直流配電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉一帆

國網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司 山西忻州 034000

傳統(tǒng)的交流配電系統(tǒng)存在的問題越來越突出。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，廣泛接入分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流配電系統(tǒng)已成為一個(gè)新的研究方向。直流配電系統(tǒng)還具有方便的直流負(fù)荷接入和提高電能質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，適合未來配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 直流配電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備

1.1 直流斷路器

直流斷路器作為直流配電系統(tǒng)中的開關(guān)和故障隔離設(shè)備，直接影響著系統(tǒng)的控制和保護(hù)策略。直流配電系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)，故障電流的瞬間將達(dá)到峰值，所以直流斷路器需要能夠快速操作，同時(shí)斷路器的可靠性高于直流系統(tǒng)的交流系統(tǒng)。直流斷路器依照開斷器件的不同可以分為：機(jī)械式直流斷路器、全固態(tài)直流斷路器以及前兩者相結(jié)合的混合式直流斷路器。機(jī)械式直流斷路器主要由機(jī)械開關(guān)支路、反向電流支路和吸能支路組成。機(jī)械開關(guān)支路承載系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電流，故障發(fā)生時(shí)，電流過載，機(jī)械開關(guān)分閘，電弧產(chǎn)生，此時(shí)反向電流支路產(chǎn)生反向電流，使電弧熄滅，故障電流流入吸能支路完成能量吸收及故障斷開。機(jī)械式直流斷路器具有通態(tài)損耗小，耐壓能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是在隔離故障時(shí)一般需要幾十毫秒，不能達(dá)到直流配電系統(tǒng)速動(dòng)性的要求。全固態(tài)直流斷路器主要由電力電子器件支路與吸能支路組成[1-2]。電力電子器件支路承載系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電流，故障發(fā)生時(shí)，電力電子器件支路關(guān)斷，故障電流流入吸能支路完成能量吸收及故障斷開。全固態(tài)直流斷路器沒有機(jī)械開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)快速、無弧的分?jǐn)嚯娏鳌５请娏﹄娮悠骷耐☉B(tài)損耗較大，制造成本也比較昂貴。將前兩者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，就得到了能滿足速動(dòng)性、低損耗等要求的混合式直流斷路器。該類型的直流斷路器包含機(jī)械開關(guān)支路、電力電子器件組成的電流轉(zhuǎn)移支路與吸能支路。機(jī)械開關(guān)支路承載系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電流。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，故障電流被轉(zhuǎn)移到電流轉(zhuǎn)移支路，然后再轉(zhuǎn)移到吸能支路達(dá)到隔離斷開的功能[3]。

1.2 換流器

換流器可以在直流配電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換。電壓源變換器(VSC)在高壓直流系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而模塊化多電平變換器(MMC-VSC)由于其模塊化的優(yōu)點(diǎn)，消除了對(duì)多耦合變壓器和濾波裝置的需求，近年來成為應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)。

2 直流配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 直流配電系統(tǒng)控制技術(shù)

直流配電系統(tǒng)控制技術(shù)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。在直流配電系統(tǒng)中，不需要無功補(bǔ)償，控制更加靈活。然而，電力電子設(shè)備的引入使系統(tǒng)的穩(wěn)定控制面臨著新的挑戰(zhàn)。采用分層分布式整體運(yùn)行控制架構(gòu)，將系統(tǒng)分為暫態(tài)穩(wěn)定控制層、區(qū)域協(xié)調(diào)控制及優(yōu)化調(diào)度層以及最上層的交流配電管理系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行模式下的協(xié)調(diào)控制與不同運(yùn)行模式的平滑切換。根據(jù)源荷的特性對(duì)節(jié)點(diǎn)采用差異化控制，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)直流電壓穩(wěn)定、各設(shè)備按比協(xié)調(diào)出力的優(yōu)化結(jié)果。

2.2 直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)

保護(hù)技術(shù)是直流配電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。類似于交流配電系統(tǒng)，直流配電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足同樣的需求，如可靠性、速動(dòng)性、選擇性和經(jīng)濟(jì)性等，同時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由于分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電力電子設(shè)備的接入變得更加復(fù)雜，設(shè)備分布比較密集，保護(hù)技術(shù)具有了需要解決的新的難點(diǎn)。直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)首先需要保證故障檢測(cè)和定位。目前直流線路中的故障檢測(cè)和定位多采用行波法。提出一種多端直流配電線路行波故障測(cè)距算法，該算法根據(jù)配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計(jì)算行波信號(hào)到各換流站的最短路徑，通過雙端行波測(cè)距原理進(jìn)行故障點(diǎn)計(jì)算[4]。

2.3 直流配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估技術(shù)

可靠性評(píng)估對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行具有指導(dǎo)意義，解析法與模擬法仍是直流配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估的主要方法。直流配電系統(tǒng)的電力電子設(shè)備與交流系統(tǒng)中相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行與控制不同；直流配電系統(tǒng)中的潮流計(jì)算、可靠性指標(biāo)計(jì)算等也與交流配電系統(tǒng)不同；同時(shí)由于直流配電系統(tǒng)中的設(shè)備目前并未有大規(guī)模的投入使用，關(guān)于其可靠性模型制定方式也需進(jìn)行研究。以IGBT元件的故障率為基礎(chǔ)得到電力電子設(shè)備的故障率，采用序貫蒙特卡洛模擬法進(jìn)行可靠性評(píng)估，并在原有的可靠性指標(biāo)基礎(chǔ)上提出了計(jì)及新能源發(fā)電的直流配電系統(tǒng)系統(tǒng)指標(biāo)[5]。將柔性直流互聯(lián)裝置劃分為換流橋子系統(tǒng)、變壓器子系統(tǒng)、濾波器子系統(tǒng)、控制保護(hù)子系統(tǒng)、線路子系統(tǒng)、極設(shè)備子系統(tǒng)六個(gè)子系統(tǒng)，并建立它們的可靠性模型，考慮系統(tǒng)發(fā)生故障后配網(wǎng)進(jìn)行，對(duì)交直流混聯(lián)配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評(píng)估。

3 結(jié)語

直流配電系統(tǒng)作為目前廣受關(guān)注的一種新的供電形式，與電網(wǎng)未來發(fā)展的智能化、信息化、大規(guī)模分布式電源和微網(wǎng)存在的趨勢(shì)相適應(yīng)。本文對(duì)直流配電系統(tǒng)中主要使用的電力電子設(shè)備以及直流配電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。隨著直流配電系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)以及關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，直流配電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)將更加顯著的體現(xiàn)出來并得到更廣泛的應(yīng)用。