引言
伴隨經(jīng)濟社會發(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方式已經(jīng)不能適應當前經(jīng)濟社會發(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，實現(xiàn)“能源轉(zhuǎn)型”已經(jīng)成為共識[1-3]。
為適應“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：在電源側(cè)，傳統(tǒng)火力發(fā)電比例將逐漸減少，太陽能、風能等可再生能源發(fā)電比例將逐步提高;在負荷側(cè)，用能優(yōu)化及需求響應的能力水平進一步提升，柔性負荷和主動負荷接入比例大幅增加;在電網(wǎng)側(cè)，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更加堅強，電源及負荷接入更加便捷，系統(tǒng)運行控制更加靈活，未來電網(wǎng)將發(fā)展成為綜合多元能源、滿足供需互動的多樣化平臺[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)”概念應運而生。能源互聯(lián)網(wǎng)是指以電力為核心，以智能電網(wǎng)為基礎，以接入可再生能源為主，采用先進信息和通信技術及電力電子技術，通過分布式動態(tài)能量管理系統(tǒng)對分布式能源設備實施廣域優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)冷、熱、氣、水、電等多種能源互補，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]。中國的能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展按照技術成熟度，以分布式能源、微電網(wǎng)、需求側(cè)管理、儲能和提高能效為切入點，并采用先進信息和通信技術，融合數(shù)字模型、技術標準、通信協(xié)議，實現(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、多元海量信息集成的數(shù)據(jù)平臺、多利益主體參與的交易平臺以及電氣化交通發(fā)展的支撐與服務平臺，承載著電力流、能量流、信息流的傳輸與交互。隨著電力電子技術發(fā)展和進步，為適應能源互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展需求，直流配電技術憑借其輸送能力強、可靠性高等優(yōu)點已成為當前能源互聯(lián)網(wǎng)背景下配電系統(tǒng)研究的熱點。在直流配電電壓等級方面已形成相關標準[11-12]，主要規(guī)范現(xiàn)有直流配電電壓等級的優(yōu)選值和備選值。另外，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、接線方式、關鍵設備、運行控制及保護等方面已開展了相關的研究工作[13-15]。
隨著基于電力電子技術的柔性互聯(lián)項目在配電系統(tǒng)中各電壓等級的試點示范廣泛應用，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)絡有利于配電網(wǎng)滿足各類型分布式電源、儲能、柔性負荷的靈活接入和高效運行。同時，柔性互聯(lián)也使得直流配電網(wǎng)更好地與交流配電網(wǎng)混合運行，配電網(wǎng)絡結(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，并進一步向多層、多級、多環(huán)的復雜網(wǎng)絡方向發(fā)展，進而呈現(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)對提升系統(tǒng)效能的主要技術優(yōu)勢，研究交直流混合配電技術的主要應用場景及其技術特點，重點介紹交直流混合配電網(wǎng)規(guī)劃設計、關鍵設備、保護策略、運行控制等方面的關鍵技術。
1 交直流配電技術在能源互聯(lián)網(wǎng)中應用
目前，各國能源互聯(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荷用電需求，直流母線接入分布式電源、儲能、直流負荷、各類變頻類負荷等[21-25]。為實現(xiàn)潮流雙向可控，避免電磁環(huán)網(wǎng)問題，各個區(qū)域電網(wǎng)之間可通過柔性直流技術進行互聯(lián)。交直流混合配電網(wǎng)的應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)省一次設備投資
傳統(tǒng)交流電網(wǎng)中，在負荷為Plmax的區(qū)域內(nèi)，為滿足負荷轉(zhuǎn)供需求，根據(jù)DL/T 5729—2016《配電網(wǎng)規(guī)劃設計技術導則》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擇應為1.8Plmax~2.2Plmax，主變臺數(shù)n一般應滿足如下要求。
式中：M為單臺主變?nèi)萘俊?/p>
采用柔性直流技術實現(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數(shù)n1應滿足如下要求。
對比式(1)和(2)可知，通過控制各分區(qū)間的功率潮流，可大大提升設備利用率，減少區(qū)域內(nèi)一次交流設備的配置容量。
1.2 減少變壓器損耗
變壓器損耗是配電網(wǎng)運行過程中電能損耗的主要來源之一，主要由空載損耗和負載損耗。空載損耗與負載大小無關，一般隨變壓器的容量增大而增大;負載損耗是與負荷大小有關的可變損耗，隨負荷的增大而增大[26]。變壓器運行過程中存在最佳負載率，直流互聯(lián)方案雖然增大了變壓器的平均負載率，使一臺變壓器的負載損耗增加，但通過柔性互聯(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 減少無功補償設備
柔直換流站自身可提供無功功率，因此110 kV變電站無需增設無功補償設備，《國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無功補償配置技術原則》(國家電網(wǎng)生〔2004〕435號)規(guī)定，110 kV變電站的單臺主變壓器容量為40 MV˙A及以上時，每臺主變壓器應配置不少于兩組的容性無功補償裝置。一般情況下，一組容性補償裝置的容量為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)省主變無功補償設備的投資。
1.4 提升系統(tǒng)運行效率
常見的分布式電源主要有光伏發(fā)電、燃料電池和風力發(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兩級變換才能并入傳統(tǒng)的交流電網(wǎng);風力發(fā)電雖然以交流形式產(chǎn)生電能，但由于風能的間歇性和不確定性，其出力并不穩(wěn)定，需要通過AC/DC和DC/AC兩級變換才能接入交流配電網(wǎng)。電動汽車本身采用直流電驅(qū)動，需要通過DC/AC接入交流電網(wǎng)。將這些電源或負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)運行損耗，提高能源的轉(zhuǎn)換效率。另外，電能存儲裝置通過雙向斬波器接入直流配電網(wǎng)，結(jié)合先進的控制算法可以保證用戶在短時間停電時的供電連續(xù)性，并起到平抑電網(wǎng)波動的作用。
1.5 提升系統(tǒng)供電能力
相同電壓等級的直流配電網(wǎng)相對交流配電網(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]。由多個可控電源端、可控負荷端、不可控負荷端通過電力線路組成的交直流配電系統(tǒng)是一種可控型復雜網(wǎng)絡，其關鍵設備以全控型半導體器件為基礎，易于實現(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)運行困難的缺點，具有功率雙向可控、快速響應等優(yōu)良特性。
1.6 便于各類電源及負荷靈活接入
在交流配電網(wǎng)中，大容量的風電、太陽能等分布式電源接入后，由于其有功、無功功率可能隨機大幅度波動，會引起局部電壓的波動，為保證供電質(zhì)量，必須嚴格限制其占電源總?cè)萘康谋壤?。而直流配電系統(tǒng)可以快速獨立地控制有功、無功，保持供電電壓恒定，能實現(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，通過靈活地實現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)，達到穩(wěn)定交直流電壓、平衡系統(tǒng)有功輸送、補償交流無功功率、提高安全穩(wěn)定運行水平的目的。
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，再恢復送電。而故障判別、故障隔離和負荷轉(zhuǎn)供所需時間相對較長，導致供電可靠性不高。而直流系統(tǒng)可合環(huán)運行，便于將單電源供電的放射狀配電網(wǎng)絡變?yōu)槎嚯娫垂╇?，提高供電可靠性。同時快速的故障定位、故障隔離控制和保護的互相配合，可以實現(xiàn)單一交、直流線路故障后，用戶不停電。
1.8 滿足敏感負荷的高質(zhì)量供電需求
交流配電網(wǎng)存在多種類型的電能質(zhì)量問題，如電壓波動、電壓善變、頻率變化、諧波等，均可能對用戶產(chǎn)品質(zhì)量造成較大影響，且治理方法非常復雜。直流配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量主要是電壓波動問題。只要解決并聯(lián)直流電源、負荷之間的協(xié)同電壓穩(wěn)定問題，采用高功率儲能單元平抑直流網(wǎng)絡功率波動的控制方法，可從根本上有效提高直流配電網(wǎng)的高電能質(zhì)量運行水平。
2 交直流混合配電系統(tǒng)的主要關鍵技術
2.1 規(guī)劃設計方面
目前，直流配電技術相關研究尚處于起步階段，目前規(guī)劃設計相關研究主要集中在電壓等級、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、綜合評價等方面[13,28-29]。GB/T 156—2007和IEC60038-2009中對直流電壓等級的規(guī)定較為一致，明確了直流牽引系統(tǒng)直流電壓等級主要有0.75 kV、1.5 kV和3 kV;行業(yè)標準YD 5210—2011中規(guī)定240 V為中國通信行業(yè)標準電壓等級;IEEE std 1709–2010中規(guī)定船舶用直流電壓等級有1.5 kV和±0.75 kV;GB/T 20234—2011中規(guī)定電動汽車直流充電接口額定電壓為750 V。文獻[11]中明確了直流配電的電壓等級和傳輸容量。文獻[12]中規(guī)定了中低壓直流配電應遵循的電壓等級和電壓偏差。
有關中壓直流配電網(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)絡架構(gòu)包括輻射型、兩端型或環(huán)型[13]。
輻射型或樹型，是配電網(wǎng)中最基本的拓撲結(jié)構(gòu)，每個負載只能通過一條路徑從電源處獲得電能。輻射型結(jié)構(gòu)簡單，是電網(wǎng)發(fā)展初期或者過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)，通過兩路電源可同時為負荷供電，可以閉環(huán)運行，也可以一路供電，另一路作為熱備用，系統(tǒng)可靠性較高，且可實現(xiàn)不同交流分區(qū)間的潮流控制。環(huán)型拓撲一般含有多條直流線路和直流母線，方便分布式電源和儲能設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，但其缺點是系統(tǒng)投資較大，保護配置復雜。
隨著能源互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，各類分布式電源、多元化負荷接入對配電網(wǎng)造成的壓力不斷增加，交直流混合配電系統(tǒng)憑借其技術優(yōu)勢可適用多類場景，針對不同類型應用場景中的電源和負荷的分布特性進行分析，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)典型拓撲結(jié)構(gòu)，并結(jié)合應用場景需求，明確其主要接線形式也是交直流混合配電技術發(fā)展的一項重要內(nèi)容。綜合分析最大負荷需求、負荷同時性、投資運行經(jīng)濟性、智能化和配用互動等因素，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、監(jiān)測等一二次設備配置方法也是當前亟待解決的關鍵性問題。考慮不同典型應用場景特點研究電壓序列、拓撲結(jié)構(gòu)、設施設備、電源接入及用戶接入等交直流配電典型單元模塊，通過對上述模塊的優(yōu)化組合最終形成交直流配電網(wǎng)典型供電模式，對于推廣交直流混合配電技術規(guī)范化應用具有重要意義。
另外，交直流混合配電網(wǎng)典型設計方案需在典型性與覆蓋面的廣泛性之間找到平衡點，因此要考慮設計的模塊化，即不同的模塊可以組合成多樣化的、滿足各種應用場景的交直流混合配電網(wǎng)設計方案，簡化交直流配電網(wǎng)工程的設計和管理。在設計方面需要開展的關鍵技術研究包括：在分析直流配電設施運行特點與功能定位的基礎上，提出適應多元化電源、負荷等設施接入的交直流配電系統(tǒng)的典型設施功能與參數(shù)指標體系;開展交直流配電網(wǎng)關鍵設施的設計技術原則與方法研究，明確關鍵設施的典型電氣接線、一次、二次設備典型配置、參數(shù)和功能要求;提出關鍵設施典型設計模塊和方案設計的基本遠景及方法，明確直流配電網(wǎng)關鍵設施及多元化電源、負荷接口典型設計方案。
2.2 關鍵設備方面
當前，針對直流配電關鍵設備的研究主要集中在基于電力電子技術的不同電壓等級換流器、直流變壓器和中高壓直流短路器及其相關控制策略方面[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)點在于工作原理簡單，控制系統(tǒng)構(gòu)造簡單，但兩電平換流器和三電平換流器均需要大量的開關器件直接串聯(lián)，投資較大。另外由于采用PWM調(diào)制技術，系統(tǒng)損耗相對較高，且輸出電壓中紋波含量較高。在直流變壓器方面，其主要拓撲包括諧振式高壓直流變壓器、Buck_Buck/Boost直流變壓器、諧振開關電容直流變壓器、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，但尚無適應多場景并具備故障穿越能力的兆瓦級中壓直流變壓器工程化應用。中壓直流斷路器方面，主要包括機械式、全固態(tài)和混合式等3類，國內(nèi)相關廠家已開發(fā)了開斷能力大于10 kA的10 kV混合式直流斷路器樣機，但成本較高、額定通流損耗嚴重。部分科研單位開發(fā)了開斷能力大于15 kA的10 kV機械式直流斷路器樣機，但存在斷口絕緣恢復差、小電流開斷困難等問題。
為滿足能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求，高效消納光伏、風電等分布式可再生能源，實現(xiàn)集中式或分布式能源生產(chǎn)、消耗、轉(zhuǎn)換等單元互聯(lián)，開發(fā)低成本、高性能的直流配用電關鍵裝備成為當前的關鍵性技術問題。在電源接入側(cè)，以各類能源及儲能接入需求為出發(fā)點，重點研發(fā)具備高可靠性、高效率、高穩(wěn)定性的電源側(cè)電力電子接口設備及其分層控制策略。在電網(wǎng)側(cè)，重點研究換流閥強弱電緊湊化布局和大電流應力下的優(yōu)化方法，提出AC/DC換流閥的高可靠設計方案，提出分層分布式控制架構(gòu)與分區(qū)保護架構(gòu)，實現(xiàn)換流器的可靠保護;采用磁集成技術減小變壓器體積和能耗，建立兆瓦級中壓直流變壓器拓撲優(yōu)化方案，提出功率快速精準控制策略及故障穿越方法。在用電側(cè)，通過研究寬禁帶器件應用技術、多諧振軟開關功率變換拓撲和低壓高頻磁路集成方法，解決變換器拓撲復雜、功率密度較低、一致性較差等問題，同時，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，實現(xiàn)家用電器能效整體提升。另外，目前快速直流開關主要有機械式和混合式2種。針對機械式開關存在斷口絕緣恢復差、開斷小電流困難等問題以及混合式開關存在成本高、額定通流損耗高等問題，提出各電壓等級直流快速開斷方案及拓撲結(jié)構(gòu)，開發(fā)高性能、低成本的中低壓直流斷路器成為目前一項亟待解決的關鍵性技術問題。
2.3 保護策略方面
交直流配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行需要完備可靠的保護策略，目前針對該方面的研究主要集中在各類故障對繼電保護的影響分析、故障特性分析、保護策略制定等方面[38-41]。部分高校已開展直流配電系統(tǒng)的故障特征與原理分析，提出了多端柔性直流配電網(wǎng)保護方案及限流方法。部分廠商研發(fā)了針對換流閥、直流變壓器等直流設備的保護裝置，但缺乏系統(tǒng)級的保護技術研究及工程應用。
直流配電系統(tǒng)的故障根據(jù)各類設備和系統(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、低電壓或過電壓等不正常運行方式。
交直流混合配電系統(tǒng)電源類型多、故障類型復雜，多類型換流站和儲能的控制策略、分布式電源功率波動對于故障暫態(tài)特性影響大，系統(tǒng)運行方式改變后保護原理和定值難以適應，電力電子設備耐受過電壓、過電流的能力差，系統(tǒng)直流短路阻抗小，故障對直流母線電壓波動影響大。因此，應重點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直流配用電系統(tǒng)的故障機理;研究多電壓等級直流配用電系統(tǒng)在不同拓撲結(jié)構(gòu)下的故障特征。進一步研究基于多點信息的直流配電系統(tǒng)故障快速識別與定位方法，提出多電壓等級直流配電系統(tǒng)保護配置方案，并結(jié)合相關需求研制直流配電系統(tǒng)保護、測量、控制一體化系列裝置及直流用電系統(tǒng)漏電保護裝置。
2.4 運行控制方面
交直流混合配電系統(tǒng)的電源主要包括交流配電網(wǎng)和太陽能、風電等多種分布式電源，負荷包括常規(guī)交、直流負荷以及儲能設備、電動汽車充電站等雙向可控負荷。運行控制的基本要求是通過對各類設備的主動控制，實現(xiàn)分布式能源的充分利用以及電源與負荷的高效、動態(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)定控制方法展開研究，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，時間尺度短，源荷類型單一。
為推動交直流配電技術發(fā)展應用，在運行控制方面尚需開展深入研究。重點研究多換流器并網(wǎng)及多電壓等級直流配電系統(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)合分布式電源及負荷預測結(jié)果，研究基于狀態(tài)估計的系統(tǒng)網(wǎng)絡重構(gòu)方法，構(gòu)建直流源荷匹配的系統(tǒng)滾動優(yōu)化調(diào)度模型，提出滿足源荷匹配的直流配電系統(tǒng)能量優(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)的應用對于減少一次設備投資、降低配電網(wǎng)損耗、減少無功補償設備、提升系統(tǒng)運行效率具有重要意義。本文重點針對交直流混合配電網(wǎng)發(fā)展的關鍵技術研究現(xiàn)狀及相關技術需求開展分析。交直流混合配電系統(tǒng)應盡快細化典型應用場景劃分原則和電壓序列選取原則，并進一步明確涵蓋典型網(wǎng)架、接線方式、一二次設備配置等方面的典型供電模式;加快研制快速開關設備、兆瓦級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備;提出滿足分布式電源及各類負荷靈活接入的優(yōu)化運行方式及分壓分層控制方法;明確直流混合配電網(wǎng)的故障識別方法、故障穿越及快速恢復方法、典型保護配置方案;根據(jù)實際工程需要提出交直流混合配電網(wǎng)關鍵設施及多元化電源、負荷接口典型設計方案。