多端柔性直流配電網的可靠性和經濟性評估

陸子凱，簡翔浩，張明瀚

（1. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663；2. 南方電網國際有限責任公司，廣州510663）

近年來，由于化石能源供應模式不具持續性，且存在環境污染等能源發展的痛點促使分布式能源發電、柔性直流輸電等技術的不斷發展，目前國內城市中低壓交流配電網面臨著如何改善供電質量和系統可靠性等問題［1］。同時，隨著越來越多的光伏電源和儲能設備等分布式能源并網，我們需要對現有的配電網進行改造，并在有條件的城市發展柔性直流配電網。

與目前的城市交流配電網相比，柔性直流配用電技術具有以下優點：（1）能緩解目前交流配網線路走廊不足的問題；（2）相同配送容量下，輸電供電損耗低；（3）可控性好，支持功率快速調控，可提高系統的可靠性；（4）供電質量高，便于各類負載靈活接入［2］；（5）目前直流負荷占比增加，匹配程度好；（6）與新能源儲能配合好；（7）為交流電網提供特殊功能支持，比如背靠背等；（8）供電可靠性高［3-5］。多端柔直配電系統相較于兩端的直流配電網，能夠實現多端供電，能更好地滿足新能源并網及城市智能電網的發展需求，同時多端柔配網的系統運行方式更具靈活性和更高的可靠性。因此，多端柔性直流配電網逐漸成為城市配電網發展的新方向［5］。

目前柔直配網實際應用的工程項目不多，主要集中在直流配電網的功率控制與調度優化、控制保護策略和關鍵設備的研究等。目前對柔直配網的可靠性和經濟性的研究尚處于探索階段［6］。隨著未來越來越多的直流配電網示范工程建成并投入使用，不同的網絡拓撲結構、大量直流關鍵設備接入系統，都會影響柔性直流配電網的可靠性的評價。為了更好地分析柔性直流配電網的供電可靠性，本文選取珠海唐家灣多端柔性直流配電網示范工程拓撲作為研究對象。對柔直配電網中的關鍵元件進行可靠性建模，采用最小路法對珠海唐家灣示范工程拓撲進行可靠性分析，評估示范工程中關鍵設備對柔直配網可靠性的影響。最后，對柔直配網的經濟性進行定性分析。

1 柔直配網應用場景分析

1.1 典型應用場景概述

近幾年來，隨著國內經濟產業結構的調整和轉型，高新技術產業的占比越來越大，不少工業城和科技園區用能需求不斷增長，對可靠性的也有相對高的標準。目前對于有著較多的分布式電源規劃，存在較多敏感負荷用戶和直流負荷的一些新型科技園區，現有的配電網拓撲結構不能滿足其運行要求。因此為適應新型科技園園區的規劃發展，在珠海唐家灣建設了電壓等級為±10 kV、換流容量為40 MW的多端柔性直流配電網，包括唐家（20 MW）、雞山I（10 MW）、雞山II（10 MW）換流站與科技園降壓換流站（2 MW）［7］。通過該多端柔性直流混合配網系統既可以將光伏等分布式能源就近消納，也可以通過該柔直配網將清潔能源送出并網。同時工業園區內也規劃建設了光伏，電動汽車充電站及儲能電站。電動汽車充電樁連接的雙向DC/DC 變換器，不僅可以在需要充電時從直流母線為電動汽車充電，也可以在兩端電源故障后電動汽車接入充電站通過DC/DC 換流器為區域內負荷供電。光伏電站在白天既可以將發出的能量通過直流變壓器配送到直流母線為園區內負荷供電，也可將多余的電能存儲到儲能電站中。同時在系統不能為工業園區供電時，該工業園區通過光伏電站、儲能電站及系統內負荷等形成一個直流微電網，為系統內的負荷供電，相當程度上可提高系統的供電可靠性。

1.2 多端柔性直流配電典型網絡架構

三端中低壓柔性直流配電系統以110 kV雞山變電站中兩段10 kV 母線和110 kV 唐家變電站其中一段母線作為主電源，分別新建10 kVAC/ VAC kVDC 柔性換流站——雞山換流站I、II和唐家換流站III，從而建立三端直流系統，其中雞山換流站II至±10 kV 科技園開關站的 ±10 kV 線路 T 接一回±10 kV 線路至±10 kV 科技園降壓站。在科技園降壓站配置一臺±10 kV/±375 V//±110 V 三端口直流變壓器，±375 V 直流微電網接入0.2 MW 屋頂光伏、1 MW/1 MWh 電化學儲能、1 MW 直流充電樁等靈活性資源。±110 V直流端口接入直流空調、直流照明形成多端柔直配網典型網絡，如圖1所示。

2 多端柔直配網可靠性評估方法

2.1 多端柔直配網可靠性評估指標和建模

2.1.1 可靠性分析指標

可靠性研究與網絡架構設計是柔直配網技術研究的基礎內容。具體研究內容包括如下兩個方面：一方面，制定具有針對性的配網三層可靠性評價指標體系（元件—負荷點—系統），提出相應的可靠性評價方法并進行完善；另一方面，針對典型應用場景，提出合理的網絡拓撲結構，采用上述可靠性評價指標體系和方法對拓撲結構進行分析比較，研究步驟如圖2所示。

由于柔性直流配網與傳統交流配電網在可靠性評估上并無太大區別，因此多端柔直配網的可靠性評價指標體系可參照交流配網中的各項評價指標建立，通過供電的充裕度和安全性這兩方面反映系統滿足持續工作的能力。目前，交流配電系統可靠性指標主要依據的標準為IEEE Std 1366—2003 及我國采用的DL/T 836—2003，可以分為系統側指標和用戶指標兩類［8］。

系統側指標能夠反映系統的重要性和停運的嚴重程度；用戶側可靠性指標側重描述不同負荷量受停電影響的大小。已有的研究主要用ASAI、SAIFI、SAIDI 和CAIDI 等指標來衡量配電網的可靠性。目前，影響直流配電系統可靠性的因素主要包括：網絡的拓撲結構、敏感負荷的接入位置、主接線方式、關鍵設備的可靠性等［9］。對應的常用的評價指標如下：

1）元件的可靠性指標

年故障率λa、年檢修率λb、平均故障修復時間ra，平均檢修持續時間rb等可作為柔直配網可靠性評估的初始數據。

2）負荷點可靠性指標

年平均停電率：

年平均停電時間：

平均停電持續時間：

上述式中研究對象為能造成負荷點c停電的元件集合。

3）系統可靠性指標

式中：Nc為用戶數（戶）；Lc為系統中的平均負荷（MW）。

2.1.2 關鍵元件可靠性建模

相比較于交流配網，柔直配網具有換流閥、直流斷路器、直流變壓器等新型設備。直流斷路器與直流變壓器雖然原理上完全不同于交流配網的對應設備（交流斷路器和交流變壓器），但在可靠性建模方面仍是一個簡單的兩狀態模型（兩個狀態分別為運行和故障）。考慮到現中低壓等級的直流斷路器與直流變壓器尚處于早期應用階段，其可靠性參數有待更多實際工程的總結，可采用元件計數法（PCRP）對直流變壓器和直流斷路器的故障率進行預測［9］。換流閥作為柔性直流配電系統的核心單元，由于目前柔直配網的工程尚少，難以得到足夠的柔直換流閥運行數據。因此可借鑒已投運的換流站統計數據，對柔直換流閥進行建模。交流器件的可靠性參數參考根據已有文獻［2-4］，同時要考慮一些器件無修復時間，需選用其更換備用時間。

1）直流變壓器可靠性評價模型

在珠海柔直配網示范工程中，直流變壓器包括±10 kV、±375 V、±110 V三個端口。三端直流變壓器基于模塊化級聯拓撲結構，采用多個功率模塊低壓并聯、高壓串聯的方式，如圖3 所示。通過PCRP 預測直流變壓器的年故障率為0.320 6次/a［9］。

可靠性預測模型如圖4所示：

2）VSC可靠性評價模型

柔直換流閥作為柔性直流配電系統的核心單元，包括交流設備、換流閥、直流設備、控保系統和其他等多個部分組成，如圖5 所示［10］。通過PCRP預測VSC的年故障率值為2.363 2次/a。

3）直流斷路器可靠性評價模型

直流斷路器拓撲結構如圖6 所示，主要包括：快速機械開關支路（A）、電力電子開關支路（B）、耦合負壓電路（C）和系統能量吸收支路（D）。除此之外，還包括控制保護系統（E）及外部電源高壓隔離供電電路（F）［10］。如圖6 所示。通過PCRP預測直流斷路器的年故障率值為0.281 6次/a。

可靠性模型如圖7所示：

2.2 多端柔性直流配網可靠性評估方法

目前直流配電系統的電壓等級和拓撲結構缺少統一的標準，因此可以借鑒交流配電網的研究思路和方法對柔性直流配電網拓撲結構進行分析。交流配電網已經投運多年，相應設備和線路的可靠性參數可以基于歷史統計數據和運行經驗來計算，得到的結果相對可靠。而柔性直流配電網缺少運行實例，已有的示范工程投運時間不長，運行數據積累尚不充分。此外，項目中使用的部分示范性電氣設備也不一定具有工程推廣價值，因此缺少設備的可靠性數據。這個問題在短期內仍然難以解決，但是計算時可以參考相應參數的大致范圍，從而得到系統各項指標，并且計算結果一般具有統計規律，可以為實際直流配電系統提供參考。

交流配網分析可靠性的方法有模擬法和解析法等［10］。解析法是通過枚舉系統元件狀態計算系統設備的整體可靠性，結果取決于單一設備的可靠性和各個設備之間的連接方式，該方法能夠真實反映系統結構，模型精確，但計算量隨著系統元件個數的增加呈現指數增長，復雜網絡的分析必須借助計算機才能實現，因此適用于簡單小系統；為了減小計算難度在此基礎上提出了若干改進算法，如最小路法基本思路是對系統拓撲進行簡化處理，通過處理算例的系統和簡單系統時驗證了方法的可行性［9］。

根據1.2 節中多端柔性直流配電典型網絡架構的特點，可采用解析法中計算較為精確的最小路法計算拓撲結構的可靠性。首先以網絡拓撲中各個負荷點為研究對象，找出負荷點至不同電源點的供電路徑，然后將柔直配網的關鍵元件的可靠性參數代入至通過簡化后的串并聯網絡，進而計算出負荷點的指標，再通過串并聯網絡的計算公式可以迅速計算出系統的可靠性指標。其具體流程如圖8所示：

3 典型應用場景可靠性評估

通過對典型應用場景拓撲結構圖進行化簡，對同一支路的元件進行集合，可直觀地求解出負荷點的所有供電線路。假設負荷點的用戶數為100，雞山換流站I 和II 到科技園開關站線路長度為0.6 km，唐家換流站到開關站線路長度為5.15 km。通過最小路分析計算，可得系統的可靠性參數如表1。

表1 多端柔性直流拓撲結構可靠性參數Tab. 1 Reliability parameters of multi-terminal flexible DC distribution network

典型應用場景拓撲圖如圖9 所示。無直流斷路器情況為只去除拓撲中與直流負載相連的直流斷路器；無VSC情況為去除拓撲中的換流站；相同拓撲的交流情況為去除拓撲中的換流站，同時將拓撲中的直流斷路器換為相同電壓等級的交流斷路器。

系統無直流斷路器情況、無換流站情況及相同拓撲的交流情況下得到系統的可靠性數據如表2，不同情況的可靠性參數對比如圖10～圖13所示。

表2 多端柔性直流拓撲結構不同情況可靠性參數Tab. 2 Reliability parameters of multi-terminal flexible DC distribution network under different conditions

通過圖10 可知，無直流斷路器拓撲去除與負荷直接相連的直流斷路器后，整個系統的故障率有明顯的下降。其原因在于去除掉與負荷直接相連的直流斷路器后會直接影響到用戶側負荷的故障率，而無VSC換流站拓撲，由于本項目的拓撲結構是多端供電，負荷的供電可靠性與其直接相連的器件故障率關聯較大，故無VSC換流站拓撲下降較小。相同結構的交流拓撲中由于交流各元器件技術成熟，故障率較直流的各元件低，因此其平均停電頻率較低。雖然無直流斷路器的拓撲結構系統平均停電頻率是最低，但其拓撲結構中去除直流斷路器后不易于控制電路，發生故障時難以切除故障，會使事故擴大等。因此對正常直流拓撲而言，改善鄰近負荷點的直流器件的可靠性參數或及時檢修此處器件，可起到降低系統平均停電頻率的作用。

通過圖11可知，無直流斷路器拓撲和交流拓撲結構的系統平均停電時間較低，且較為接近，無VSC 換流站拓撲結構的時間和正常直流拓撲結構的系統平均停電時間較為接近。是因為該拓撲結構中有三個VSC 的換流站，各個換流站一端連接電源，另一端通過直流斷路器和直流電纜等器件連接至負載，換流站故障率雖然較高，但從多端柔直配網的拓撲結構來看，三個換流站同時發生故障的概率是較小的，因此無VSC直流拓撲結構和正常直流拓撲的系統平均停電時間幾乎相等。而無直流斷路器拓撲和交流拓撲結構是由于其系統平均停電頻率較低，且其元器件修復時間相差不多，因此使得無直流斷路器拓撲和交流拓撲結構的系統平均停電時間較低。

通過圖12 可知，正常直流拓撲和無VSC 直流拓撲停電用戶的平均停電持續時間較為接近，而無直流斷路器拓撲和交流拓撲的停電用戶的平均停電持續時間較高。是因為無直流斷路器拓撲中去除了與負荷直接相連的直流斷路器，而直流斷路器的修復時間相較于其他元器件修復時間較短，因此會使停電時停電用戶的停電時間增長。而交流拓撲中一些交流器件的元件修復時間較長，使用戶的平均停電持續時間較長。

由圖13 可知，正常直流拓撲在不同情況下系統平均供電可用率供較為接近。是由于正常直流拓撲在不同情況下系統的平均停電時間較為接近，因此使得拓撲在不同情況下平均供電可用率都較為接近。

綜合以上分析可知，通過降低拓撲中直接與負荷相連器件的故障率可明顯提升系統各項可靠性指標，因此，隨著直流技術的不斷進步，直流斷路器、直流變壓器等器件故障率將會下降，從而提升柔直配網系統的可靠性。

4 典型示范工程經濟性評估

柔性直流配電網讓潮流靈活可控，集合了故障切除速度快，電能質量更好，可靠性高，功率密度高，輸送距離更遠，節省輸電走廊，方便新能源接入減少轉換環節損耗等多種優點，其帶來的經濟技術價值是可觀的［11］。由于網絡拓撲和負載類型會影響經濟性評估的結論。因此，現階段對比柔性直流配電網的經濟性需根據不同項目情況進行分析。本文將以珠海唐家灣多端柔性直流典型網絡為例，對典型應用場景的經濟性進行評估，得出以下效果評估：

1）利用柔性直流配電網的可控性，實現雞山唐家站間20 MW 的功率互濟，解決交流系統的負載不平衡問題，將唐家站主變負載率由70%降低到47.7%，延緩唐家站擴建主變與相應的110 kV及10 kV線路建設，延緩投資500 萬元以上。同時可以提高雞山站變壓器容量利用率20%，降低變壓器損耗比50%。

2）柔性直流換流閥的發出無功能力高達±柔性直，可以大幅度提升區域電網的無功與電壓控制能力，可減少對該區域系統的無功補償設備的投資。

3）柔性直流配電網方便新能源接入，通過對產品化的光伏、儲能AC/DC PCS 裝置、AC/DC 充電樁等進行較小改造，并接入直流空調和直流燈具等電器設備，實現了直流電源與用電設備直接接入直流微電網的功能，減少了交直流轉換環節，減少損耗約3%以上。

到目前為止，柔性直流配網的成套與工程設計技術尚處于示范驗證階段，部分的核心器件需要進口，國產器件需要自主研制開發，導致設備商研發的成本較高。但隨著國內柔直配網技術的進一步發展和同類工程項目量的增長，產業鏈將成熟與完善，投資成本與整體傳輸損耗將不斷降低。從這一角度來看，柔性直流配電網的經濟性具有巨大的發展潛力。

5 結論

本文以珠海唐家灣多端柔直配網示范工程拓撲為基礎，采用最小路法對柔性直流配電系統網絡架構進行可靠性評估計算，對比了不同拓撲的可靠性，并評估了柔直配網典型工程的經濟性，得出如下結論：

1）由于柔性直流配電網的關鍵設備直流斷路器、直流變壓器和VSC技術研究尚不成熟，故障率對直流配電網可靠性的影響比較大。

2）在現有關鍵設備制造水平下，相對于傳統的交流配網，柔直配網的可靠性仍然較低，但隨著IGBT 和IGCT 等器件國產化和成熟化，柔直配網的可靠性將逐步提高。

3）現階段柔直配網投資成本仍高于交流配電網，但隨著智能電網的建設，柔直配網建設將帶動相關設備制增長，柔性直流配電網仍存在較大的降價空間。

隨著城市配電網的不斷發展的，柔性直流技術在提升配網互聯互動、靈活可控，促進分布式能源建設發展等方面的獨特優勢，將成為配電網未來發展的新技術方向。對柔直配網的可靠性和經濟性評估是推動直流配電發展的重要環節，是柔性直流配電網普遍化之前必須解決的問題。