摘要：交直流混合配電系統(tǒng)具備供電可靠性高、電能質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)、運(yùn)行控制高效、分布式電源及多元負(fù)荷靈活接入等特性，成為以電為核心的能源互聯(lián)網(wǎng)的物理基礎(chǔ)。在介紹交直流混合配電網(wǎng)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的主要應(yīng)用特點(diǎn)基礎(chǔ)上，分析了直流配電技術(shù)典型應(yīng)用場(chǎng)景及其主要技術(shù)特點(diǎn)。結(jié)合目前交直流混合配電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀及能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展要求，從規(guī)劃設(shè)計(jì)、關(guān)鍵設(shè)備、保護(hù)策略和運(yùn)行控制等方面提出交直流混合配電網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)需求及重點(diǎn)研究方向。相關(guān)研究成果對(duì)于構(gòu)建交直流混合配電網(wǎng)發(fā)展技術(shù)框架具有重要意義。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng);交直流混合配電網(wǎng);規(guī)劃設(shè)計(jì);典型供電模式

引言

伴隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和資源環(huán)境約束的矛盾日益突出，傳統(tǒng)以化石能源為主的能源供給和消費(fèi)方式已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，大力發(fā)展可再生能源替代化石能源、降低碳排放，實(shí)現(xiàn)“能源轉(zhuǎn)型”已經(jīng)成為共識(shí)[1-3]。

為適應(yīng)“能源轉(zhuǎn)型”發(fā)展需求，電力系統(tǒng)的物理形態(tài)呈現(xiàn)出如下變化趨勢(shì)：在電源側(cè)，傳統(tǒng)火力發(fā)電比例將逐漸減少，太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電比例將逐步提高;在負(fù)荷側(cè)，用能優(yōu)化及需求響應(yīng)的能力水平進(jìn)一步提升，柔性負(fù)荷和主動(dòng)負(fù)荷接入比例大幅增加;在電網(wǎng)側(cè)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)強(qiáng)，電源及負(fù)荷接入更加便捷，系統(tǒng)運(yùn)行控制更加靈活，未來(lái)電網(wǎng)將發(fā)展成為綜合多元能源、滿足供需互動(dòng)的多樣化平臺(tái)[4-6]。

伴隨能源轉(zhuǎn)型和電力系統(tǒng)物理形態(tài)變化，“能源互聯(lián)網(wǎng)”概念應(yīng)運(yùn)而生。能源互聯(lián)網(wǎng)是指以電力為核心，以智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以接入可再生能源為主，采用先進(jìn)信息和通信技術(shù)及電力電子技術(shù)，通過(guò)分布式動(dòng)態(tài)能量管理系統(tǒng)對(duì)分布式能源設(shè)備實(shí)施廣域優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)冷、熱、氣、水、電等多種能源互補(bǔ)，提高用能效率的智慧能源管控系統(tǒng)，是智能電網(wǎng)的豐富和發(fā)展[7]。中國(guó)的能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展按照技術(shù)成熟度，以分布式能源、微電網(wǎng)、需求側(cè)管理、儲(chǔ)能和提高能效為切入點(diǎn)，并采用先進(jìn)信息和通信技術(shù)，融合數(shù)字模型、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)、熱力網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)、交通網(wǎng)的智能互聯(lián)[8-10]。

為滿足能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求，配電網(wǎng)將成為可再生能源消納的支撐平臺(tái)、多元海量信息集成的數(shù)據(jù)平臺(tái)、多利益主體參與的交易平臺(tái)以及電氣化交通發(fā)展的支撐與服務(wù)平臺(tái)，承載著電力流、能量流、信息流的傳輸與交互。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步，為適應(yīng)能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展需求，直流配電技術(shù)憑借其輸送能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)已成為當(dāng)前能源互聯(lián)網(wǎng)背景下配電系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。在直流配電電壓等級(jí)方面已形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11-12]，主要規(guī)范現(xiàn)有直流配電電壓等級(jí)的優(yōu)選值和備選值。另外，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、接線方式、關(guān)鍵設(shè)備、運(yùn)行控制及保護(hù)等方面已開(kāi)展了相關(guān)的研究工作[13-15]。

隨著基于電力電子技術(shù)的柔性互聯(lián)項(xiàng)目在配電系統(tǒng)中各電壓等級(jí)的試點(diǎn)示范廣泛應(yīng)用，配電系統(tǒng)正在從傳統(tǒng)交流系統(tǒng)向交直流混合的智能柔性配電系統(tǒng)演化。柔性配電網(wǎng)絡(luò)有利于配電網(wǎng)滿足各類型分布式電源、儲(chǔ)能、柔性負(fù)荷的靈活接入和高效運(yùn)行。同時(shí)，柔性互聯(lián)也使得直流配電網(wǎng)更好地與交流配電網(wǎng)混合運(yùn)行，配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將從傳統(tǒng)放射型轉(zhuǎn)變?yōu)槎喽碎]合互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)一步向多層、多級(jí)、多環(huán)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展，進(jìn)而呈現(xiàn)出多元融合與多態(tài)混合的新形態(tài)[16-20]。

本文在分析能源互聯(lián)網(wǎng)基本特性及發(fā)展形態(tài)的基礎(chǔ)上，結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求分析交直流混合配電網(wǎng)對(duì)提升系統(tǒng)效能的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研究交直流混合配電技術(shù)的主要應(yīng)用場(chǎng)景及其技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、關(guān)鍵設(shè)備、保護(hù)策略、運(yùn)行控制等方面的關(guān)鍵技術(shù)。

1 交直流配電技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用

目前，各國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)的基本形態(tài)均包含交、直流兩類母線，交流母線主要滿足各類交流負(fù)荷用電需求，直流母線接入分布式電源、儲(chǔ)能、直流負(fù)荷、各類變頻類負(fù)荷等[21-25]。為實(shí)現(xiàn)潮流雙向可控，避免電磁環(huán)網(wǎng)問(wèn)題，各個(gè)區(qū)域電網(wǎng)之間可通過(guò)柔性直流技術(shù)進(jìn)行互聯(lián)。交直流混合配電網(wǎng)的應(yīng)用可在如下方面滿足能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求。

1.1 節(jié)省一次設(shè)備投資

傳統(tǒng)交流電網(wǎng)中，在負(fù)荷為Plmax的區(qū)域內(nèi)，為滿足負(fù)荷轉(zhuǎn)供需求，根據(jù)DL/T 5729—2016《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定，高壓配電網(wǎng)容載比一般為1.8~2.2，其主變?nèi)萘窟x擇應(yīng)為1.8Plmax~2.2Plmax，主變臺(tái)數(shù)n一般應(yīng)滿足如下要求。

式中：M為單臺(tái)主變?nèi)萘俊?/p>

采用柔性直流技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同交流分區(qū)互聯(lián)后，在滿足主變N-1條件下，區(qū)域內(nèi)高壓配電站主變配置臺(tái)數(shù)n1應(yīng)滿足如下要求。

對(duì)比式(1)和(2)可知，通過(guò)控制各分區(qū)間的功率潮流，可大大提升設(shè)備利用率，減少區(qū)域內(nèi)一次交流設(shè)備的配置容量。

1.2 減少變壓器損耗

變壓器損耗是配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中電能損耗的主要來(lái)源之一，主要由空載損耗和負(fù)載損耗。空載損耗與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，一般隨變壓器的容量增大而增大;負(fù)載損耗是與負(fù)荷大小有關(guān)的可變損耗，隨負(fù)荷的增大而增大[26]。變壓器運(yùn)行過(guò)程中存在最佳負(fù)載率，直流互聯(lián)方案雖然增大了變壓器的平均負(fù)載率，使一臺(tái)變壓器的負(fù)載損耗增加，但通過(guò)柔性互聯(lián)方案可節(jié)省約一半變壓器空載損耗。總體而言，互聯(lián)方案有利于減少變壓器總體損耗。

1.3 減少無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備

柔直換流站自身可提供無(wú)功功率，因此110 kV變電站無(wú)需增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，《國(guó)家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則》(國(guó)家電網(wǎng)生〔2004〕435號(hào))規(guī)定，110 kV變電站的單臺(tái)主變壓器容量為40 MV·A及以上時(shí)，每臺(tái)主變壓器應(yīng)配置不少于兩組的容性無(wú)功補(bǔ)償裝置。一般情況下，一組容性補(bǔ)償裝置的容量為6 MV·A或3 MV·A。因此，50 MV·A主變?nèi)菪匝a(bǔ)償容量最少需要兩組6 MV·A的并聯(lián)電容器，采用互聯(lián)方案后可以節(jié)省主變無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投資。

1.4 提升系統(tǒng)運(yùn)行效率

常見(jiàn)的分布式電源主要有光伏發(fā)電、燃料電池和風(fēng)力發(fā)電等，其中光伏發(fā)電和燃料電池產(chǎn)生的電能為直流電，通常需要DC/DC和DC/AC兩級(jí)變換才能并入傳統(tǒng)的交流電網(wǎng);風(fēng)力發(fā)電雖然以交流形式產(chǎn)生電能，但由于風(fēng)能的間歇性和不確定性，其出力并不穩(wěn)定，需要通過(guò)AC/DC和DC/AC兩級(jí)變換才能接入交流配電網(wǎng)。電動(dòng)汽車本身采用直流電驅(qū)動(dòng)，需要通過(guò)DC/AC接入交流電網(wǎng)。將這些電源或負(fù)荷直接接入直流配電網(wǎng)，可以省去換流環(huán)節(jié)，降低系統(tǒng)運(yùn)行損耗，提高能源的轉(zhuǎn)換效率。另外，電能存儲(chǔ)裝置通過(guò)雙向斬波器接入直流配電網(wǎng)，結(jié)合先進(jìn)的控制算法可以保證用戶在短時(shí)間停電時(shí)的供電連續(xù)性，并起到平抑電網(wǎng)波動(dòng)的作用。

1.5 提升系統(tǒng)供電能力

相同電壓等級(jí)的直流配電網(wǎng)相對(duì)交流配電網(wǎng)而言，其輸送容量提升10%~20%，輸送距離最大可提升至5倍[27]。由多個(gè)可控電源端、可控負(fù)荷端、不可控負(fù)荷端通過(guò)電力線路組成的交直流配電系統(tǒng)是一種可控型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，其關(guān)鍵設(shè)備以全控型半導(dǎo)體器件為基礎(chǔ)，易于實(shí)現(xiàn)多端、多源的協(xié)調(diào)控制，能夠克服交流配電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行困難的缺點(diǎn)，具有功率雙向可控、快速響應(yīng)等優(yōu)良特性。

1.6 便于各類電源及負(fù)荷靈活接入

在交流配電網(wǎng)中，大容量的風(fēng)電、太陽(yáng)能等分布式電源接入后，由于其有功、無(wú)功功率可能隨機(jī)大幅度波動(dòng)，會(huì)引起局部電壓的波動(dòng)，為保證供電質(zhì)量，必須嚴(yán)格限制其占電源總?cè)萘康谋壤６绷髋潆娤到y(tǒng)可以快速獨(dú)立地控制有功、無(wú)功，保持供電電壓恒定，能實(shí)現(xiàn)分布式能源的高密度接入和充分利用，在保證供電質(zhì)量情況下，通過(guò)靈活地實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)，達(dá)到穩(wěn)定交直流電壓、平衡系統(tǒng)有功輸送、補(bǔ)償交流無(wú)功功率、提高安全穩(wěn)定運(yùn)行水平的目的。

1.7 提高系統(tǒng)供電可靠性

傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)，故障發(fā)生后，先停電隔離故障，再恢復(fù)送電。而故障判別、故障隔離和負(fù)荷轉(zhuǎn)供所需時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，導(dǎo)致供電可靠性不高。而直流系統(tǒng)可合環(huán)運(yùn)行，便于將單電源供電的放射狀配電網(wǎng)絡(luò)變?yōu)槎嚯娫垂╇姡岣吖╇娍煽啃浴Ｍ瑫r(shí)快速的故障定位、故障隔離控制和保護(hù)的互相配合，可以實(shí)現(xiàn)單一交、直流線路故障后，用戶不停電。

1.8 滿足敏感負(fù)荷的高質(zhì)量供電需求

交流配電網(wǎng)存在多種類型的電能質(zhì)量問(wèn)題，如電壓波動(dòng)、電壓善變、頻率變化、諧波等，均可能對(duì)用戶產(chǎn)品質(zhì)量造成較大影響，且治理方法非常復(fù)雜。直流配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量主要是電壓波動(dòng)問(wèn)題。只要解決并聯(lián)直流電源、負(fù)荷之間的協(xié)同電壓穩(wěn)定問(wèn)題，采用高功率儲(chǔ)能單元平抑直流網(wǎng)絡(luò)功率波動(dòng)的控制方法，可從根本上有效提高直流配電網(wǎng)的高電能質(zhì)量運(yùn)行水平。

2 交直流混合配電系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)

2.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)方面

目前，直流配電技術(shù)相關(guān)研究尚處于起步階段，目前規(guī)劃設(shè)計(jì)相關(guān)研究主要集中在電壓等級(jí)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、綜合評(píng)價(jià)等方面[13,28-29]。GB/T 156—2007和IEC60038-2009中對(duì)直流電壓等級(jí)的規(guī)定較為一致，明確了直流牽引系統(tǒng)直流電壓等級(jí)主要有0.75 kV、1.5 kV和3 kV;行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD 5210—2011中規(guī)定240 V為中國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí);IEEE std 1709–2010中規(guī)定船舶用直流電壓等級(jí)有1.5 kV和±0.75 kV;GB/T 20234—2011中規(guī)定電動(dòng)汽車直流充電接口額定電壓為750 V。文獻(xiàn)[11]中明確了直流配電的電壓等級(jí)和傳輸容量。文獻(xiàn)[12]中規(guī)定了中低壓直流配電應(yīng)遵循的電壓等級(jí)和電壓偏差。

有關(guān)中壓直流配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)的研究尚處于起步階段，目前中壓直流配電網(wǎng)的典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括輻射型、兩端型或環(huán)型[13]。

輻射型或樹(shù)型，是配電網(wǎng)中最基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)負(fù)載只能通過(guò)一條路徑從電源處獲得電能。輻射型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是電網(wǎng)發(fā)展初期或者過(guò)渡期的一種供電方式。兩端供電結(jié)構(gòu)也稱“手拉手”結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩路電源可同時(shí)為負(fù)荷供電，可以閉環(huán)運(yùn)行，也可以一路供電，另一路作為熱備用，系統(tǒng)可靠性較高，且可實(shí)現(xiàn)不同交流分區(qū)間的潮流控制。環(huán)型拓?fù)湟话愫卸鄺l直流線路和直流母線，方便分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備接入任意直流母線。環(huán)狀直流電網(wǎng)有多路電源，有效提高配網(wǎng)的供電可靠性，但其缺點(diǎn)是系統(tǒng)投資較大，保護(hù)配置復(fù)雜。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類分布式電源、多元化負(fù)荷接入對(duì)配電網(wǎng)造成的壓力不斷增加，交直流混合配電系統(tǒng)憑借其技術(shù)優(yōu)勢(shì)可適用多類場(chǎng)景，針對(duì)不同類型應(yīng)用場(chǎng)景中的電源和負(fù)荷的分布特性進(jìn)行分析，結(jié)合輻射式、雙端式、環(huán)式等不同類型典型直流配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在源荷接入、可靠性等方面的差異，提出交直流混合配電網(wǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景需求，明確其主要接線形式也是交直流混合配電技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)重要內(nèi)容。綜合分析最大負(fù)荷需求、負(fù)荷同時(shí)性、投資運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、智能化和配用互動(dòng)等因素，研究直流配電系統(tǒng)中換流站、直流變壓器、直流斷路器、通信、保護(hù)、監(jiān)測(cè)等一二次設(shè)備配置方法也是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。考慮不同典型應(yīng)用場(chǎng)景特點(diǎn)研究電壓序列、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)施設(shè)備、電源接入及用戶接入等交直流配電典型單元模塊，通過(guò)對(duì)上述模塊的優(yōu)化組合最終形成交直流配電網(wǎng)典型供電模式，對(duì)于推廣交直流混合配電技術(shù)規(guī)范化應(yīng)用具有重要意義。

另外，交直流混合配電網(wǎng)典型設(shè)計(jì)方案需在典型性與覆蓋面的廣泛性之間找到平衡點(diǎn)，因此要考慮設(shè)計(jì)的模塊化，即不同的模塊可以組合成多樣化的、滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的交直流混合配電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)化交直流配電網(wǎng)工程的設(shè)計(jì)和管理。在設(shè)計(jì)方面需要開(kāi)展的關(guān)鍵技術(shù)研究包括：在分析直流配電設(shè)施運(yùn)行特點(diǎn)與功能定位的基礎(chǔ)上，提出適應(yīng)多元化電源、負(fù)荷等設(shè)施接入的交直流配電系統(tǒng)的典型設(shè)施功能與參數(shù)指標(biāo)體系;開(kāi)展交直流配電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)施的設(shè)計(jì)技術(shù)原則與方法研究，明確關(guān)鍵設(shè)施的典型電氣接線、一次、二次設(shè)備典型配置、參數(shù)和功能要求;提出關(guān)鍵設(shè)施典型設(shè)計(jì)模塊和方案設(shè)計(jì)的基本遠(yuǎn)景及方法，明確直流配電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)施及多元化電源、負(fù)荷接口典型設(shè)計(jì)方案。

2.2 關(guān)鍵設(shè)備方面

當(dāng)前，針對(duì)直流配電關(guān)鍵設(shè)備的研究主要集中在基于電力電子技術(shù)的不同電壓等級(jí)換流器、直流變壓器和中高壓直流短路器及其相關(guān)控制策略方面[30-34]。目前，工程中常用的電壓源型換流器(VSC)主要包括兩電平換流器、三電平換流器和模塊化多電平(MMC)[35-37]。兩電平換流器和三電平換流器優(yōu)點(diǎn)在于工作原理簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，但兩電平換流器和三電平換流器均需要大量的開(kāi)關(guān)器件直接串聯(lián)，投資較大。另外由于采用PWM調(diào)制技術(shù)，系統(tǒng)損耗相對(duì)較高，且輸出電壓中紋波含量較高。在直流變壓器方面，其主要拓?fù)浒ㄖC振式高壓直流變壓器、Buck_Buck/Boost直流變壓器、諧振開(kāi)關(guān)電容直流變壓器、輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)直流變壓器、MMC型直流變壓器等類型，但尚無(wú)適應(yīng)多場(chǎng)景并具備故障穿越能力的兆瓦級(jí)中壓直流變壓器工程化應(yīng)用。中壓直流斷路器方面，主要包括機(jī)械式、全固態(tài)和混合式等3類，國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家已開(kāi)發(fā)了開(kāi)斷能力大于10 kA的10 kV混合式直流斷路器樣機(jī)，但成本較高、額定通流損耗嚴(yán)重。部分科研單位開(kāi)發(fā)了開(kāi)斷能力大于15 kA的10 kV機(jī)械式直流斷路器樣機(jī)，但存在斷口絕緣恢復(fù)差、小電流開(kāi)斷困難等問(wèn)題。

為滿足能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求，高效消納光伏、風(fēng)電等分布式可再生能源，實(shí)現(xiàn)集中式或分布式能源生產(chǎn)、消耗、轉(zhuǎn)換等單元互聯(lián)，開(kāi)發(fā)低成本、高性能的直流配用電關(guān)鍵裝備成為當(dāng)前的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。在電源接入側(cè)，以各類能源及儲(chǔ)能接入需求為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)研發(fā)具備高可靠性、高效率、高穩(wěn)定性的電源側(cè)電力電子接口設(shè)備及其分層控制策略。在電網(wǎng)側(cè)，重點(diǎn)研究換流閥強(qiáng)弱電緊湊化布局和大電流應(yīng)力下的優(yōu)化方法，提出AC/DC換流閥的高可靠設(shè)計(jì)方案，提出分層分布式控制架構(gòu)與分區(qū)保護(hù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)換流器的可靠保護(hù);采用磁集成技術(shù)減小變壓器體積和能耗，建立兆瓦級(jí)中壓直流變壓器拓?fù)鋬?yōu)化方案，提出功率快速精準(zhǔn)控制策略及故障穿越方法。在用電側(cè)，通過(guò)研究寬禁帶器件應(yīng)用技術(shù)、多諧振軟開(kāi)關(guān)功率變換拓?fù)浜偷蛪焊哳l磁路集成方法，解決變換器拓?fù)鋸?fù)雜、功率密度較低、一致性較差等問(wèn)題，同時(shí)，整合典型家用電器的電路構(gòu)架，提出直流化智能化改造方法，實(shí)現(xiàn)家用電器能效整體提升。另外，目前快速直流開(kāi)關(guān)主要有機(jī)械式和混合式2種。針對(duì)機(jī)械式開(kāi)關(guān)存在斷口絕緣恢復(fù)差、開(kāi)斷小電流困難等問(wèn)題以及混合式開(kāi)關(guān)存在成本高、額定通流損耗高等問(wèn)題，提出各電壓等級(jí)直流快速開(kāi)斷方案及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)高性能、低成本的中低壓直流斷路器成為目前一項(xiàng)亟待解決的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。

2.3 保護(hù)策略方面

交直流配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行需要完備可靠的保護(hù)策略，目前針對(duì)該方面的研究主要集中在各類故障對(duì)繼電保護(hù)的影響分析、故障特性分析、保護(hù)策略制定等方面[38-41]。部分高校已開(kāi)展直流配電系統(tǒng)的故障特征與原理分析，提出了多端柔性直流配電網(wǎng)保護(hù)方案及限流方法。部分廠商研發(fā)了針對(duì)換流閥、直流變壓器等直流設(shè)備的保護(hù)裝置，但缺乏系統(tǒng)級(jí)的保護(hù)技術(shù)研究及工程應(yīng)用。

直流配電系統(tǒng)的故障根據(jù)各類設(shè)備和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，可分為交流側(cè)故障、換流器故障、直流側(cè)故障三大類。交流側(cè)故障主要指并網(wǎng)變流器與交流電網(wǎng)之間交流母線上的故障以及變壓器故障，以線路短路故障為主;變換器故障主要有閥短路、橋臂短路、變換器交流或直流側(cè)出口短路、脈沖觸發(fā)系統(tǒng)故障、冷卻系統(tǒng)故障等;直流側(cè)故障主要指直流母線故障和直流線路故障，包括接地故障、極間故障及斷線故障，另外還存在絕緣水平下降、低電壓或過(guò)電壓等不正常運(yùn)行方式。

交直流混合配電系統(tǒng)電源類型多、故障類型復(fù)雜，多類型換流站和儲(chǔ)能的控制策略、分布式電源功率波動(dòng)對(duì)于故障暫態(tài)特性影響大，系統(tǒng)運(yùn)行方式改變后保護(hù)原理和定值難以適應(yīng)，電力電子設(shè)備耐受過(guò)電壓、過(guò)電流的能力差，系統(tǒng)直流短路阻抗小，故障對(duì)直流母線電壓波動(dòng)影響大。因此，應(yīng)重點(diǎn)研究分布式電源并網(wǎng)變壓器、換流閥等在不同控制方式下的多電壓等級(jí)直流配用電系統(tǒng)的故障機(jī)理;研究多電壓等級(jí)直流配用電系統(tǒng)在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的故障特征。進(jìn)一步研究基于多點(diǎn)信息的直流配電系統(tǒng)故障快速識(shí)別與定位方法，提出多電壓等級(jí)直流配電系統(tǒng)保護(hù)配置方案，并結(jié)合相關(guān)需求研制直流配電系統(tǒng)保護(hù)、測(cè)量、控制一體化系列裝置及直流用電系統(tǒng)漏電保護(hù)裝置。

2.4 運(yùn)行控制方面

交直流混合配電系統(tǒng)的電源主要包括交流配電網(wǎng)和太陽(yáng)能、風(fēng)電等多種分布式電源，負(fù)荷包括常規(guī)交、直流負(fù)荷以及儲(chǔ)能設(shè)備、電動(dòng)汽車充電站等雙向可控負(fù)荷。運(yùn)行控制的基本要求是通過(guò)對(duì)各類設(shè)備的主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)分布式能源的充分利用以及電源與負(fù)荷的高效、動(dòng)態(tài)匹配。目前，直流配電網(wǎng)的電壓控制方面的研究主要包括主從控制方式、電壓下垂控制方式和電壓裕度控制等[42-44]，主要集中在含分布式電源的直流配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、典型運(yùn)行方式及切換方法、分層控制協(xié)調(diào)控制策略等方面[45-49]。相關(guān)高校等單位圍繞含多換流器的低壓直流系統(tǒng)控制架構(gòu)、穩(wěn)定控制方法展開(kāi)研究，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，時(shí)間尺度短，源荷類型單一。

為推動(dòng)交直流配電技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，在運(yùn)行控制方面尚需開(kāi)展深入研究。重點(diǎn)研究多換流器并網(wǎng)及多電壓等級(jí)直流配電系統(tǒng)狀態(tài)精確劃分方法，構(gòu)建多重狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型。建立多電壓等級(jí)直流配電系統(tǒng)分層控制架構(gòu)，研究中壓直流配電網(wǎng)多換流器并網(wǎng)分散協(xié)調(diào)控制策略，分析基于慣性環(huán)節(jié)的低壓區(qū)域子網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制方法，提出區(qū)域子網(wǎng)多換流器間環(huán)流抑制方法。結(jié)合分布式電源及負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，研究基于狀態(tài)估計(jì)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方法，構(gòu)建直流源荷匹配的系統(tǒng)滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度模型，提出滿足源荷匹配的直流配電系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化控制方法。

3 結(jié)論

為滿足能源互聯(lián)網(wǎng)智能化發(fā)展需求，未來(lái)配電網(wǎng)將呈現(xiàn)出交直流混合的形態(tài)。交直流混合配電網(wǎng)的應(yīng)用對(duì)于減少一次設(shè)備投資、降低配電網(wǎng)損耗、減少無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、提升系統(tǒng)運(yùn)行效率具有重要意義。本文重點(diǎn)針對(duì)交直流混合配電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀及相關(guān)技術(shù)需求開(kāi)展分析。交直流混合配電系統(tǒng)應(yīng)盡快細(xì)化典型應(yīng)用場(chǎng)景劃分原則和電壓序列選取原則，并進(jìn)一步明確涵蓋典型網(wǎng)架、接線方式、一二次設(shè)備配置等方面的典型供電模式;加快研制快速開(kāi)關(guān)設(shè)備、兆瓦級(jí)直流變壓器以及低壓直流用電高效高功率密度多輸出電能變換設(shè)備;提出滿足分布式電源及各類負(fù)荷靈活接入的優(yōu)化運(yùn)行方式及分壓分層控制方法;明確直流混合配電網(wǎng)的故障識(shí)別方法、故障穿越及快速恢復(fù)方法、典型保護(hù)配置方案;根據(jù)實(shí)際工程需要提出交直流混合配電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)施及多元化電源、負(fù)荷接口典型設(shè)計(jì)方案。

作者簡(jiǎn)介：

李敬如(1969—)，女，高級(jí)工程師(教授級(jí))，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等方面研究工作

韓豐(1962—)，女，高級(jí)工程師(教授級(jí))，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃及設(shè)計(jì)等方面研究工作

姜世公(1983—)，男，通信作者，高級(jí)工程師，從事交、直流配電系統(tǒng)規(guī)劃及技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等方面研究工作

李紅軍(1971—)，男，高級(jí)工程師(教授級(jí))，從事配電系統(tǒng)規(guī)劃及設(shè)計(jì)等方面研究工作

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