔性交直流混合配电网中故障定位与保护配合
2.1双极故障及保护
在柔性交直流配电系统当中，双极故障时典型故障也是较为严重的故障类型。直流母线或者是直流线路中出现正负极短接情况的时候，直流电容（电压源换流器）将通过短路点快速放电，此种情况下直流电压会直接降低到0，柔性交流配电系统中的故障类似于三相短路故障，会影响系统的安全稳定运行。此外，直流配电系统接入的交、直流微电网中的分布式电源，也会经过电压源换流器和直流变压器等设备向短路点提供短路电流加剧故障。
换流器检测到故障后会迅速闭锁换流阀以保护其内部设备。以电压电流为代表的相关电气参数会在阀闭锁后迅速下降，系统可能没有足够的时间实现故障定位以及故障信息采集。基于此情况必须综合考虑换流器的闭锁时间，最大限度的保证保护的判定时间得到满足，同时还必须保证设备不被损坏。闭锁时间主要取决于开关器件的过电流承受能力，可从三方面限制：（1）在开关器件的选择方面，尽可能选择过流能力较强的器件。（2）对电流幅值进行一定的限制，同时还必须限制上升速率。（3）在换流器的选择中，还必须要保证其直流清除能力。在实际工程应用中会受到经济因素、开关元器件以及工程实用等众多因素的限制，为保证故障电流上升速率以及幅值满足要求，可以考虑通过桥臂电抗器对其进行限制，或通过合理配置直流电抗器实现控制，以保证有足够的时间实现延迟闭锁和差动保护。同时还能够通过这种方式实现直流线路差动保护的快速配置，提高数据运算和处理的速度。通过这种方式能够保证在阀闭锁前就实现差动保护和故障定位，并向控制系统发生故障定位信号。实现双极故障后系统恢复的关键是快速实现故障定位和系统恢复。基于FPGA的直流低电压过电流保护与直流差动保护，故障特征明显、保护动作准确、快速，能够在300μs内判断故障并将动作信号送给主控系统。同时，主控系统应能够在10ms内完成直流系统的故障隔离，随后启动系统恢复过程。
2.2直流变压器的启动策略
直流变压器启动时在直流变压器高压侧串联充电电阻对高压侧集中电容充电，充电完成后，旁路充电电阻，解锁直流变压器，控制直流变压器对低压侧集中电容充电，充电完成后，切换直流变压器控制模式，闭合负荷开关接入直流微网或储能。在整个启动过程中，当直流电压稳定后，各个组网元件（储能系统、直流微网、交流负荷及交流微网）接入顺序不分先后，但尽量避免同时接入。
2.3直流线路断线故障及保护
直流保护线路中主要采用多电源供电系统，这种情况下如果发生断线故障，在控制系统以及多电源的共同作用下能够实现持续供电，控制系统进行故障分析和判别，比对断线故障特性识别断线故障。换流器故障前的运行方式和断线故障特性紧密相关，一般换流器在发生断线故障之前会处于整流状态，若发生断线故障之后侧直流电压短暂升高，并且在升高之后会迅速降低到正常水平；如果在发生断线故障之前换流器处于逆变状态，发生故障之后直流电压会短暂下降后迅速恢复到原有电压。故障后只要采取定直流电压控制，直流电压就能维持稳定。可见，通过合理的电源系统和控制系统切换，在直流线路断线情况下能够维持负荷的正常运行。
2.4直流侧保护
直流系统的短路电流上升速度极快，通常在故障后的几个毫秒内就到达极高的峰值，这对直流配电系统故障检测的速动性提出了很高的要求。目前，应用于实际工程中的直流短路故障检测技术多为改进的过流保护，如应用于地铁和船舰等直流配电系统的大电流脱扣，基于电流上升率的保护，还有基于电流增量的保护(DDL保护)等方法，直流配电工程的后备保护也多为定时限过流保护或低电压保护。但是，该类方法为了提高可靠性会添加一段延时，速动性较差。直流配电网络的故障检测技术尚处于起步阶段，可以借鉴成果较为丰富的直流输电领域所提出的故障检测手段。在柔性直流输电的故障识别方面，国内外专家提出了利用电流差动、行波方向等特征量的双端量保护原理和利用行波信号、电压微分等特征量的单端量保护原理。上述保护原理中利用行波的保护方法能够快速检测到区内故障，但不适用于线路不长、结构复杂的配电网络。
结语
柔性直流配电系统中具有典型的复杂性，在当前供电可靠性和配电可靠性要求的背景下，必须要进一步加强柔性交直流混合配电网中的故障建设。
参考文献
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