直流配用电系统关键技术及应用示范综述

随着大型数据中心、电动汽车充换电站、通信设备等直流负荷的日益增长,以及光伏等直流型分布式电源的高比例、大容量分散接入,当前配网荷源储直流特征愈发明显[1-3]。直流型分布式电源若通过逆变器接入交流配网,再通过整流器给直流负荷供电,不仅增加转换环节和并网难度,降低系统整体效率,而且会造成电能质量和供电可靠性的下降。传统交流配用电模式正面临严峻的挑战。

相比较交流配电系统,直流配系统具有供电容量更大、供电半径更长、运行效率更高、电能质量问题不突出,不存在无功补偿问题,可闭环运行、可节省走廊资源25%~30%等优势。同时,直流配电系统也具有一定缺点：1）直流系统整体造价较高,主要体现在电力电子装备成本;2）部分交流负荷仍需逆变环节供电,无法进行直流化改造,难以省去所有设备的转换环节;3）直流电火花更大,且难以灭弧,对绝缘破坏更严重;4）直流设备内部结构复杂,维护工作量大;5）直流系统存在大量可控硅器件,导致过载能力低。

近年来,美国、德国、瑞典、丹麦等国均开展了不同电压等级的直流配用电理论研究和示范工程,以进行概念验证、应用场景、控制架构和保护方案研究。美国弗吉尼亚理工大学构建了直流混合配电网分层控制架构,为直流配电过渡性发展从控制上提供了可实施方案[4]。德国亚琛大学构建了±10kV直流配电实际工程,提出了“City of Tomorrow”城市供电方案,用中压直流环网作为城市配电系统的骨干网,环网通过大功率AC/DC和DC/DC从传统的交流输电网和直流输电网获取电能[5]。瑞典查尔姆斯理工大学分析了326/230/ 120/48V直流电压等级在商业场景应用的可行性。丹麦奥尔堡大学完成了1MW单极DC750工业园区和DC 230/48/24V住宅用电系统示范应用。芬兰拉彭兰塔理工大学能源研究中心开展了小规模直流系统故障检测和保护的研究。国内方面,国家发改委和能源局发布的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》已将直流输配电技术作为现代电网建设的重要发展方向。随着直流关键装备与技术的跨越式发展,未来直流配用电方式将逐步替代交流配用电方式,电网通过柔直变电站获取直流电源,用户内原有的交流设备可通过直流适配器用电,从而实现全直流配用电。国内目前针对直流配电停留在理论研究和实验室验证阶段,示范工程多处于规划、待建或扩建之中,且多集中在低压直流微网及高压直流输电领域。深圳宝龙工业城设计了柔性直流配电工程设计方案,采用双电源手拉手式的网络拓扑,使用电压源换流器(voltage source converter,VSC)换流器从2 个变电站的10kV母线侧吸纳功率,为直流系统提供能量支撑,满足直流系统供 电负荷的用电需求[6]。厦门大学的光伏建筑一体化直流微网工程,母线采用380V单极接线,给包括空调、充电站、阻性负荷、LED照明在内的直流负荷供电。张北构建的±500kV四端环形柔性直流示范工程,可大规模消纳及输送风电、光伏等可再生能源[7]。

综上所述,当前直流配用电研究概况可总结如下：1）缺乏对直流配电系统和直流用电系统的集成;2）缺乏对用电侧的考虑,包括用电需求、用电改造、用电习惯、供需互动机制等;3）系统电压等级单一,且主要集中在低压层面;4）缺乏对直流配用电系统本质特征的描述;5）缺乏对直流配用电各个关键技术全方位的评述及展望。因此,本文将从电压等级序列及供用电模式、直流配用电系统接线及接地方式、直流配用电系统关键装备、系统运行控制、系统保护和示范应用6个方面对直流配用电进行详细的阐述,并对未来重点研究方向进行总结。

目前对直流配电系统和用电系统集成研究鲜有报道,研究主要单独针对直流配电领域。一种观点是从电网角度出发,构建直流配网,向上为直流输电向配电的发展提供配电接口,两者通过直流变压器相连而无需交流电网的过渡;同时,向下为大容量充电桩、光伏电站以及直流微电网提供并网接口[8]。另一种观点是从用电角度出发,为满足直流负荷不同电压等级接入以及供电质量、供电可靠性的需求,构建直流配电网,同时满足分布式电源富裕电力灵活上网的需求。直流配用电系统,相对于直流输电和直流微网而言,既包含了配电网络架构的特点,又突出与用电的结合,因此应该是上述两种观点的整合。

在配电网侧,需根据源荷接入需求、系统容量、供电半径、保护配置的难易程度等原则,结合现有的序列标准,选择合理的电压等级。为突出配电网的架构,以及大型充电站、光伏电站、数据中心等直接接入需求,其电压等级应至少大于或等于两个,包含一个中压等级和至少一个低压等级。若区域供电负荷较小、且供电距离短,则也可选择至少2个低压等级作为构成低压配电网的电压基准。CIGRE国际大电网委员会于2015年7月成立了SC6.31《直流配电可行性研究》专题小组来研究和推广中压直流配电网技术,各国专家初步认为直流配电的电压等级范围在1.5kV到100kV之间比较合理,对于中压等级的优选值及低压等级未作指示。国内由中国科学院电工所、中国电科院、国网经研院共同起草并发布的国标GB/T 35727-2017《中低压直流配电电压导则》,导则中规定了直流配电系统电压等级的确定应坚持简化电压等级、减少变压层次、优化网络结构的原则。并将3000(±1500)V~±50kV划定为中压范围,将110V~1500(±750)V划定为低压范围。在中压等级中,选取±35/±10/±3/3 (±1.5)kV为优选序列;在低压等级中,选取1500 (±750)/750(±375)/220(±110)V为优选序列。在电压等级配置中可遵循“舍二求三”的原则,即各相邻电压等级间的倍数应接近或超过3,而不应小于2。除此之外,还应考虑与现有交流系统的匹配性、分布式电站接入灵活性、各类负荷用电便捷性等原则。如±10kV与现有交流配电中10kV、20kV相匹配,而±1.5kV为大多数工业直流负载的电压等级。在低压等级中,±750V是一些地区地铁牵引用电以及一些工业负荷用电的等级;而±110V是我国空调、变频洗衣机等居民用电电压等级,且与220V交流电压相匹配。此外,由中国电科院、华北电力大学、中国科学院电工所等单位牵头起草并发布的中电联标准T/CEC 107-2016《直流配电电压》,考虑到便于与交流110kV、220kV互联,将直流配电最高电压等级由国标的±50kV提高到±100kV。低压等级中考虑到与380V交流相匹配和国内外大量工程经验,将国标低压优选序列中的±375V改为±380V更具优势。

在用电侧,国内外没有统一的电压等级序列标准,实际实施中主要从用电设备的能效、用电安全和器件耐压水平等方面,结合直流配电等级序列中的标准来选取一个合理的范围。当前国内外直流用电领域包括电动汽车、多电飞机、轨道交通、全电舰船、信息通讯、住宅用电、数据中心等,各领域用电电压等级如图1所示。

图1 典型直流用电电压 Fig. 1 Typical DC utilization voltage

直流配用电系统的网架拓扑结构及接线方式与应用场景密切相关。当前直流配用电应用场景主要分为：1）专有直流配用电;2）直流配用电网络;3）民用直流配用电。其中专有直流配用电场景应用较为成熟,包含轨道交通、直流照明、数据中心和工业优质供电等。对于专有直流配用电应用场景,可靠性是其架构及接线方式考虑的首要问题,文献[9]阐述了一种城市地铁中压直流牵引网络拓扑结构,与交流系统“手拉手”结构类似,与交流系统不一样的是直流系统中可通过变流器的限幅控制环节来抑制故障电流,因此一般为闭环设计、闭环运行。数据中心应用场景中其负荷主要为服务器、计算机等IT设备[10],考虑到用户对可靠性及电压骤降等电能质量问题较为敏感,按照高冗余性的原则,应采用双端供电的模式,同时配置不间断电源及电能质量治理装置,保证敏感负荷的不间断供电及高供电质量。

直流配用电网络应用场景目前由于设备实用化程度低的瓶颈主要处在示范工程阶段,采用交流变电站进行直流变换并向低压供电系统延伸,汇集各种发电单元及各类负荷,直流配网与交流配网柔性互联,且互为支撑。对于已建成的交流配网络部分,可通过对柔直变电站改造、交流线路更换或降压运行、变压器更换等方案,以实现交流网到全直流网的过渡。文献[11]详细介绍了3种最常见的直流配电网网络拓扑结构,包括单端放射状拓扑结构、两端手拉手拓扑结构和多端环型拓扑结构。单端辐射状拓扑简单、技术易实施、投资成本低,是目前低压等级中常用的结构;多端环形结构供电可靠性高、供电范围广、集结各类型发载单元能力强,但投资大且技术实施难度大;两端手拉手各项指标位于单端辐射和多端环形结构之间,兼顾了简单性与可靠性,在中压等级的应用中逐渐获得更多青睐。文献[12]介绍了一种“花瓣型”网络,如图2所示,内部多电源可合环运行,在电网结构和设备配置等方面均区别于传统配网结构,可有效提高系统供电可靠性。

图2 花瓣型配电网络示意图 Fig. 2 Petal-shape distribution network schematic

民用住宅及公共建筑直流配用电应用场景目前处在功能探索的阶段,是未来直流应用的发展方向。考虑到当前用户用电习惯和改造的费用问题,可采用交直流混合供电的方式,如图3所示,直流主干网络通过直流变压器接入民用小区,小区低压交/直流用电进户,用户根据各自用电习惯及设备特性,为户内空调、电视、冰箱、洗衣机、照明等直流家用电器和交流设备选择供电模式,最大限度满足用户用电的便捷性。

此外,对于工业负荷和市政负荷可进行一定程度改造改为直流供电。工业负荷如制冷设备、水泵等,不改变原有压缩机及管道布线,仅增加变频器实现直流供电。市政负荷如公交充电站可通过改造原有充电桩的充电模块,省去AC/DC环节采用低压直流直供。当然,若进一步考虑供电可靠性,还可采用交直流混供的模式。

目前直流配电网主要包含3种接线方式[13],分

图3 居民交直流混合供电示意图 Fig. 3 Residential AC and DC hybrid power supply

别为非对称单极接线、对称单极接线(伪双极)和双极接线,如图4所示。

图4 直流配电系统接线方式 Fig. 4 Connection types of DC distribution system

其中非对称单极方式简单、投资少,其接线需要利用大地或金属线构成闭合回路,常用在轨道交通领域,在电力系统中并不常见。双极接线方式可靠性高、运行方式灵活,但成本较高,双极方式可通过换流器的级联形成金属回线或大地回线。考虑到直流配电网电压等级及容量较低,且多采用双端或多端的拓扑结构,其本身具备较高的可靠性,因此对称单极接线方式从成本、性能、电压等级等方面其综合性价比最高,目前也是应用于直流配电领域最广泛的一种接线方式。下面就对称单极接线的直流配用电系统接地方式进行总结分析。

直流配用电系统接地方式包含中压配电网接地和低压用电侧的接地,两者侧重点不一样,中压层面接地方式的选取主要为了提高系统运行性能,而低压用电侧接地方式的选取主要保障人生安全。低压用电系统一般可采用中性点经电阻接地的方式,电阻可由电压除以人体能感知的电流得到。

在中压层面,接地系统将为整个系统提供参考电压,同时对零序入地电流的大小、提升系统稳态及暂态稳定性以及故障后恢复速度具有重要的意义。目前,直流系统中对直流输电的接地方式研究较充分,直流配用电系统可一定程度借鉴直流输电系统的接地方式,但在设计时更多的应当考虑自身特点。相比较于直流输电系统,直流配电系统多采用对称单级(伪双极)的接线形式,其接地方式更加灵活多变,交直流系统互联方式、换流器的选取、不同拓扑结构等因素均能影响系统的接地方式。直流配用电系统接地的选取主要包含交流侧滤波器的接地方式和直流侧的接地方式。针对对称单级接线形式的直流配电系统可选取的接地方式如表1。

表4中,交流侧分为直接接地、经电阻接地和不接地3种形式,直流侧根据根据两电平、多电平的选取,其接线方式有所不同。对于两电平/三电平换流器,可分为电容中点接地和经电阻接地2种方式,模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)由于不存在直流电容,需构建接地点,分为不接地、电容中点接地、箝拉电阻接地3种接地方式。因此根据交流侧接地方式和换流站是两电平/三电平还是多电平,可组合成15种中压系统的接地方式。考虑到交直流互联系统应至少包含一个接地点作为电位参考点,因此接地方式Cc为无效的方案,其余14种均为有效接地方式。

一些文献主要从限制故障电流、维持级间电压和故障恢复速度等暂态指标入手对上述各接地方式进行分析。文献[14]基于两电平换流器建立四端

表1 系统接地方式 Tab. 1 System grounding mode

直流配电系统,通过对比分析得到交流侧直接接地对零序谐波电流的滤除有较好的效率。文献[15]分析了电压源换流器电容中点接地方式对直流配电系统的影响,结果表明直流侧经高阻接地在故障后电压恢复速度上要优于直接接地的方式。中电联标准T/CEC 167-2018《直流配电网与交流配电网互联技术要求》中对互联系统的接地要求进行了规范,指出当换流器采用两电平/三电平时,宜直接将直流电容中点接地,当采用MMC时,直流侧可经箝位电阻接地。但标准中并未给出该选择对系统暂态性能的影响。文献[16]分别对两电平直流配电系统和MMC直流系统进行仿真分析,结果表明交流侧若经电阻接地可有效增大系统零序阻抗,达到限制故障电流、保持级间电压可控性的作用,直流侧MMC经箝位电阻接地或不接地、VSC经电阻接地可有效加快故障恢复速度。综上所述,对于交流存在接地点的直流配电系统,可选择方案Ab、Ac、Ae、Bb、Bc、Be;对于交流不接地的直流配电系统,可选择Cb、Ce作为接地方案。未来还有待针对给定系统的具体参数展开定量分析,根据系统暂、稳态运行指标的综合评估结果选取最佳接地方案及接地参数配置。

直流配用电系统相比较交流系统,虽然省去了分布式电源和直流负荷接入所需要的换流环节,但直流电网须通过电力电子设备实现不同电网之间以及直流电网内部各环节之间的电压匹配和能量交互,文献[17]研究了电力电子设备对直流配电网的可靠性影响,结果表明设备级冗余比器件级冗余更有有效的提高系统的可靠性。目前包含直流变压器、直流断路器、故障限流器的关键装备研发工作主要集中在低压小功率应用,在直流配电领域尤其是中压层面的实用化程度普遍偏低,是限制直流配用电系统应用的关键瓶颈。文献[18]基于手拉手网络拓扑结构,对交流配电网和直流配电网的可靠性进行了比较,结果表明现阶段直流系统可靠性要低于交流系统,但随着未来直流断路器、直流变压器、直流故障限流器等关键设备技术发展和实用化的提高,直流配电网的可靠性将接近甚至优于交流配电网。文献[19]对直流配电系统对可再生能源的接纳能力进行了量化评估,结果表明直流网络的阻抗、交流电网短路容量以及换流器容量决定着直流配电系统接纳可再生能源能力的关键因素。

和交流系统相比,当直流线路发生接地故障时,交流侧将对短路点馈入短路电流,流过电力电子器件的电流将在瞬间抬高,容易使过载能力低的电压源换流器等电力电子装备瞬间闭锁。因此保护隔离装置对直流系统的应用至关重要,在众多保护隔离装置中,直流断路器是当前应用及未来发展的趋势。不同的应用场景,其技术需求差异较大,可大致分为3类[20-22]：1）基于常规开关的传统机械式断路器;2）基于纯电力电子器件的固态断路器;3）基于两者结合的混合式断路器。目前在直流配用电领域,中压大容量直流断路器是国内外研发的热点,具体情况见表2。

高频隔离型DC/DC变换器在低压小容量领域已经得到比较广泛的应用,在中压大容量领域处于样机研发的阶段,尚无实际的工程应用,其拓扑、控制、保护和电力电子装置等尚无完善的方案。目前针对直流变压器的研究主要有3种主电路拓扑：

表2 中压大容量直流断路器研发对比 Tab. 2 Medium voltage large capacity DC circuit breaker R & D comparison

1）双向半桥;2）串联谐振变换器;3）双主动全桥(dual active bridge,DAB),文献[23]对3种主电路拓扑进行比对研究,结果表明DAB是最适合构成直流变压器的子模块拓扑,也是当前学术界和工业界研究重点。国内外中压直流变压器研发情况对比如表3所示。

表3 中压直流变压器国内外机构研究对比 Tab. 3 Medium voltage DC transformer comparison between domestic and foreign institution

目前,常用的限流技术主要包括限流熔断器和限流电抗器的传统限流技术、超导限流技术、基于电力电子的固态限流技术,大部分都是基于交流系统的过零或者工频谐振特性。对于直流系统而言,目前基于电力电子的固态限流技术是研究的热点。文献[24]提出一种采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件的直流系统故障限流方法,并完成了限流室验。文献[25]基于电感通低频、阻高频的特性,设计了一种电感式固态限流器,试验结果表明在交流系统单项和三相故障下,均能限制直流电流的幅值,可减小高压直流输电换相失败的概率。文献[26]提出一种可应用于直流输配电领域的固态限流器拓扑结构,该结构采用两个并联的IGBT与耦合电抗器在其同名端与异名端串联。而在直流限流器的研制方面,西安交通大学基于液态金属限流器技术研制出了实验室原理样机。南方电网网公司依托863项目研制出200kW超导限流器工程样机,并在南澳柔直示范工程中成功挂网试验运行,在国内外处于领先地位,为直流限流器的进一步应用打下了坚实的基础。

在直流配用电系统中,可通过DC/AC换流站与交流配网连接,实现有功与无功交互功率在四象限的瞬时控制。虽然传统的电压源型变换器应用广泛,但存在均压、电磁兼容、开关损耗等缺点。随着电力电子技术的发展,多电平变换器具有可扩展的模块化结构、普适的工程应用等特点,是当前中高压系统应用的主流。MMC换流器目前虽然技术成熟,但小型化、紧凑化仍是未来有待突破的地方。

直流配用电系统中在用电侧,包含多种用电负荷,以民宅家用场景为例,除了冰箱、空调、洗衣机等大功率家用电器可直接从直流变压器出口引线供电外,包括电脑、照明、机顶盒、手机、风扇、电视机、油烟机等负荷需要配置适配器对用电电压进行转换。目前多端口直流适配器的研究尚属于空白,包含58V V/12V/24V/4在内的多端口结构电压自适应调节的直流适配器将是未来发展民用直流场景的关键设备。

与交流系统相比,直流母线电压是衡量系统内功率平衡的唯一指标,在运行控制中只需控制母线电压在合理范围即可,没有交流系统中频率、无功等问题。但是直流配电与交流系统依靠电力电子连接,以及直流系统内部多换流器并网的特点,系统表现出惯性低、弱阻尼的特征,其稳定控制的难度要大于交流系统。

目前针对直流系统的控制研究,主要集中在高压直流输电和低压直流微网中,尚没有成熟的直流配电网的控制策略。系统并网运行时相关的控制策略参考了高压直流输电中换流站的电压控制方法,在建模仿真中大多对换流站进行详细建模,交流系统采用戴维南简化模型,这样既可分析换流站模块级的暂稳态过程,又能对交流系统互联处的基波潮流变化进行准确分析。在多端直流配电系统中,文献[27]将一端换流站采用定电压控制策略,维持直流母线电压稳定,其余多端采用定功率控制策略,与交流系统进行有功、无功功率在四象限的瞬时交互。文献[28]采用下垂控制策略,各换流站共同承担直流电压的控制。文献[29]提出一种适用于直流配电网的电压控制策略,主站采用定电压控制,从站采用功率环限幅的P-U-I控制策略,当系统运行模式发生变化、主站退出运行时,从站自主切换为定电压控制,一定程度维持系统稳定运行。

当直流系统离网运行时,需要通过系统内部各单元协调控制来维持系统的稳定,可借鉴直流微网中的协调控制方法。文献[30]提出一种包含光伏、储能和网侧变换器在内的多模式协调运行控制策略,以母线电压值划分区间进行模式切换。文献[31]提出了一种基于补偿虚拟阻抗的改进下垂控制策略,可实现各单元的功率分配,改善母线电压的动态特性。文献[32]基于母线电压信息建立系统各单元切换判据实现系统离并网运行的统一控制和无缝切换,并基于各单元容量和母线电压浮动范围设计下垂系数。在建模仿真中同样采用混合建模的方法,在研究中压系统控制策略和暂态特性时,对直流变压器进行小时间尺度电磁暂态建模,而对低压系统进行戴维南等值,在进行低压区域(微电网)控制策略和暂态特性研究时,对中压系统进行戴维南等值。

不同于高压直流输电和低压直流微电网,中低压直流配用电系统将存在多个电压等级,系统内除包含独立并网的分布式电源外,还可能包含直流微电网,将使系统表现出多层级。多层级的控制架构可扩展性差,不利于系统内大量电力电子设备实现即插即用以及快速控制的需求。因此,扁平化、易拓展的灵活控制架构是未来直流配用电系统的应用趋势,将上层系统部分决策功能下放到终端设备里可有效提高控制系统的简易化和实用化。在就地侧,基于下垂的分散自律控制将是直流配用电系统的一种重要控制方式,多个换流器在共同承担电压控制时,由于动态性能的差异将引起环流甚至功率震荡,加上直流配用电系统低惯性、弱阻尼的特性,因此稳定性分析是该种控制方式必须研究的问题。

目前,直流系统稳定性分析主要集中在低压直流微电网和高压直流输电领域,且大多研究针对系统小扰动稳定性进行分析,通过建立小信号模型,利用阻抗比判据进行分析,分析结果指导系统关键参数的合理选取。在直流配电领域,文献[33]提出直流配电网及各元件的小干扰等效阻抗计算方法,进而推导系统小干扰稳定分析计算模型,基于根轨迹法对直流配电网的小干扰稳定性及其影响因素进行了逐端分析。文献[34]提出基于阻抗匹配的交直流混联配电系统稳定性分析方法,通过建立柔性互联装置、光伏以及恒功率负载单元的状态空间小信号数学模型,对系统小干扰稳定性进行分析。上述分析方法只能在某一个工作点领域内进行稳定性分析,且随着直流配用电系统规模的增加,现有方法难以达到计算量和精度的平衡。因此对于直流配用电系统包括小干扰和大干扰在内的稳定性计算模型是亟待研究的问题。

保护技术作为电力系统三道防线中的第一道防线,是保证直流配用电系统高效可靠运行、促进直流配用电系统发展应用的关键技术之一。与交流系统一样,根据保护对象的不同,可以把直流配用电系统划分成不同的保护区域。按照被保护对象的功能、所处的电气间隔,本着利于保护的配置以及相似区间,保护分区尽量具有可复制性以及保护区间无死区的原则。文献[35]将直流配电系统的保护区域分为了交流电源侧保护、变换器保护、直流网络保护和负载保护,并对4个分区的配置原则进行了阐述,但未针对实际案例进行具体配置。目前直流配用电系统缺乏成熟、经济的保护装置及实践运行经验和标准,仍处于理论研究的初级阶段。直流配用电系统保护技术的难点主要有：1）故障特性分析及快速识别,2）兼顾实用性、经济性与可靠性的保护装置研发,3）适用于中低压直流配用电系统特点的系统保护整体方案。

直流系统故障的快速及可靠识别是配置正确有效保护策略的基本前提。与交流系统相比,直流系统由于弱阻尼、低惯性的特征,其故障特征量变化更快,且故障的暂态特性与直流配用电系统灵活多变的拓扑结构关联,使得直流配用电系统在故障识别的精度及难度要高于交流系统。文献[36]基于直流系统并联电容及滤波器等边界条件,进而设置一定频段的谐波电流达到识别保护区内及区外的故障,该方法动作时间较长且远大于柔性直流系统对保护动作的时间,CIGRE JWG A3/B4.34中规定了高压直流输电系统中发生故障后,系统需在3ms内对故障进行隔离,在中低压直流配电领域,目前没有相关标准,根据系统电压等级、容量以及电力电子设备过电流、过热能力,普遍认为故障隔离时间在5ms-8ms较为合理。文献[37]为克服差动保护易受线路电容影响的问题,提出了一种运用电容参数识别的改进差动保护方法,该方法在多端系统中存在电容无法准确识别的弊端。文献[38]基于电压微分、电压小波系数和电流多电气量进行故障判断,该方法中相邻保护区域边界较模糊,有待进一步区分。文献[39]利用直流电抗器压降判据作为保护的方向元件,通过小波包提取故障暂态信息的高频分量,基于对高频分量分析对故障进行快速可靠的识别,最后并未对该方法的普适性进行分析。直流配用单系统基于电力电子变换装置具备多重运行状态的特征,其故障机理复杂且故障特征提取精度要求很高,因此基于某一种故障信息较难快速、准确的进行故障识别,未来基于多特征量以及网络化多点信息进行综合判断将是研究的趋势。

在保护装置中,直流断路器结合快速通信普遍被认为是未来直流配电系统保护的发展方向。但直流系统故障时故障电流上升速度快,换流装置过流能力差、且不具备故障穿越能力,因此极容易造成闭锁,这就要求直流断路器在几ms内完成分断任务、且短时间内完成大量的系统储能吸收耗散。另一方面,直流电流无过零点且灭弧困难,需要更大的灭弧空间和复杂的控制,给直流断路器的研制增加了难度。当前,直流断路器在低压和中压领域已有可应用场景,但受限于容量和昂贵的价格,仍是未来研发的重点。与应用大容量直流断路器互补的方法是应用小容量直流断路器与限流装置相结合,可一定程度缓解大容量直流断路器的研发压力。在限流装置中,除3.3节中列举的限流装置外,研发具备故障穿越能力的换流器也是一种全新的路线,文献[40-41]针对现有半桥型MMC难以应对直流故障,阻断型MMC直流故障时需要闭锁换流器的缺陷提出了一种无闭锁技术,该技术可实现系统故障下不间断运行,以及降直流电压运行和高、低阀串联结构阀组的在线投退。

在系统保护整体方案方面,虽一定程度可借鉴高压直流输电系统以及直流专用系统如地铁、舰船,但是直流配用电系统自身多电压等级、复杂拓扑结构、多类型分布式电源及负荷接入的特点,其配置又具有独特性。在配电侧,文献[42]将直流保护与电力电子变换器进行集成,提出一种基于电力电子技术的主动保护方案,基于变换器拓扑结构及运行模式,器件控制与保护动作逻辑协调配合,实现快速保护和故障隔离,但该文仅对低压直流系统的终端保护展开了研究。文献[43]提出一种双端直配电系统的线路保护方案,该方法基于故障区域内与区域外差动电流频段的特性给出了保护动作判据及流程。文献[44]基于IEC 61850 提出了多端直流配电系统保护方案,利用直流断路器配合继电器快速检测并隔离故障。这些研究仍然是多端直流输电系统相关研究的延续,系统保护构架和方案未能充分适应和体现“配用电”点多、面广和“直流”经济、灵活的特点,且存在系统级保护和设备级保护配置冗余的问题。而在用电侧,基于磁调制的漏电流检测及用电系统漏电保护方案是目前研究的热点[45]。未来针对多电压等级直流配用电系统级和设备级保护整体优化配置方案将是直流配用电系统保护技术的重点研究方向。

目前直流系统示范工程的开展主要集中在高压直流输电、低压直流微电网以及专有直流配电场景如地铁、舰船等。中低压直流配用电系统和多端直流输电相比,其更关注直流入户的实现,将存在多级变电和供电质量等问题。和低压直流微电网相比,其更关注主干网架的构建以及与交流系统的交互,拓扑结构复杂多变。因此,从工程实实践的角度来讲,其实现的难度要远大于多端直流输电和低压直流微电网。中低压直流配电系统和如地铁、舰船、通信系统等专有直流配用电系统相比,虽都具备直流配电特性、且均表现出电力电子化电力系统的特征,但这些专有配电系统规模和配电容量较小、供电对象单一、且对新能源分布式电源和储能的汇集能力不足,因此直流配用电系统工程上的功能需求更广。国外具有代表性、可借鉴性的直流配电示范工程是德国亚琛工业大学校园±5kV直流配电示范工程,工程采用两端供电真双极接线的拓扑结构,用于满足包括直流负载和交流负载在内的用电需求,但未见分布式电源接入的报道。国内方面,在低压直流领域代表性示范工程有绍兴上虞交直流示范工程和安徽金寨金梧桐创业园示范工程。两个项目旨在解决分布式能源高密度接入和直流侧就地高效消纳问题,为工业直流用户在新能源高效利用、工业投资设备节能降耗方面提供全新的方案。在中压层面建成或规划、待建的典型代表有深圳宝龙工业城示范工程、珠海唐家湾科技园示范工程、杭州大江东新城示范工程、贵州电网示范工程、苏州工业园示范工程等。深圳宝龙工业城工程采用两端手拉手的拓扑结构,电压等级包括±10kV、400V,采用伪双极的主接线形式,示范工程旨在 解决深圳电网面临的提高供电可靠性、分布式电 源灵活接入、电能质量治理等问题提供有效技术方案[44]。珠海唐家湾科技园采用三端背靠背的拓扑结构,三端可实现实时功率支援,电压等级包括±10kV、375V,采用伪双极的主接线形式,示范工程旨在实现园区内储能、新能源和电动汽车等多元素稳定高效运行,并通过逆变器向低压交流负荷供电。大江东新城工程同样采用了三端背靠背的拓扑结构,电压等级±750V,示范工程旨在解决江东地区实际所存在的不同压差和不同角差母线互连运行的问题,同时还能实现各种新型设备的试验和应用,验证新型直流配电网的运行、协调控制、故障处理和系统恢复策略。贵州电网工程采用三端环状的拓扑结构,电压等级包括±10kV、±375V,中低压系统均采用伪双极的接线方式,示范工程旨在实现交直流负荷和分布式电源的灵活接入、交直流多微网间的协同控制,提高系统供电的稳定性和可靠性[45]。苏州工业园采用双端拓扑结构,电压等级包括±10kV、±375V,中低压系统分别为伪双极和真双极的接线方式,示范工程旨在提升配电网的供电水平、提升新能源消纳水平、实现节能降耗、实现对负荷的精准控制。

随着直流负荷和分布式电源高密度接入需求的日益增长,未来示范工程在构建灵活的直流主干网络以便于分布式电源大量接入的同时,将集成 高效可靠的用电系统,满足负载的定制化供电,同时完成中低压直流断路器、直流计量、直流传感 器、直流充电桩、直流电器等关键设备的进一步实用化。

基于换流站的高压直流输电技术的迅速发展一定程度激励了柔性直流往配电侧的延伸。到2050年非水可再生能源占比将达到43%,在负荷侧广义直流负荷占比将达到70%,电网在满足两者灵活接入需求的同时,源、荷之间通过网络供需互动的需求也逐渐增强。直流配用电技术通过柔性快速组网有效集成大规模、多类型分布式电源及负荷,通过灵活、敏捷的分散调控可开展供需侧灵活互动。包含规划技术、关键装置、控制技术、保护技术在内的直流配用电系统理论研究与示范将是未来的研究热点。

1）直流配用电系统规划及评估技术。拓扑结构、接线方式以及系统一、二侧参数的选取将指导关键设备的选型及定容、系统运行控制策略及保护配置方案,目前尚缺乏系统性规划方法和可量化评估手段。开展兼顾供电及设备多方需求的电压等级序列选取方法和供用电模式分析、开发系统整体规划方案和规划评估软件将是未来研究直流配用电技术的重要前提。

2）直流配用电系统关键设备研发。中压关键设备包括体积、成本、效率和可靠性在内的实用化程度偏低,是限制直流配用电应用的关键瓶颈。研制MW级快速开断的直流断路器、高速高分辨率传感器、带故障穿越功能的MW级直流变压器、直流用电高效高功率密度电能适配器或路由器等将是未来提高直流配用电系统整体运行效率、鲁棒性和经济性的重要保障。

3）直流配用电系统优化运行控制技术。直流配用电系统具备多电压等级的特点,且多个低压微电网、大型光伏电站、可控负荷有可能共存于同一电压等级,系统将呈现出多层级的控制架构,与系统内各电力电子设备ms级的敏捷控制相钳制。开展扁平化和易扩展的分层分散控制、多换流器自适应无扰并网控制、供需侧灵活交互控制等研究将是未来提升直流配用电系统性能、大规模分布式电源和广义直流负荷集成能力的重要手段。

4）直流配用电系统保护技术。直流配用电系统多运行模式下故障机理复杂、且对故障特征提取的速度和精度要求较高。除了研制高性能、实用化直流断路器、限流器等关键设备外,开展快速故障检测和网络化多点通信、一二次设备融合、系统级与设备级协同保护优化方案等研究是未来改善直流配用电系统可靠性的关键技术。

(编辑 邱丽萍)

[1] 雍静,徐欣,曾礼强,等.低压直流供电系统研究综述[J].中国电机工程学报,2013,33(7):42-52. Yong Jing,Xu Xin,Zeng Liqiang,et al.A review of low voltage DC power distribution system[J].Proceedings of the CSEE,2013,33(7):42-52(in Chinese).

[2] 宋强,赵彪,刘文华,等.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报,2013,33(25):9-19. Song Qiang,Zhao Biao,Liu Wenhua,et al.An overview of research on smart DC distribution power network[J].Proceedings of the CSEE,2013,33(25):9-19(in Chinese).

[3] 江道灼,郑欢.直流配电网研究现状与展望[J].电力系统自动化,2012,36(8):98-104. Jiang Daozhuo,Zheng Huan.Research status and developing prospect of DC distribution network[J].Automation of Electric Power Systems,2012,36(8):98-104(in Chinese).

[4] Boroyevich D,Cvetković I,Dong Dong,et al.Future electronic power distribution systems-A contemplative view[C]//Proceedings of the 12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment.,Brasov,Romania:IEEE,2010:1369-1380.

[5] Stieneker M,Butz J,Rabiee S,et al.Medium-voltage DC research grid Aachen[C]//Proceedings of International ETG Congress Die,Energiewende-Blueprints for the New Energy Age.Bonn,Germany:VDE,2015:1-7.

[6] 刘国伟,赵宇明,袁志昌,等.深圳柔性直流配电示范工程技术方案研究[J].南方电网技术,2016,10(4):1-7. Liu Guowei,Zhao Yuming,Yuan Zhichang,et al.Study on demonstration project technical scheme of VSC-DC distribution system in Shenzhen[J].Southern Power System Technology,2016,10(4):1-7(in Chinese).

[7] 韩亮,白小会,陈波,等.张北±500kV柔性直流电网换流站控制保护系统设计[J].电力建设,2017,38(3):42-47. Han Liang,Bai Xiaohui,Chen Bo,et al.Control and protection system design of Zhangbei ±500kV converter station in VSC-HVDC power grid[J].Electric Power Construction,2017,38(3):42-47(in Chinese).

[8] 刘国伟,赵彪,赵宇明,等.中压柔性直流配电技术在深圳电网的应用框架[J].南方电网技术,2015,9(9):1-10. Liu Guowei,Zhao Biao,Zhao Yuming,et al.Application framework of VSC medium-voltage DC distribution technology in Shenzhen power grid[J].Southern Power System Technology,2015,9(9):1-10(in Chinese).

[9] 周捷,宋云翔,徐劲松,等.直流牵引供电系统的微机保护测控探讨[J].电网技术,2002,26(12):57-60. Zhou Jie,Song Yunxiang,Xu Jinsong,et al.Discussion on measurement and control of computer based protective relaying for DC traction power supply systems[J].Power System Technology,2002,26(12):57-60(in Chinese).

[10] 孟明,卢玉舟,陈世超.绿色数据中心直流供电系统的运行控制[J].电力建设,2016,37(10):33-40. Meng Ming,Lu Yuzhou,Chen Shichao.Operation control of DC power supply system in green data center[J].Electric Power Construction,2016,37(10):33-40(in Chinese).

[11] 盛万兴,李蕊,李跃,等.直流配电电压等级序列与典型网络架构初探[J].中国电机工程学报,2016,36(13):3391-3403. Sheng Wanxing,Li Rui,Li Yue,et al.A preliminary study on voltage level sequence and typical network architecture of direct current distribution network[J].Proceedings of the CSEE,2016,36(13):3391-3403(in Chinese).

[12] 华煌圣,刘育权,张君泉,等.基于配电管理系统的“花瓣”型配电网供电恢复控制策略[J].电力系统自动化,2016,40(1):102-107. Hua Huangsheng,Liu Yuquan,Zhang Junquan,et al.Recovery control scheme for petal-shape distribution network based on distribution management system[J].Automation of Electric Power Systems,2016,40(1):102-107(in Chinese).

[13] 马钊,焦在滨,李蕊.直流配电网络架构与关键技术[J].电网技术,2017,41(10):3348-3357. Ma Zhao,Jiao Zaibin,Li Rui.Network structures and key technologies of DC distribution system[J].Power System Technology,2017,41(10):3348-3357(in Chinese).

[14] 吴峻,武迪,朱金大,等.多端柔性直流配电网接地方式设计[J].中国电机工程学报,2017,37(9):2551-2560. Wu Jun,Wu Di,Zhu Jinda,et al.Grounding method design of multi-terminal flexible DC distribution[J].Proceedings of the CSEE,2017,37(9):2551-2560(in Chinese).

[15] 鲁国正,高亮,梁智敏.电压源换流器接地方式对直流配电系统的影响[J].电力系统保护与控制,2016,44(12):75-80. Lu Guozheng,Gao Liang,Liang Zhimin.Influence of voltage source converter grounding mode on DC distribution system[J].Power System Protection and Control,2016,44(12):75-80(in Chinese).

[16] 李蕊,罗飞,焦在滨.中压直流配电系统接地方式研究[J].电网技术,2018,42(8):2594-2603. Li Rui,Luo Fei,Jiao Zaibin.Grounding mode research of MV DC distribution system[J].Power System Technology,2018,42(8):2594-2603(in Chinese).

[17] 史清芳,徐习东,赵宇明.电力电子设备对直流配电网可靠性影响[J].电网技术,2016,40(3):725-732. Shi Qingfang,Xu Xidong,Zhao Yuming.Effects of power electronic devices on DC distribution reliability[J].Power System Technology,2016,40(3):725-732(in Chinese).

[18] 曾嘉思,徐习东,赵宇明.交直流配电网可靠性对比[J].电网技术,2014,38(9):2582-2589. Zeng Jiasi,Xu Xidong,Zhao Yuming.Reliability comparison of AC and DC distribution network[J].Power System Technology,2014,38(9):2582-2589(in Chinese).

[19] 李岩,易越,李巍巍,等.直流配电系统对可再生能源的消纳能力分析[J].南方电网技术,2017,11(3):46-52. Li Yan,Yi Yue,Li Weiwei,et al.Analysis on ability of renewable energy consumption of DC distribution system[J].Southern Power System Technology,2017,11(3):46-52(in Chinese).

[20] 荣命哲,杨飞,吴翊,等.直流断路器电弧研究的新进展[J].电工技术学报,2014,29(1):1-9. Rong Mingzhe,Yang Fei,Wu Yi,et al.New developments in switching arc research in DC circuit breaker[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(1):1-9(in Chinese).

[21] 刘路辉,叶志浩,付立军,等.快速直流断路器研究现状与展望[J].中国电机工程学报,2017,37(4):966-977. Liu Luhui,Ye Zhihao,Fu Lijun,et al.Research & development status and prospects of fast DC circuit breakers[J].Proceedings of the CSEE,2017,37(4):966-977(in Chinese).

[22] 周万迪,魏晓光,高冲,等.基于晶闸管的混合型无弧高压直流断路器[J].中国电机工程学报,2014,34(18):2990-2996. Zhou Wandi,Wei Xiaoguang,Gao Chong,et al.Thyristor based hybrid arc-less high voltage direct current circuit breaker[J].Proceedings of the CSEE,2014,34(18):2990-2996(in Chinese).

[23] Mohammadpour A,Parsa L,Todorovic M H,et al.Series-input parallel-output modular-phase DC-DC converter with soft-switching and high-frequency isolation[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2016,31(1):111-119.

[24] 王晨,庄劲武,张晓锋,等.基于IGBT的新型直流电力系统限流装置的工作原理与实验研究[J].电工技术学报,2006,21(9):57-61. Wang Chen,Zhuang Jinwu,Zhang Xiaofeng,et al.Principle and test of a novel fault current limiter based on IGBT for DC power system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2006,21(9):57-61(in Chinese).

[25] 李春华,赵成勇,刘羽超,等.一种新型HVDC直流限流器拓扑设计与分析[J].电网技术,2015,39(7):1819-1824. Li Chunhua,Zhao Chengyong,Liu Yuchao,et al.Analysis and design of topological structure for a new HVDC current limiter[J].Power System Technology,2015,39(7):1819-1824(in Chinese).

[26] 官二勇,董新洲,冯腾.一种固态直流限流器拓扑结构[J].中国电机工程学报,2017,37(4):978-985. Guan Eryong,Dong Xinzhou,Feng Teng.A solid DC current limiter topology[J].Proceedings of the CSEE,2017,37(4):978-985(in Chinese).

[27] 汤广福. 基于电压源换流器的高压直流输电技术[M].北京:中国电力出版社,2010:118-120. Tang Guangfu.High voltage direct current transmission based on voltage sourced converter[M].Beijing:China Electric Power Press,2010:118-120(in Chinese).

[28] 罗永捷,李耀华,王平,等.多端柔性直流输电系统下垂控制P-V特性曲线时域分析[J].电工技术学报,2014,29(S1):408-415. Luo Yongjie,Li Yaohua,Wang Ping,et al.Time-domain analysis of P-V characteristic for droop control strategy of VSC-MTDC transmission system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(S1):408-415(in Chinese).

[29] 季一润,袁志昌,赵剑锋,等.一种适用于柔性直流配电网的电压控制策略[J].中国电机工程学报,2016,36(2):335-341. Ji Yirun,Yuan Zhichang,Zhao Jianfeng,et al.A suitable voltage control strategy for DC distribution power network[J].Proceedings of the CSEE,2016,36(2):335-341(in Chinese).

[30] 刘家赢,韩肖清,王磊,等.直流微电网运行控制策略[J].电网技术,2014,38(9):2356-2362. Liu Jiaying,Han Xiaoqing,Wang Lei,et al.Operation and control strategy of DC microgrid[J].Power System Technology,2014,38(9):2356-2362(in Chinese).

[31] 朱晓荣,谢志云,荆树志.直流微电网虚拟惯性控制及其稳定性分析[J].电网技术,2017,41(12):3884-3891. Zhu Xiaorong,Xie Zhiyun,Jing Shuzhi.Virtual inertia control and stability analysis of DC micro-grid[J].Power System Technology,2017,41(12):3884-3891(in Chinese).

[32] 王盼宝,王卫,孟妮娜,等.直流微电网离网与并网运行统一控制策略[J].中国电机工程学报,2015,35(17):4388-4396. Wang Panbao,Wang Wei,Meng Ni’na,et al.Unified control strategy of islanding and grid-connected operations for DC microgrid[J].Proceedings of the CSEE,2015,35(17):4388-4396(in Chinese).

[33] 金阳忻,徐习东.采用下垂控制的直流配电网小干扰稳定性分析[J].电力系统自动化,2016,40(14):78-85. Jin Yangxin,Xu Xidong.Small-signal stability analysis of DC distribution network adopting droop control[J].Automation of Electric Power Systems,2016,40(14):78-85(in Chinese).

[34] 张学,裴伟,邓卫,等.含恒功率负载的交直流混联配电系统稳定性分析[J].中国电机工程学报,2017,37(19):5572-5582. Zhang Xue,Pei Wei,Deng Wei,et al.Stability analysis of AC/DC hybrid distribution system with constant power loads[J].Proceedings of the CSEE,2017,37(19):5572-5582(in Chinese).

[35] 胡竞竞,徐习东,裘鹏,等.直流配电系统保护技术研究综述[J].电网技术,2014,38(4):844-852. Hu Jingjing,Xu Xidong,Qiu Peng,et al.A review of the protection methods in DC distribution system[J].Power System Technology,2014,38(4):844-852(in Chinese).

[36] Zheng Zheng,Tai Tai,Thorp J S,et al.A transient harmonic current protection scheme for HVDC transmission line[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2012,27(4):2278-2285.

[37] Jin X F,Song G B,Ma Z B.A novel pilot protection for VSC-HVDC transmission lines based on parameter identification[C]//Proceedings of the 12th IET International Conference on Developments in Power System Protection.Copenhagen,Denmark:IET,2014:1-6.

[38] De Kerf K,Srivastava K,Reza M,et al.Wavelet-based protection strategy for DC faults in multi-terminal VSC-HVDC system[J].IET Generation,Transmission & Distribution,2011,5(4):496-503.

[39] 李斌,何佳伟,李晔,等.基于边界特性的多端柔性直流配电系统单端量保护方案[J].中国电机工程学报,2016,36(21):5741-5749. Li Bin,He Jiawei,Li Ye,et al.Single-ended protection scheme based on boundary characteristic for the multi- terminal VSC-based DC distribution system[J].Proceedings of the CSEE,2016,36(21):5741-5749(in Chinese).

[40] 林卫星,文劲宇,刘伟增.架空柔性直流输电系统全桥模块比例设计与无闭锁控制[J].南方电网技术,2018,12(2):3-11. Lin Weixing,Wen Jinyu,Liu Weizeng.Full bridge sub-module proportion design and non-blocking control of overhead MMC-HVDC transimssion system[J].Southern Power System Technology,2018,12(2):3-11(in Chinese).

[41] 林卫星,张荣华,陈晶茹,等.无闭锁柔性直流输电系统样机实验研究[J].全球能源互联网,2018,1(1):56-64. Lin Weixing,Zhang Ronghua,Chen Jingru,et al.Experimental research of prototype MMC- uninterrupted[J].Journal of Global Energy Interconnection,2018,1(1):56-64(in Chinese).

[42] 吴鸣,刘海涛,陈文波,等.中低压直流配电系统的主动保护研究[J].中国电机工程学报,2016,36(4):891-899. Wu Ming,Liu Haitao,Chen Wenbo,et al.Research on active protection for MV/LV DC distribution system[J].Proceedings of the CSEE,2016,36(4):891-899(in Chinese).

[43] 贾科,李猛,毕天姝,等.柔性直流配电线路能量分布差动保护[J].电网技术,2017,41(9):3058-3065. Jia Ke,Li Meng,Bi Tianshu,et al.Energy distribution- based differential protection for VSC-DC distribution lines[J].Power System Technology,2017,41(9):3058-3065(in Chinese).

[44] Monti A,Colciago M,Conti P,et al.Integrated simulation of communication,protection,and power in MVDC system[C]//Proceedings of the 2009 IEEE Electric Ship Technologies Symposium.Baltimore,USA:IEEE,2009:353-359.

[45] 王尧,李奎,任伯飞,等.基于全相位傅里叶变换的磁调制交直流漏电电流检测方法[J].电工技术学报,2015,30(18):254-260. Wang Yao,Li Kui,Ren Bofei,et al.Study of fluxgate current detecting method for AC-DC earth leakage current based on apFFT[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2015,30(18):254-260(in Chinese).