韓永霞，馮帥松，高毓群，鄭文博，張競(jìng)涵，趙宇明，韋甜柳，李立浧

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2. 深圳供電局有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518020；3. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663)

柔性直流配電網(wǎng)因具備分布式能源并網(wǎng)及消納、電能質(zhì)量高、便于多種直流負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置靈活接入等優(yōu)勢(shì)而成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[1-4]。到目前為止，國(guó)內(nèi)外已有深圳±10 kV 兩端、珠海±10 kV 三端、貴州±10 kV 五端、杭州±10 kV三端、蘇州±10 kV兩端以及德國(guó)亞琛10 kV兩端等多地的直流配電系統(tǒng)示范工程的研究及投運(yùn)報(bào)道[5-11]。但由于柔性直流配電系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少，應(yīng)用場(chǎng)景、控制保護(hù)、故障隔離措施、過電流及過電壓的防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)仍需要進(jìn)一步研究。

故障的診斷及快速隔離是保證直流配電系統(tǒng)具備高可靠性的關(guān)鍵。直流配電系統(tǒng)多基于柔性直流技術(shù)，其換流器并聯(lián)電容元件較多，在系統(tǒng)各種短路及接地故障下，流過各設(shè)備及故障點(diǎn)的電流在毫秒以內(nèi)能迅速增加至幾十千安培，過電流抑制、故障診斷及隔離難度較大；此外，在各種故障中，尤其是當(dāng)系統(tǒng)串聯(lián)有大量限流設(shè)備時(shí)，連接有多種換流器的直流配電系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生較大的過電壓。因此，對(duì)柔性直流配電系統(tǒng)的故障隔離措施、限流方案、過電流抑制、過電壓與絕緣配合的研究等是保證其安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)[12-16]。

本文結(jié)合柔性直流配電系統(tǒng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及主接線，系統(tǒng)分析柔性直流配電系統(tǒng)故障中的限流方案、過電壓與絕緣配合、設(shè)備暫態(tài)電流、過電壓過電流的綜合協(xié)調(diào)防護(hù)等的研究現(xiàn)狀，探討目前柔性直流配電系統(tǒng)面臨的主要問題，并提出相應(yīng)的研究思路與展望。

1 柔性直流配電系統(tǒng)典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

柔性直流配電系統(tǒng)網(wǎng)路架構(gòu)主要包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、主接線方式和接地方式。

1.1 柔性直流配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

柔性直流配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分樹枝狀、放射狀、環(huán)網(wǎng)、兩端及多端等[17]。綜合考慮供電可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及控制保護(hù)實(shí)現(xiàn)的難易程度，兩端及多端的柔性直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛[18]。

在現(xiàn)有柔性直流配電系統(tǒng)及示范工程研究中，深圳、蘇州的直流配電系統(tǒng)均采用了兩端式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，珠海、杭州、貴州的直流配電示范工程采用了多端式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5-10]。典型的兩端式及三端式直流配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。

圖1 深圳兩端式柔性直流配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of Shenzhen two-terminal flexible DC distribution system

圖2 珠海多端柔性直流配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of Zhuhai multi-terminal flexible DC distribution system

1.2 系統(tǒng)接線方式與接地方式

柔性直流配電系統(tǒng)故障時(shí)產(chǎn)生的過電壓及過電流也受系統(tǒng)接線方式及接地方式影響。柔性直流配電系統(tǒng)的接線形式分為單極接線和雙極接線，綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性，多采用對(duì)稱單極接線方式[19]。此時(shí)，柔性直流配電系統(tǒng)可以通過直流側(cè)接地，也可以通過交流側(cè)接地?？紤]到直流側(cè)接地的經(jīng)濟(jì)性較差，一般需要結(jié)合交流系統(tǒng)的接地方式及變壓器接線形式，采用合理的交流側(cè)接地方式[20]。

文獻(xiàn)[21]對(duì)柔性直流配電網(wǎng)接入交流電網(wǎng)的方式研究表明，在換流器與交流系統(tǒng)間配置聯(lián)接變壓器，能夠起到隔離交流故障對(duì)直流系統(tǒng)以及直流故障對(duì)交流系統(tǒng)影響的作用。文獻(xiàn)[22]系統(tǒng)研究了配置聯(lián)接變壓器時(shí)，柔性直流系統(tǒng)不同接地方式的差異，如圖3所示。圖3(a)所示為聯(lián)接變壓器中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式，圖3(b)所示為通過星型電抗經(jīng)電阻接地方式。研究表明：當(dāng)聯(lián)接變壓器換流閥側(cè)的繞組有中性點(diǎn)時(shí)，采用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式；當(dāng)聯(lián)接變壓器換流閥側(cè)的繞組沒有中性點(diǎn)時(shí)，應(yīng)采用星型電抗經(jīng)電阻接地。目前，柔性直流配電系統(tǒng)多采用圖3(a)所示的聯(lián)接變壓器中性點(diǎn)經(jīng)接地電阻接地的方式[8,23]。

圖3 典型柔性直流配電系統(tǒng)接地方式Fig.3 Grounding modes of typical flexible DC distribution system

2 限流方案設(shè)計(jì)

柔性直流配電系統(tǒng)多采用直流斷路器(DC circuit breaker, DCB)快速隔離故障，但由于DCB的開斷能力有限，需要配合相關(guān)的限流措施才能安全可靠地實(shí)現(xiàn)故障的開斷及隔離[24]。此外，限流器也可以抑制短路故障下流過各關(guān)鍵設(shè)備的沖擊電流，保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

目前柔性直流配電系統(tǒng)的限流裝置主要包含限流電抗器和電阻型超導(dǎo)限流器[25]，研究表明兩者均有較好的限流效果。在具體的多端柔性直流配電系統(tǒng)中，如何配置限流器及設(shè)計(jì)限流器參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)整體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性有較大影響，例如對(duì)設(shè)備暫態(tài)電流和絕緣水平的設(shè)計(jì)均會(huì)產(chǎn)生影響。

相關(guān)研究表明，直流雙極短路故障是直流母線及DCB過電流的決定性故障工況[25]。圖4所示為多端柔性直流配電系統(tǒng)中各換流器出口可能發(fā)生的3種典型雙極短路故障。圖4中：F1故障時(shí)，流經(jīng)DCB的電流是換流器1的放電電流；F2和F3故障時(shí)，流經(jīng)DCB的電流均為其他所有換流器出口的放電電流之和，但相比F2，F(xiàn)3故障時(shí)的放電回路中多了本換流器的限流器，故F2故障下流經(jīng)DCB的電流更大。當(dāng)DCB開斷能力有限時(shí)，如5 ms內(nèi)開斷10 kA的故障電流，則需要設(shè)計(jì)限流器的參數(shù)能在5 ms內(nèi)將DCB電流幅值限制在10 kA以內(nèi)。綜上，需要考慮最嚴(yán)格的故障工況，從而確保F1和F2故障時(shí)限流器參數(shù)與DCB開斷能力的協(xié)調(diào)配置。文獻(xiàn)[26]在限流方案及其參數(shù)設(shè)計(jì)方面做了系統(tǒng)詳細(xì)的理論分析與仿真研究，理論推導(dǎo)了典型故障下?lián)Q流器出口過電流計(jì)算式以及應(yīng)當(dāng)配置的限流器參數(shù)計(jì)算式，并開展了仿真驗(yàn)證，為多端柔性直流配電系統(tǒng)中限流方案及其參數(shù)設(shè)計(jì)提供了思路和方法。

圖4 換流器直流側(cè)雙極短路故障Fig.4 Bipolar faults at DC side of converter

3 過電壓與絕緣配合

柔性直流配電系統(tǒng)設(shè)備絕緣水平的選取需要基于其內(nèi)部過電壓及雷電過電壓的詳細(xì)計(jì)算。

3.1 內(nèi)部過電壓

內(nèi)部過電壓主要是指系統(tǒng)在典型操作及故障情況下的過電壓，一般采用電磁暫態(tài)仿真軟件仿真分析典型故障下關(guān)鍵位置的電壓分布及其影響因素，并提出決定性故障工況[27-29]。

柔性直流配電系統(tǒng)的典型故障的可劃分為交流側(cè)、換流器區(qū)域及直流線路區(qū)域故障[30-33]，如圖5所示。

相關(guān)學(xué)者針對(duì)控制保護(hù)、子模塊拓?fù)?、限流措施、典型?fù)荷投切及波動(dòng)等對(duì)柔性直流配電系統(tǒng)過電壓的影響開展大量研究。如針對(duì)換流器子模塊是否閉鎖仿真研究其對(duì)故障特性及過電壓分布的影響，研究結(jié)果表明，極間短路故障時(shí)，子模塊閉鎖情況下的極間電壓和故障電流值要比不閉鎖時(shí)更大[34]。針對(duì)換流器全橋和半橋子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)過電壓的影響，仿真分析并提出了半橋型結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)過電壓整體較低[35]。文獻(xiàn)[36]則仿真分析并對(duì)比了超導(dǎo)限流器及限流電抗器的接入對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)過電壓的影響，得出在加入限流電抗器方式下過電壓較高的結(jié)論。針對(duì)柔性直流配電系統(tǒng)接入的多種間接性及波動(dòng)性負(fù)荷的影響，仿真分析表明負(fù)荷的投切和波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)過電壓幾乎沒有影響[37]。

圖5 柔性直流系統(tǒng)各典型故障示意圖Fig.5 Typical faults of flexible DC distribution system

隨著不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、大量且多樣的直流負(fù)荷的接入，過電壓影響因素會(huì)繼續(xù)增加。

3.2 雷電過電壓

柔性直流配電系統(tǒng)的換流器一般位于戶內(nèi)且線路多采用電纜，所以一般不考慮雷電及其防護(hù)。但也存在柔性直流配電系統(tǒng)的某個(gè)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)暴露在室外遭受雷擊引起系統(tǒng)故障的情況；考慮到將來也可能采用架空線路，有必要開展柔性直流配電系統(tǒng)的架空線路的雷電防護(hù)、換流器雷電侵入波過電壓及其防護(hù)等研究。

±10 kV直流架空線路可能遭受感應(yīng)雷電過電壓、反擊、直擊或繞擊雷電過電壓，因此需要建立線路及站內(nèi)設(shè)備的雷電過電壓仿真模型，分析一定概率雷電流幅值下?lián)Q流器設(shè)備的最大雷電過電壓以及架空線路跳閘率等，提出設(shè)備雷電沖擊絕緣水平和線路的防雷措施。

文獻(xiàn)[38]對(duì)柔性直流配電系統(tǒng)的雷電過電壓建模方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，通過仿真對(duì)比分析，得出了線路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓及換流器端數(shù)對(duì)雷電侵入波過電壓的影響較小的結(jié)論。因此，多端柔性直流配電系統(tǒng)的雷電侵入波過電壓的仿真，可參考常規(guī)換流站雷電侵入波過電壓的仿真建模方法，如與常規(guī)換流站建模方法類似取各設(shè)備高頻等效模型等，如圖6所示。

架空直流線路與配電線路防雷分析方法接近，包括桿塔模型、雷電流波形、絕緣子閃絡(luò)判據(jù)等建模方法[39-40]。雷電流幅值可根據(jù)配電系統(tǒng)所在地的雷電流幅值累計(jì)概率分布及地閃密度平均值選取[41-44]。

3.3 換流器絕緣配合方案

柔性直流配電系統(tǒng)的避雷器配置方案可參照傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)和柔性直流輸電系統(tǒng)，并結(jié)合避雷器配置原則進(jìn)行。圖7給出了典型柔性直流換流器的避雷器配置，A型避雷器為交流系統(tǒng)側(cè)避雷器；A2型避雷器用于保護(hù)橋臂電抗器及聯(lián)接變壓器的二次側(cè)，同時(shí)也對(duì)聯(lián)接變壓器閥側(cè)的接地支路起保護(hù)作用；DB型避雷器用來保護(hù)直流母線及其相關(guān)設(shè)備，并與A2型避雷器配合實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器的保護(hù)；DL型避雷器裝在直流線路側(cè)，用來保護(hù)直流母線及其相關(guān)設(shè)備；直流側(cè)接入負(fù)荷的換流設(shè)備故障產(chǎn)生的過電壓均由DL型避雷器抑制。根據(jù)具體工程，可適當(dāng)刪減或增加某種類型的避雷器。如文獻(xiàn)[23]參照避雷器配置要求，在柔性直流配電系統(tǒng)中提出了3種不同的避雷器配置方案。其方案1與圖7所示相同，方案2在圖7的基礎(chǔ)上在各電抗設(shè)備兩端增加了避雷器，方案3則在圖7的基礎(chǔ)上將直流側(cè)正負(fù)極的避雷器改為在正負(fù)極間接入單個(gè)避雷器。文獻(xiàn)[29]在柔性直流配電網(wǎng)中提出了2種避雷器配置方案，其中一種方案與圖7所示相同，另一種方案的差別在限流電抗器兩端、閥組兩端和聯(lián)接變壓器中性點(diǎn)有無配置避雷器。仿真結(jié)果表明，配置更多的避雷器起到了降低直流電抗器與線路設(shè)備絕緣水平的作用，但提高了橋臂電抗器的絕緣水平。

圖6 單端換流器的雷電侵入波過電壓仿真模型Fig.6 Simulation model of lightning invasion wave overvotlage of single-terminal converter

圖7 直流換流站典型的避雷器布置Fig.7 Configuration of arresters in DC converter station

避雷器參數(shù)的選擇原則與常規(guī)直流系統(tǒng)一樣，不同的是，為了提高柔性直流配電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性，需要系統(tǒng)在單極接地故障下短時(shí)持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。因此極母線及極頂避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓要考慮正常運(yùn)行和單極接地故障2種情況，取2種情況下的最大值[33]。

在避雷器配置完成后，對(duì)系統(tǒng)各類故障情況下的過電壓進(jìn)行仿真計(jì)算并統(tǒng)計(jì)決定性故障工況。如文獻(xiàn)[36]通過對(duì)珠海±10 kV三端柔性直流配電系統(tǒng)的過電壓仿真分析，給出了其過電壓決定性故障工況統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 過電壓決定性故障工況Tab.1 Decisive faulted conditions for overvoltage

柔性直流配電系統(tǒng)的絕緣配合系數(shù)可參考高壓直流系統(tǒng)[33]，結(jié)合最大過電壓統(tǒng)計(jì)結(jié)果及避雷器保護(hù)水平的選取，可提出各設(shè)備所需的操作沖擊耐受電壓。如果系統(tǒng)不考慮雷電防護(hù)，則可結(jié)合操作耐受電壓設(shè)計(jì)和提出設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓；如果需要考慮換流器防雷電侵入波，則需要結(jié)合架空線路防雷方案設(shè)計(jì)站內(nèi)設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓。

3.4 架空線路防雷方案

柔性直流配電系統(tǒng)架空線路的防雷研究要基于內(nèi)部過電壓及其避雷器配置方案，如在其基礎(chǔ)上增加換流器出口避雷器并聯(lián)柱數(shù)、加裝線路避雷器、安裝架空避雷線及降低桿塔的接地電阻等方式及其組合[44]。

雷電防護(hù)要綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性及可靠性。文獻(xiàn)[38]針對(duì)柔性直流配電系統(tǒng)開展了不同防雷方案的綜合對(duì)比分析，結(jié)合增加避雷器并聯(lián)柱數(shù)、架設(shè)避雷線和桿塔人工接地等綜合防雷方案，對(duì)比分析了站內(nèi)設(shè)備雷電沖擊絕緣水平、線路雷擊跳閘率與投入費(fèi)用等差異，結(jié)合供電可靠性及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性要求，提出了各種防雷方案的適用場(chǎng)景。

相比于電纜，采用架空線路對(duì)柔性直流配電系統(tǒng)的可靠性仍然是很大的挑戰(zhàn)，在經(jīng)濟(jì)允許的條件下不建議采用架空線路。

4 過電流分析及設(shè)備暫態(tài)電流設(shè)計(jì)

當(dāng)柔性直流系統(tǒng)發(fā)生各種短路及接地故障時(shí)，相關(guān)設(shè)備中會(huì)流過比較大的過電流。即使系統(tǒng)具備限流器抑制故障電流，DCB開斷并隔離故障點(diǎn)以及過電流閉鎖保護(hù)等防護(hù)措施，流過設(shè)備的沖擊電流幅值會(huì)減小但仍然存在。因此，在系統(tǒng)主接線、限流方案及避雷器絕緣配合方案確定的基礎(chǔ)上，需要在典型故障下仿真分析各關(guān)鍵設(shè)備的最大過電流，并以此為基礎(chǔ)提出設(shè)備暫態(tài)電流設(shè)計(jì)值。

暫態(tài)電流是校驗(yàn)設(shè)備電動(dòng)力穩(wěn)定度和設(shè)備選型制造的重要依據(jù)，因此詳細(xì)而準(zhǔn)確地開展過電流理論、仿真及其影響因素分析至關(guān)重要[25,45-48]。

此外，相關(guān)學(xué)者為開展各種短路及接地故障下的故障特征及保護(hù)策略的研究，針對(duì)各類故障下的過電流開展了理論及仿真研究[49-53]。雖然與開展關(guān)鍵設(shè)備暫態(tài)電流設(shè)計(jì)的目的不同，但典型故障下的過電流的理論及仿真分析方法基本相同。

過電流的仿真建模方法與過電壓相同，典型故障工況也類似，相關(guān)研究通過理論分析和仿真計(jì)算提出了決定性故障工況，見表2[45,54]。

表2 過電流決定性故障工況Tab.2 Decisive faulted conditions for overcurrent

5 協(xié)調(diào)防護(hù)的研究思路

上述分析表明，系統(tǒng)的限流方案、過電壓與絕緣配合、設(shè)備暫態(tài)電流等研究均基于典型故障下的電磁暫態(tài)過程分析，雖然研究目的各不同，但分析方法相近，彼此之間會(huì)存在相互影響。

如在開展故障診斷及隔離措施研究中，需要結(jié)合開斷裝置的能力設(shè)計(jì)限流方案，而限流裝置的接入也會(huì)影響故障信號(hào)特征甚至保護(hù)策略的確定[55]。

其次，系統(tǒng)采用限流電抗器限流時(shí)，短路故障下限流電抗器兩端將產(chǎn)生較大的過電壓，對(duì)系統(tǒng)的過電壓水平產(chǎn)生影響[36]。因此，需在確定限流方案的前提下開展系統(tǒng)的過電壓及絕緣配合研究，如果不同限流方案系統(tǒng)絕緣配合方案差異較大，則需要綜合比較技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

在設(shè)備暫態(tài)電流研究中，避雷器動(dòng)作時(shí)相當(dāng)于系統(tǒng)接地點(diǎn)增加，流過相關(guān)設(shè)備的過電流將會(huì)發(fā)生變化[56-57]。故在確定避雷器配置方案的前提下，開展柔性直流配電系統(tǒng)的暫態(tài)電流分析會(huì)將更加精確；此外，故障中的保護(hù)策略也在一定程度上影響系統(tǒng)過電壓及過電流的大小及分布。

綜上所述，針對(duì)同樣基于故障中電磁暫態(tài)過程分析的故障診斷及隔離、限流方案、過電壓與絕緣配合、設(shè)備暫態(tài)電流等研究，有必要從系統(tǒng)的角度開展多方面的綜合協(xié)調(diào)防護(hù)研究，探索最優(yōu)的綜合防護(hù)方案。

6 結(jié)論與展望

本文結(jié)合典型多端柔性直流配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和主接線，綜述了其故障隔離及限流方案、過電壓與絕緣配合、過電流分析方法及設(shè)備暫態(tài)電流設(shè)計(jì)等的研究現(xiàn)狀，提出了其分析基礎(chǔ)均為典型故障下的系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程，理論及仿真分析方法類似，可以從系統(tǒng)的角度開展多方的綜合協(xié)調(diào)防護(hù)研究。

目前對(duì)于多端柔性直流系統(tǒng)的過電流、過電壓及其防護(hù)的研究，從理論到仿真分析、設(shè)計(jì)方案到示范工程等研究都在逐步完善，但仍然存在一些問題。如理論及仿真分析結(jié)果及規(guī)律尚需要與實(shí)驗(yàn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，以更好地指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行；隨著多端柔性直流的發(fā)展，系統(tǒng)接入負(fù)荷及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜程度隨著增加，電磁暫態(tài)過程更加復(fù)雜，故障隔離及限流防護(hù)方案難度也會(huì)增加。因此要進(jìn)一步研究大容量、多端柔性直流配電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)理論分析方法，開展綜合協(xié)調(diào)防護(hù)研究，加快大電流DCB等故障隔離裝置的研發(fā)，才能有助于實(shí)現(xiàn)更大容量、更多端數(shù)的柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展，避免過電流太大帶來的一系列限制。