摘要：随着多端柔性直流技术以及直流断路器技术趋向成熟，直流配电网受到越来越多国家的关注。柔性直流配电网内换流站的控制保护系统需要满足多端柔直变电站间协调控制、直流配电线路故障检测与保护、故障动作后的系统快速恢复运行等新要求。基于柔性变电站的交直流配电网技术，搭建了系统模型，开展了电气计算，设计了自动化系统，制定了控制保护策略。仿真结果验证了方案原理及理论分析的正确性和工程实施的可行性，验证了基于柔性变电站的交直流配电网在提高“源网荷”协调互动水平、实现潮流互济、提高系统可靠性方面的作用。
关键词：柔性变电站；交直流配电网；技术
柔性直流技术近年来己经在输电领域广泛应用，但在配电环节发展滞后。面对城市配电网进一步提高可靠性和线路增容的需求，有必要研究柔性直流装置对现有配电网进行升级改造的技术。现有城市配电网一般是闭环设计，开环运行。如果利用中压柔性直流环网控制装置实现配电网在通常情况下闭环运行，将大大改善系统的性能。这就需要专口研究该装置的选址和容量配置问题，其对配电网的安全、经济运行有重要的意义。
一、柔性直流电力技术
目前，全球各国的城市配电网的发展都面临这样一个问题，即怎样进一步提高供电可靠性、怎样方便安全地接入分布式能源。对于如何解决这一难题，国内外相关研究机构如欧洲电力电子学会、知名学者均认为，采用新一代换流技术——电压源换流器的新型直流技术，在海岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势。利用直流技术加强交流配电网，是实现风电、太阳能等分布式电源并网的有效途径，且能较好地解决大型配电网存在的短路电流偏大、动态无功补偿不足等问题，是未来电力系统的发展方向和战略选择。现如今在我国己经有多条柔性直流输电线路投入运行，还有多个正在建设之中。我国高压配电网普遍采用分区运行，中压配电网网络结构大多为环形结构，但还是以开环运行为主。中压配电网一般为环网设计，开环运行，不具备潮流调节、负荷均衡和连续负荷转移的能力。利用柔性直流技术与现有交流网络充分融合，构建交直流配电网，需要研究新型交直流混合配电网网络结构，实现配电网闭环运行。柔性直流装置的应用提高了电网的供电安全性及可靠性水平。
二、基于柔性变电站的交直流配电网技术
1、组网方案
构建基于柔性变电站的交直流配电网组网方案如图所示，柔性变电站A、B中压交流侧分别接入交流电网。中压直流侧互联，可实现潮流双向灵活控制;同时中压直流侧直接接入直流升压的光伏电源。低压交直流侧既可为交直流负荷供电，又可以接入分布式电源。通过柔性变电站的强大功能，形成“源网荷”协调互动的交直流配电网。
2、柔性变电站功能形态。柔性变电站是以电力电子广泛应用为特征的新一代变电站，在上述组网方案中居于核心地位。技术上，柔性变电站以电力电子技术、控制保护技术以及信息通信技术等的高度融合为特征;设备形态上，功能高度集中，设备界限逐渐模糊;角色定位上，不仅是能量传输节点、电网调控节点，还是负荷调控节点;运行方式上，既可以并网运行，又可以孤网运行;信息交互上，不但可以作为接收和执行信息的节点，而且可以实现数据采集功能，实现电气设备与信息的深度融合，随着容量的增大和电压等级的提高，柔性变电站在电力系统中可发挥能源路由器的作用，在分布式与集中式新能源柔性接入、用户多元化供用电、交直流混合联网、枢纽电站控制等方面有重要的应用前景。柔性变电站的核心设备为多功能交直流电力电子变压器PET，PET采用多端口一体化设计，具备10kVADC/5MW端口，各端口间实现潮流的双向流动，满足交直流配电网柔性灵活控制的需求，PET10kVAC、±10kVDC和低压750VDC部分为一体化设计，包含大功率中频环节，低压380VAC换流器端口为分立标准柜式结构，以便于根据负荷情况增容扩展。
如图所示，PET采用三级结构，包括输入级箝位双子模块CDSM，隔离级DC/DC变换器以及输出级DC/AC和DC/DC模块。输入级CDSM具有闭锁箝位能力，直流侧接入±10kV直流网络，能实现中压直流故障电流的快速截断，节省直流断路器配置。隔离级DC/DC变换器采取中压侧串联，低压侧并联的结构，与750V低压直流网络连接。高频变压器采用三相共铁芯拓扑，交/直流变换产生的二倍频波动在铁芯中抵消，大幅减小传统MMC拓扑的模块电容，降低设备的体积和造价。输出级DC/AC模块、DC/DC模块分别向低压交流负荷、低压直流负荷供电。
3、方案技术先进性
基于柔性变电站的交直流配电网是电力电子技术与配网技术的结合，其先进性体现在如下几方面。
(1)在分布式电源方面，基于柔性变电站的交直流配电网技术可利用柔性电力设备特性，实现电压、频率等参数动态快速调节;可对变电站系统有功、无功功率起到综合支撑作用;与传统分布式能源并网方式相比，基于柔性变电站的交直流配电网技术可实现分布式电源的直流并网，为分布式电源接入电网的形态提供多样选择;同时具备与各类分布式电源、储能装置协调控制，灵活调控潮流。
(2)在多元化负荷供电方面，基于柔性变电站的交直流配电网技术可实现交直流混合输出，提供多电压等级、交直流多电能形态的优质电源，适合数据中心、电动汽车等交直流多元化负荷即插即用，提升了用户友好性;可有效抑制电压闪变，提升电压合格率，隔离电能质量故障;可支撑用户需求侧管理，提供优质电力供应及紧急应召功能。
(3)在配电网运行方面，基于柔性变电站的交直流配电网技术连接方式多样，可实现高低压交直流电网互联，实现交直流配电网能量灵活互通，提升配网运行的可控性;可利用电力电子设备动作特性，实现系统故障快速切除，提升配电网运行可靠性，是一种先进的配电网发展形态。
三、交直流混合配电网控制策略
交直流混合配电网运行状态多变且功能结构复杂，除考虑交流系统潮流外，还需考虑多个PET的换流约束以及直流环节所连接的负荷随机性用电、分布式电源的不确定性出力以及储能系统的充放电行为。交直流混合配电网的能量管理系统作为交直流混合配电网控制系统的最高一级，可以通过智能电表获得配电网中负荷、线路和分布式发电的实际运行状态参数，选取恰当的优化目标以及适用于交直流混合系统的最优潮流算法进行最优潮流计算[4]。最优潮流计算结果将作为调度指令传达到各处，其中包括直流环节通过各传输到交流系统或从交流系统获取的有功功率的大小，以及各需要对各自连接的交流线路进行无功补偿的大小。可见该控制策略既可以对配网系统功率进行调节又能对直流电压进行控制，解决了系统在运行方式变化时复杂的模式切换问题，降低了系统对监测、通信和控制的要求，真正实现了PET工作模式的无缝切换。
近年来，传统的交流配电方式面临着前所未有的挑战。新型能源接入需求不断增加，光伏、风电、储能等新型能源增速迅猛;多样化用电需求不断增加，直流负荷、变频设备涌现;其中以新能源电源和多样化负荷涌现所带来的冲击最为剧烈，直流配电网技术成为解决上述问题的有效途径。
参考文献
[1]马为民，吴芳劫.柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J].高电压技术，2014，40(8)：29.
[2]黄仁乐，程林，李洪涛.交直流混合主动配电网关键技术研究[J].电力建设，2015，36(1)51.
[3]黄华.柔性直流输电在城市电网中应用的可行性[J].电气技术，20l5(8)：29-32.
[4]丁明，毕锐，王京景.基于FD法和模型组合的柔性直流输电可靠性评估[J].电力系统保护与控制，2015，36(21)：33.37.
论文作者:张怡旻
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/8
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