柔性直流配电系统控制策略及保护技术

柔性直流配电系统控制策略及保护技术

朱明海

云南电网有限责任公司文山马关供电局 云南 文山 663099

摘要：柔性直流配电系统是目前电网建设的重要内容，不仅关系到能源多样化、配电结构优化，更有利于确保分布式电源稳定性，但柔性直流配电系统存在技术短板，需要从系统控制策略和保护技术两个方面进行分析，本文研究了柔性直流配电系统运行方式，并从系统级控制和配网级控制两方面提出了柔性直流配电系统的具体控制方法，探究了直流配电系统的故障检测与定位、隔离手段，以此增强理论研究和实践经验，更好的保障柔性直流配电系统的应用和发展。

关键词：柔性直流配电；控制策略；故障特性

柔性直流配电系统属于集成配电、用电、发电为一体的双向能量流动有源网络，利用柔性直流配电系统可以突破传统光电能即时发送的影响，有利于提高用户的使用效率，为构建大容量、高电质的技术性支撑平台提供保障。同时，柔性直流配电系统不会受到交流同步稳定性的影响，可以避免交流环节能源流失和损耗，有效连接集中式和分布式的能源单元，为城市提供更为理想的供电方式。

1.柔性直流配电系统控制策略

1.1柔性直流配电系统运行方式

柔性直流配电系统的转换器接收来自于交直流电源和再生能源的电能，保证储能系统和微电网之间的能量传递，因为柔性直流配电系统运行方式存在多样性特点，不同运行方式可以引起网络潮流分布变化，因此需要有效控制柔性直流配电系统的运行方式，避免功率问题造成直流电压波动，影响敏感负荷的电能需求。

1.2柔性直流配电系统的具体控制方法

1.2.1系统级控制

系统级控制是根据协调系统稳定各设备的运行状态，确保电能的稳定供给。柔性直流配电系统不会受到频率和功率的影响，因此只要在电压方面进行稳定控制，即可保证该系统的正常运行。常见的系统级控制方式有三种，一是主从控制，是借助各个换流器进行信息传输，这种方法的控制效率较差。二是下垂控制，通过静差调节下垂系数，根据预先设定形式了解到能量的动态变化裕量，这种方法的功率波动能力差，反应速度较慢，容易影响敏感负荷的正常运行。三是裕度控制，可以根据后备站优先级选取困难，防止出现电压的大范围波动。因为直流配电系统惯性时间常数小，因此需要综合各种系统级控制方式，提升控制效果，可以采用主从+下垂、主从+裕度、裕度+下垂等方式提升协调控制效果，根据不同运行情况调整针对性的控制模式，不仅可以保证电压稳定，也可以维持配电网的安全，提升反应速度，有效解决控制问题。

1.2.2配网级控制

配电网控制是在能量管理系统(EMS)基础上进行的调试方式，通过改变换流器和并网单元等控制方式实现多元电压的稳定控制。柔性直流配电系统具有一定复杂性，配电网控制过程中需要建立模型满足优化效果，更好地应对储能系统荷电状态的不确定性，还需要实时跟踪源荷配比，调节功率裕度以及平抑功率波动的多时间尺度，从而提升控制效果。

2.柔性直流配电系统保护技术

2.1柔性直流配电系统接地方式

如果柔性直流配电系统的接地方式较为合理，不仅可以增强系统的恢复能力，也可以避免交流侧零序电流向直流线路的馈入，目前行业内关于柔性直流配电网接地方式的标准并不明确，不仅涉及换流变压器、交流滤波器等众多单元，还需要综合考虑不同运行工况下零序分量在交直流两侧的传递情况。另外，还需要采取相关绝缘技术和材料，满足成本控制和用电安全的需求。

2.2柔性直流配电系统故障特性分析

柔性直流配电系统的故障分析集中在换流器侧口不对称、直流线路单极接地故障等方面，因为侧出口不对称导致负序分量出现非特征谐波，零序分量出现基频共模波动。影响波动幅度的因素主要有三个，分别为电容量、换流电抗器以及接线方式，直流配电系统的单机故障为“电容放电阶段”和“交流侧馈入阶段”，为避免故障影响，限制并网换流器的运行，需要安装集成电路保护装置，基于故障特性进行分析，通过换流器不闭锁以及限流装置保护电流电子元件，从而起到系统保护的功能。

2.3柔性直流配电系统故障检测与定位

柔性直流配电系统故障检测和保护装置包括交流侧、直流网络、电力电子交换器等，但因为直流线路的分支过多，具有非线性特征，系统故障的检测和定位难度较大。交流保护是小电流的接地方式，但其在故障识别和检测中具有一定效果。交流保护投切小电阻增大故障电流，可以在短时间内恢复电流运行，保障系统运作。但这种故障检测和定位方法对电气量存在依赖性，检测和定位效果受到电气量幅度值变化的限制，存在灵敏度和精度低的问题。也可以利用电流电压乘积率进行故障检测，满足通信设备的应用需求。

2.4柔性直流配电系统故障隔离手段

2.4.1故障限流器

故障限流器是重要的保护装置，具有较强的隔离效果。其应用过程中根据超导材料、饱和电抗器、电力电子器件等提升故障穿越功能，并利用无源元件的参数降低交流侧的电流影响，有效减少直流电路器的故障次数，在安装故障限流器后，电流发生率存在变化，会在一定程度上降低电网动态响应速度和敏感程度，从而加大避雷器故障电流的消耗时间。

2.4.2直流断路器

直流网络保护的隔离手段多是依靠直流断路器保护装置，直流断路器装置可以发出断开指令，起到保护效果。混合断路器是目前直流断路器装置的主要形式，混合断路器对比传统断路器具有更好的断开性能，优化了通态损耗过大的问题，是直流系统保护的主要装置。部分学者对混合直流断路器进行实验分析，根据监测断定性能，证明了混合直流断路器具有一定合理性，尤其是混合断路器安装了自适应故障限流能力的新型固态断路器(SSCB)，提升了隔离与故障限流的效率，降低了混合直流断路器存在的运行损耗，未来应用前景较好。

结语：柔性直流配电技术的发展增强了配电网的灵活性、开放性和兼容性，可以为电能交换提供数据信息，满足多样化电能电力需求。为此，针对柔性直流配电系统的控制与保护研究不仅可以推进配电系统的健康发展，更有利于打造智能电网系统，促进直流配电网系统升级。但未来柔性直流配电系统更加需要满足资源的分散化需求，合理应用储能设备，提高设备聚合效应利用率，从而增强电能质量与供电系统的可靠性。

参考文献：

[1]王聪博,贾科,毕天姝,等.柔性直流配电系统故障后快速恢复方法研究[J].电网技术,2020,44(7):7.

[2]杨景刚,刘洋,苏伟,等.苏州同里±10kV柔性直流配电系统直流故障特性研究[J].电力工程技术,2021,40(6):8.