交直流混合配电网控制保护技术研究与应用

王一，侯成，程旭，肖立军，刘树

(1.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100085；2. 广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海 519000)

相比交流配电系统，直流配电系统供电容量更大，供电半径更长，运行效率更高，电能质量问题不突出，不存在无功补偿问题，可闭环运行，可节省走廊资源25%～30%[1-4]。随着大型数据中心、电动汽车等多元化负荷的迅速增长，传统的城市配电系统面临供电容量不足、电能质量难以保障、供电可靠性降低等问题，亟需进行升级改造[5-6]。现代城市配电网需要交流配电网合环运行，互为热备用，以提高供电可靠性；需要多路交流配电网负载主动平衡，以提高系统设备利用率；需要对可再生新能源发电进行直流汇集，减少损耗和发电成本；需要电动汽车、储能高效接入，实现配电网的能量管理和峰谷互济。在传统交流配电网中增加直流配电网所构建的交直流混合配电系统是城市配电网的重要发展方向。

近年来，多个国家和地区均开展了直流配电系统的理论研究和工程示范[7-9]，包括日本大阪大学交直流配电网双极系统、CPES SBI计划、韩国明知大学智能配电网项目、罗马尼亚布加勒斯特理工大学直流配电项目以及欧洲UNIFLEX项目等，主要在低压直流配电系统进行，系统拓扑较为简单。在中压直流配电系统的研究和示范建设方面，中国走在了世界的前列[10-13]，近5年来包括北京延庆、贵州大学、广东珠海、江苏苏州以及广东东莞等多个10 kV等级的多端直流配电示范工程相继建成，电压等级序列[14]、直流配电系统接线和接地方式[15]、直流配电系统关键设备[16-21]、直流配电系统控制保护等多项理论研究成果在示范工程中得到论证和发展。北京四方继保自动化股份有限公司(以下简称“北京四方公司”)也深度参与其中[22-27]，本文介绍交直流混合配电系统的控制保护关键技术，从保护及暂态控制技术、系统控制技术以及在示范工程中的应用3个方面进行详细阐述和总结。

1 保护与暂态控制

国家加快经济发展方式转变和产业结构调整，高新技术、高附加值产业以及高精度制造企业等重要负荷比重增大，同时城市居民的生活品质和电气化程度越来越高，高可靠、高质量供电是现代城市配电网的核心需求。交直流配电系统的核心设备包括中压模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)、直流变压器、多端口能量路由器、直流断路器、低压换流器等，是控制保护技术的实施主体。直流配电系统的故障特性包括：①大量电力电子设备接入提高了系统的复杂程度，故障类型复杂多变，定位和检测困难；②直流系统阻尼小，故障电流上升迅速且数值大，具有更强的破坏力；③电力电子设备与传统电气设备组合，需要协调微秒级、毫秒级、秒级保护，保护难度大。因此，需要结合保护、故障穿越以及谐振抑制3个方面实现交直流混合配电网高可靠、高质量运行。

1.1 交直流混合配电网保护技术

1.1.1 保护分区

中压直流配电系统的典型网架结构包括单端辐射状结构、双端结构、多端树枝状结构、多端环状结构等。本文以典型的多端环网与放射网相结合的网架结构为例，如图1所示。该网架结构可兼顾系统的可靠性以及保护配置的难易程度，是最常用的直流配电拓扑。直流配电系统保护分区依据被保护对象的功能、所处的电气间隔进行划分，各保护分区之间要相互配合确保系统运行无死区，同时保护分区要具有可复制性，便于保护配置。保护分区可以划分为AC/DC换流器保护区、DC/DC换流器保护区、直流母线保护区以及直流负载保护区等。

1.1.2 保护配置

直流配电网的保护配置目标是防止直流系统内设备损坏，在保护层次上采用单元级保护技术、微网级保护技术以及配电网级保护技术，分别对设备本体、区域网络以及交直流系统进行保护，相应的保护配置如下：

a)对于AC/DC换流器保护区，配置桥臂电抗器差动保护、桥臂差动保护、桥臂过流保护、直流过流保护、直流过电压保护、直流低电压保护；

b)对于DC/DC换流器保护区，配置直流过流保护、直流过电压保护、直流低电压保护；

c)对于直流母线保护区，配置汇流母线差动保护、支路方向过流保护、直流过电压保护、直流低电压保护、直流电压不平衡保护；

d)对于直流负载保护区，配置直流过流保护。

根据系统的保护配置和物理测量点，可以针对直流配电系统的典型故障(极间短路、单极接地、断线故障等)进行保护和故障定位。差动保护和多点测量方向信息相结合是故障定位的主要方法。

1.2 故障穿越

保护是配电网安全运行的基础，但在城市配电网中，故障类型以暂时性故障为主，保护动作如果过于频繁会降低系统的供电质量。交直流混合配电网由电力电子设备组网，其基于电力电子设备的快速控制能力实现故障穿越是应对暂时性故障的更有效手段。

图2所示的交直流混合配电网中，暂时性故障可能发生在中压交流母线、中压直流母线以及低压直流负载上，对应于故障穿越的设备为MMC和直流变压器。

1.2.1 交流故障穿越

本文采用交流低电压故障穿越与并网转离网统一控制方法，适用于交流系统故障发生后低电压穿越模式与并网转离网模式的自动检测和切换，以及故障消失后自动恢复至初始运行模式。控制流程如图3所示。

故障发生时，根据检测点电压的暂态跌落特性，通过电压预测与实时采样判断，MMC判断交流系统发生异常，检测时间小于2 ms。MMC采用电流内环控制，实时电压前馈可以将交流系统电压的变化引入控制环，保证MMC的输出电流在故障情况下继续跟踪电流指令。在穿越过程中，MMC为系统提供功率支撑，并继续检测公共连接点(point of common coupling，PCC)电压，当公共连接点电压恢复后，MMC自动进入电压源特性的缓冲期，之后根据保护动作信息完成运行模式的恢复。如果系统出现永久故障，MMC可直接进入离网运行模式，保证负荷的用电可靠性。

图1 直流配电系统典型架构及保护分区Fig.1 Typical architecture and protection partition of DC distribution system

电压源特性的缓冲期可以帮助系统识别非断线暂时性故障和永久故障，在故障发生阶段MMC采用相同的应对机制，更加适用于配电网交流故障的特性，穿越过程对配电网影响小。

1.2.2 中压直流故障穿越

中压直流电网是连接交流系统与直流负荷的纽带，目前其主要形式是由MMC和直流变压器共同构建。直流断路器的动作时间已缩短至毫秒级，但对于电力电子设备来说，毫秒级的过电流依然可能导致设备损毁，因此MMC和直流变压器的中压直流故障穿越能力对直流配电网的安全稳定至关重要。

本文采用的用于中压直流配电网的MMC和直流变压器拓扑如图4所示，MMC采用全半桥子模块混合拓扑，直流变压器采用带中压直流钳位的输入串联输出并联(input-series-output-parallel，ISOP)拓扑。中压直流故障穿越针对极间短路故障，通过低压过电流判断故障发生。

穿越过程中，MMC采用直流电流控制方式，直流电流存在多个过零点，保证故障点快速熄弧。同时MMC控制子模块电容电压维持额定，MMC交流端口连续运行。当故障消失后，MMC根据系统容量完成直流电压重建和系统恢复。对于多端MMC系统，重建过程可以根据事先设定的优先级自动完成，系统恢复时间小于20 ms。

穿越过程中，直流变压器的S1管闭锁，与系统故障点进行隔离。直流变压器运行与控制中压侧

图2 故障穿越电气位置Fig.2 Electrical location of fault ride-through

图3 MMC交流故障穿越控制流程Fig.3 Control process of MMC AC fault ride-through

子模块电容电压模式，电容电压维持额定。当故障消失后，直流母线电压恢复，直流变压器控制高压侧电压跟随系统电压，满足并网要求时导通S1管，系统恢复运行，恢复时间小于20 ms。

1.2.3 低压直流故障穿越

由直流变压器建立低压直流电网后，直流负荷通过负荷开关接入，系统示意图如图5所示。低压直流电网为多路直流负荷供电，当低压直流电网构成环网时，负荷支路更多，故障发生的概率也会大幅提高。当某一负荷支路发生故障时，由于直流系统过电流传播能力强，故障支路负荷开关未进行保护动作前故障电流已导致直流变压器闭锁，所有低压直流母线的负荷供电将无法保证，这样的低可靠性直流供电难以满足现代城市用电的需要。

图4 中压直流故障穿越装置拓扑Fig.4 Topology of medium voltage DC fault ride-through device

本文采用图5(a)中A、C点间的直流变压器与直流限流器组合的方式构建低压直流端口。当某一支路负荷故障时，直流限流器在百微秒级时间内由旁路模式转为限流模式，图中C点低压直流母线电流和B点直流变压器输出电流被限制在系统运行的最大电流值，此电流值大于额定电流，因此故障负荷支路中会流过过电流，导致就地负荷开关动作，切除故障支路。

图5 低压直流配电网故障穿越Fig.5 Fault ride-through of low voltage DC distribution network

如图5(b)所示为故障穿越过程中的直流电压、电流波形，其中：Uin、Iin为直流变压器出口、限流器入口处的电压和电流，对应图5(a)中B点；Uout、Iout为限流器出口直流母线的电压和电流，对应图5(a)中C点。可以看到，故障过程中直流变压器的输出电流由正常运行的0.3(标幺值，下同)开始升高，被限流器限幅至1.2，直流变压器出口电压保持不变。直流母线电流也被限幅至1.2，当故障消失后，限流器退出，系统恢复。

在故障中直流变压器连续运行，低压直流母线电流连续，故障负荷支路切除后，低压直流系统会在毫秒级时间内恢复电压，完成低压直流故障穿越。

1.3 谐振抑制

除各种形式的短路故障外，另一个影响系统运行安全的暂态过程是谐振。本文将系统谐振分为高频谐振和低频谐振。

高频谐振指高于系统控制频率的谐振，在交直流混合配电网中，不同的电力电子设备相互耦合产生高频谐振。本文采用的抑制措施是提高电力电子设备的控制带宽，对于MMC装置，采用多个大容量核心处理芯片并行分工，并配合高速的内部通信总线，将装置的链路延时降低至50 μs以下，因此装置具备了大于10 kHz的控制带宽。交直流混合配电系统虽然阻尼较小，但对于10 kHz以上的谐振也具备了足够的阻尼抑制能力。

与高频谐振相对应，低频谐振指低于设备控制频率的谐振，主要发生于弱系统或系统阻抗复杂多变的情况。以MMC为例，由于控制方式、采样回路以及执行方式等不同，MMC的等效阻抗存在非线性特点，极端情况当出现负阻尼特性时，激发系统振荡。

本文采用在MMC控制环上增加优化阻尼控制的方法，如图6所示，其中：虚线框内为MMC的诺顿等效模型，由逆变器等效电流源iinv0和等效阻抗Zinv0并联构成，iY0和ii0分别为阻抗支路与逆变器输出电流；虚线框外为系统模型，u0、i0为逆变器二端口的电压和输出电流，是系统真实的电气量，u′0、i′0为加入阻尼校正后逆变器内环控制二端口电压和输出电流，Zv为串联阻尼校正，Yv为并联导纳校正，iv0为并联虚拟支路电流。采用优化阻尼控制后，MMC的等效电导特性如图7所示。原来存在于800 Hz附近的负阻尼区间被消除，在控制频率范围内电导特性均为正值，说明MMC具备了对弱电网和系统谐波的强适应能力。本文以MMC的交流端口为例，对于直流端口也可采用类似的控制方法。

图6 优化阻尼控制阻抗Fig.6 Optimizing damping control impedance

图7 优化阻尼控制效果Fig.7 Effect of optimizing damping control

2 系统控制

交直流混合配电系统的系统控制包括协调控制和能量管理，实现对系统的集中管理和能量优化，提升整体运行效率和可靠性，达到系统最优运行。系统控制采用慢速集中通信的方式实现，设备就地自治实现控制目标。在母线电压控制上，采用电压裕度控制、多端对等的方式，各系统主设备间自动完成直流电压控制权的切换，保证母线电压的稳定。

2.1 系统控制架构

直流配电系统的系统控制根据核心设备的不同主要分如下2种。

a)一种如图8所示，在多端交流系统中通过MMC换流器构建直流母线，实现直流配电功能，同时直流配电系统也为交流配电系统进行功能补充。其协调控制系统如图9所示，由最优控制、统一控制和分布自治3个层级构成。通过最优控制实现系统能量管理，得到能量传输、系统潮流和高级功能等系统运行目标；统一控制调配各主换流器的运行模式以及节点目标值；最后由设备就地控制分布自治，直流配电网内各装置或子系统根据实时就地量测的电气量信息进行快速控制和功能实现。

根据协调控制结果，系统中的MMC运行于多种模式，并进行快速切换。如图10所示，系统运行存在多端供电、单端供电、多端隔离及静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)等主要运行模式，运行模式的切换包括计划性切换和非计划性切换。计划性切换由协调控制统一指挥，模式切换时间考虑动态、稳态电压偏差要求以及系统有无过流，系统运行方式转换时间小于50 ms；非计划性切换由协调控制下发设备切换使能，系统条件触发装置就地完成，如前文所述的交流系统故障并网转离网运行。

b)另外一种直流配电网架构如图11所示，由多端直流变压器构建多电压等级直流配电网络，更加方便储能、新能源发电的接入并可以为多种直流负荷供电，是更加适用于城市园区新建配电网的应用。其控制结构分为3层：能量管理系统(energy management system，EMS)层对整个交直流混合系统的能量管理和优化；协调控制层主要负责不同区域间的功率优化，确定直流变压器的运行模式和目标；就地控制层负责各电压等级区域和电力电子变压器(power electronic transformer，PET)的稳定控制。

对于图11所示的多端直流变压器配电系统，直流变压器是核心设备，也是协调控制的主要对象，控制框图如图12所示，系统运行模式及切换如图13所示。系统运行模式主要分为主从模式和对等模式，同时兼顾电能质量管理和储能等设备的接入。主从模式下，1台直流变压器在恒压模式下运行，另外的直流变压器运行于功率模式；对等模式下，每台直流变压器对直流电压进行下垂控制，各直流变压器同时保持对系统直流母线电压的支撑。

图8 多端MMC直流配电系统架构Fig.8 Multi-terminal MMC DC distribution system architecture

图9 多端MMC直流配电系统协调控制框图Fig.9 Coordinated control block diagram of multi-terminal MMC DC distribution system

图10 多端MMC直流配电系统运行模式Fig.10 Operation mode of multi-terminal MMC DC distribution system

图11 多端直流变压器配电系统架构Fig.11 Multi-terminal DC transformer distribution system architecture

2.2 能量管理

直流配电系统能量管理的一般目标是在最大程度吸纳新能源并网出力的前提下，以最低的成本维持系统稳定运行，其按时间尺度一般可分为长时间尺度的日前调度和短时间尺度的实时滚动。日前优化调度的周期较长，一般为24 h，即统筹制订未来1 d 时间的调度计划，优化目标通常与系统的经济运行有关，如有功调度成本最小、配电网运行成本最小等；实时滚动的调度周期较短，由于数据预测不准确，因此需要实时修正调度的运行计划，优化目标通常与系统的安全运行有关(如可调资源的调整量最小等)，以保证系统的稳定运行。此外如负荷预测、潮流优化、电力市场等相关技术都可应用其中。

图12 多端直流变压器配电系统控制框图Fig.12 Control block diagram of multi-terminal DC transformer distribution system

图13 多端直流变压器配电系统运行模式Fig.13 Operation mode of multi-terminal DC transformer distribution system

目前最为常用的配电网系统控制架构是能量-协调-就地3层架构。针对不同的网架结构和功能，3层控制架构的优化和协调目标可能有所不同，且在配电网节点数增多、规模增大后依然适用。

3 示范应用

在国内，多个中压直流示范工程相继建成。从工程实践的角度来看，直流配电网工程功能需求高，系统复杂，设备制造难度大。本节以北京四方公司参与的2个中压直流配电网示范工程为例，介绍本文提出的控制保护技术的应用效果。

a)其一是中国南方电网有限责任公司重大科技项目“城市配电网柔性互联关键设备及技术的研究”贵州大学中压直流配电网示范工程，以柔性电力电子设备为基础，构建智能直流配电中心，同期建设交直流微电网并柔性接入直流配电中心，实现分布式能源的友好接入，有效提升城市配电网接纳清洁能源能力，实现城市配电网的故障自愈和经济性重构，提高城市配电网的运行可靠性，为含分布式能源的配电网安全稳定运行提供良好的示范效果，同时也为配电网的经济运行及可靠运行提供新的技术手段及示范。北京四方公司作为该项目示范工程的总体承包商，为该项目供应了全套设备，包括直流控制保护系统、±10 kV MMC换流阀、±10 kV/±375 V直流变压器、直流测量系统。

示范工程拓扑如图14所示，由三端MMC构建±10 kV中压直流母线，并通过MMC和直流变压器拓展出低压交流、直流配电网。该项目在国内首次进行了全半桥混合模块MMC的工程化实践，实现了交直流故障穿越与并网-离网无缝切换。该交直流混合配电网以三端交流馈线功率平衡、系统网损最小、分布式发电全部消纳为能量管理目标，通过MMC、直流变压器柔性互联，与功率预测结合，实时调整潮流和运行模式，在国内首次完成了五端交直流混合配电系统的协调运行控制。

b)其二为在珠海唐家湾落地建设的“支持能源消费革命的城市-园区双级‘互联网+’智慧能源示范项目”，是南方电网推进国家能源局首批“互联网+”智慧能源示范项目建设的重要里程碑，围绕珠海全市及唐家湾园区、横琴园区，提出了物理层、信息层、应用层3个层面建设模式，从3个层面为能源互联网建设探索提供支撑。北京四方公司承建该项目一端MMC、配电网协调控制系统、站级控制保护系统和直流测量系统等。

示范工程拓扑如图15所示，由鸡山I站、鸡山II站和唐家站的三端MMC交流母线进行换流组网，构建±10 kV直流母线，为园区中的直流微电网、交流微电网供电，同时接入光伏、储能和电动汽车充电桩。该示范工程中，中压直流配电网系统与低压直流微电网互补互济运行，当直流配电网系统发生故障或检修停电时，直流微电网系统转入孤岛运行方式，光伏电站和储能电站作为系统的电源，用来维持直流线路电压的稳定，同时对负荷进行分级管理，保障低压重要负荷的电力供应。该示范工程容量大，电压等级多，依托本文的并离网无缝切换技术和协调控制系统，实现了交流“N-2”故障后的快速功率支撑，提高了交直流配电网的供电可靠性。

图14 贵州大学中压直流配电网示范工程Fig.14 Demonstration project of medium voltage DC distribution network in Guizhou University

图15 唐家湾交直流配电网示范工程Fig.15 Demonstration project of medium voltage DC distribution network in Tangjiawan

4 结论与展望

随着可再生能源在能源结构中占比的不断增长以及负荷侧广义直流负荷需求的不断增大，配电网在满足两者灵活接入需求的同时，源、荷之间通过网络供需互动的需求也逐渐增强。传统交流配电系统结合直流配电技术构建的现代城市配电网，采用柔性快速组网方式，有效集成大规模、多类型分布式电源及负荷，通过灵活、敏捷的分散调控实现供需侧灵活互动，是未来配电网的热点走向。

a)交直流混合配电系统多运行模式下故障机理复杂，对故障特征提取的速度和精度要求较高。保护、故障穿越以及阻尼谐振的三重控制技术可保障系统的安全运行，并能最大程度地为负荷提供用电保障，是提高交直流混合配电系统可靠性的关键技术。目前的研究和示范应用中，直流配电网规模较小，在多类型故障保护、多设备参与的系统故障与恢复以及系统长时运行可靠性测试等方面存在不足。研究真实配用电场景和故障类型、故障快速检测与及时通信、交直流混合配电系统核心设备的阻抗特性一致性规划、自适应即插即用技术以及系统级暂态电能质量优化等是下一阶段的主要工作。

b)在系统级优化运行层面，随着能源形式、用能方式、运行场景和目标多样化，需要交直流混合配电网在3层控制架构基础上进一步优化。在区域电网和局域电网的有效划分、就地控制与统一控制在大规模配电网的应用配合、非确定性系统运行工况的有效调配等问题上，目前的研究成果还没有充分解答。深度融合先进信息技术、大数据以及人工智能等构建更加高效、灵活与可靠的交直流混合配电网，开展更大规模交直流混合配电网系统控制技术的研究与实践，是系统优化运行研究的重要方向。

c)在交直流混合配电系统核心设备制造方面，紧凑化、高可靠性、低成本、高效率的实用性技术是影响交直流混合配电网能够推广应用的重要因素。目前示范工程与设备造价相对较高，电力电子设备的可靠性也有待进一步验证。开展从一、二次融合控制架构到简化通用的控制逻辑，从新器件应用到新拓扑探索与集成等相关工作，研发紧凑化控制系统和高能量密度功率转换设备，提高交直流混合配电网的经济性和实用性，是未来重要的技术研发方向。