直流配电系统关键设备技术的研究与应用

刘一帆

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传统的交流配电系统存在的问题越来越突出。随着电力电子技术的发展，广泛接入分布式电源和储能系统的直流配电系统已成为一个新的研究方向。直流配电系统还具有方便的直流负荷接入和提高电能质量的优点，适合未来配电网的发展趋势。

1 直流配电系统关键设备

1.1 直流断路器

直流断路器作为直流配电系统中的开关和故障隔离设备，直接影响着系统的控制和保护策略。直流配电系统故障发生时，故障电流的瞬间将达到峰值，所以直流断路器需要能够快速操作，同时断路器的可靠性高于直流系统的交流系统。直流断路器依照开断器件的不同可以分为：机械式直流断路器、全固态直流断路器以及前两者相结合的混合式直流断路器。机械式直流断路器主要由机械开关支路、反向电流支路和吸能支路组成。机械开关支路承载系统正常运行时的电流，故障发生时，电流过载，机械开关分闸，电弧产生，此时反向电流支路产生反向电流，使电弧熄灭，故障电流流入吸能支路完成能量吸收及故障断开。机械式直流断路器具有通态损耗小，耐压能力强的优点，但是在隔离故障时一般需要几十毫秒，不能达到直流配电系统速动性的要求。全固态直流断路器主要由电力电子器件支路与吸能支路组成[1-2]。电力电子器件支路承载系统正常运行时的电流，故障发生时，电力电子器件支路关断，故障电流流入吸能支路完成能量吸收及故障断开。全固态直流断路器没有机械开关，可以实现快速、无弧的分断电流。但是电力电子器件的通态损耗较大，制造成本也比较昂贵。将前两者的优点相结合，就得到了能满足速动性、低损耗等要求的混合式直流断路器。该类型的直流断路器包含机械开关支路、电力电子器件组成的电流转移支路与吸能支路。机械开关支路承载系统正常运行时的电流。当发生故障时，故障电流被转移到电流转移支路，然后再转移到吸能支路达到隔离断开的功能[3]。

1.2 换流器

换流器可以在直流配电系统中实现交直流转换。电压源变换器(VSC)在高压直流系统中得到了广泛的应用，而模块化多电平变换器(MMC-VSC)由于其模块化的优点，消除了对多耦合变压器和滤波装置的需求，近年来成为应用和研究的热点。

2 直流配电系统关键技术

2.1 直流配电系统控制技术

直流配电系统控制技术直接影响到整个系统的安全性和可靠性。在直流配电系统中，不需要无功补偿，控制更加灵活。然而，电力电子设备的引入使系统的稳定控制面临着新的挑战。采用分层分布式整体运行控制架构，将系统分为暂态稳定控制层、区域协调控制及优化调度层以及最上层的交流配电管理系统以实现不同运行模式下的协调控制与不同运行模式的平滑切换。根据源荷的特性对节点采用差异化控制，以实现系统内直流电压稳定、各设备按比协调出力的优化结果。

2.2 直流配电系统保护技术

保护技术是直流配电系统安全可靠运行的基础。类似于交流配电系统，直流配电保护系统设计需要满足同样的需求，如可靠性、速动性、选择性和经济性等，同时系统的结构由于分布式电源、储能系统和电力电子设备的接入变得更加复杂，设备分布比较密集，保护技术具有了需要解决的新的难点。直流配电系统保护技术首先需要保证故障检测和定位。目前直流线路中的故障检测和定位多采用行波法。提出一种多端直流配电线路行波故障测距算法，该算法根据配电系统的拓扑结构计算行波信号到各换流站的最短路径，通过双端行波测距原理进行故障点计算[4]。

2.3 直流配电系统可靠性评估技术

可靠性评估对一个系统的规划和运行具有指导意义，解析法与模拟法仍是直流配电系统可靠性评估的主要方法。直流配电系统的电力电子设备与交流系统中相应设备的运行与控制不同；直流配电系统中的潮流计算、可靠性指标计算等也与交流配电系统不同；同时由于直流配电系统中的设备目前并未有大规模的投入使用，关于其可靠性模型制定方式也需进行研究。以IGBT元件的故障率为基础得到电力电子设备的故障率，采用序贯蒙特卡洛模拟法进行可靠性评估，并在原有的可靠性指标基础上提出了计及新能源发电的直流配电系统系统指标[5]。将柔性直流互联装置划分为换流桥子系统、变压器子系统、滤波器子系统、控制保护子系统、线路子系统、极设备子系统六个子系统，并建立它们的可靠性模型，考虑系统发生故障后配网进行，对交直流混联配电网进行可靠性评估。

3 结语

直流配电系统作为目前广受关注的一种新的供电形式，与电网未来发展的智能化、信息化、大规模分布式电源和微网存在的趋势相适应。本文对直流配电系统中主要使用的电力电子设备以及直流配电系统的关键技术进行了介绍。随着直流配电系统中关键设备的研发以及关键技术的不断突破，直流配电系统的优势将更加显著的体现出来并得到更广泛的应用。