柔性直流電網(wǎng)故障電流抑制關(guān)鍵技術(shù)與展望

賀之淵，陸晶晶，劉天琪，張 凱，楊 旭，趙成勇

（1.先進(jìn)輸電技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司）,北京市102209；2.直流電網(wǎng)技術(shù)與仿真北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市102209；3.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院,四川省成都市610065；4.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北省武漢市430074；5.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,陜西省西安市710049；6.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京市102206）

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)能源、環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、光伏等大規(guī)?？稍偕茉吹拈_(kāi)發(fā)利用,調(diào)整能源結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)化石能源向清潔、可再生能源轉(zhuǎn)變,已成為各國(guó)的共識(shí)［1-2］。根據(jù)國(guó)家發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》［3］和《可再生能源能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》［4］,中國(guó)將大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等可再生能源,到2020 年和2050 年,非化石能源消費(fèi)比重將分別達(dá)到15%和50%以上。在中國(guó)未來(lái)的電力格局中,可再生能源發(fā)電將成為重要的發(fā)電形式之一。與此同時(shí),交流電網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展100 多年,在電網(wǎng)的靈活調(diào)節(jié)能力和適應(yīng)性方面已經(jīng)很難滿足目前經(jīng)濟(jì)和社會(huì)變化的需求。因此,中國(guó)能源和電力的發(fā)展面臨前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn),需要電網(wǎng)采用新的技術(shù)、新的裝備或新的電網(wǎng)形式以適應(yīng)這一重要變革。

與常規(guī)直流輸電技術(shù)相比,柔性直流輸電有功無(wú)功獨(dú)立解耦、無(wú)需換相電壓,并可為弱系統(tǒng)、孤島供電,已經(jīng)成為可再生能源外送的重要方式。含電壓源型換流站的柔性直流輸電更有利于構(gòu)建直流電網(wǎng),可最大限度地綜合多種新能源特性進(jìn)行多元互補(bǔ),近年來(lái)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn),被認(rèn)為是構(gòu)建含高比例清潔能源接入和更加可靠智能的新一代電力系統(tǒng)的重要技術(shù)手段之一［5］。

柔性直流電網(wǎng)由多端柔性直流系統(tǒng)發(fā)展而來(lái),國(guó)際大電網(wǎng)組織將直流電網(wǎng)定義為：由多個(gè)網(wǎng)狀和輻射狀聯(lián)接的變換器組成的直流網(wǎng)絡(luò),并針對(duì)直流電網(wǎng)建立了多個(gè)工作組展開(kāi)系統(tǒng)的研究工作。隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)柔性直流電網(wǎng)研究的日益深入,在其可行性、電壓等級(jí)、控制保護(hù)策略、標(biāo)準(zhǔn)模型、可靠性及可用性等方面取得了一定的研究成果［6-16］。歐洲、美國(guó)等多個(gè)地區(qū)和國(guó)家先后提出直流電網(wǎng)規(guī)劃,如歐洲一些國(guó)家提出的超級(jí)電網(wǎng)計(jì)劃［6］,擬采用直流電網(wǎng)技術(shù)促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電與太陽(yáng)能發(fā)電的協(xié)調(diào)發(fā)展；美國(guó) 提 出 了“Grid 2030”計(jì) 劃［7］,建 立 以 直 流 電 網(wǎng)為骨干的輸電網(wǎng)架等。此外,中國(guó)正在建設(shè)張北±500 kV 四端柔性直流電網(wǎng)示范工程［8］,將對(duì)張北地區(qū)的大規(guī)模風(fēng)電匯集消納發(fā)揮重要作用,并在全世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、抽水蓄能和大城市經(jīng)直流電網(wǎng)互聯(lián)。

總體來(lái)說(shuō),當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)直流電網(wǎng)的研究已有初步成果,但都還沒(méi)有形成體系,在學(xué)術(shù)界也沒(méi)有形成明確的共識(shí),關(guān)于直流電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)、基本運(yùn)行方式等也沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)。

故障電流抑制是直流電網(wǎng)能夠可靠運(yùn)行首先要解決的突出問(wèn)題。而在直流電網(wǎng)總體技術(shù)研究剛剛起步的條件下,研究直流電網(wǎng)故障電流面臨著以下困難：①網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不清楚,應(yīng)用場(chǎng)景不明；②限流裝置不成熟,限流效果判定標(biāo)準(zhǔn)缺乏；③故障機(jī)理和故障發(fā)展與交流系統(tǒng)差異大。

為此,本文將在總結(jié)闡述直流電網(wǎng)故障電流抑制理論與技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,分別對(duì)故障機(jī)理、抑制方法、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)進(jìn)行分析和展望,為推進(jìn)柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展與工程化應(yīng)用提供參考。

1 技術(shù)需求

柔性直流電網(wǎng)是由多個(gè)電壓源型換流器（voltage source converter,VSC）互聯(lián)構(gòu)成,以直流方式進(jìn)行電能傳輸?shù)碾娏W(wǎng)絡(luò),如圖1 所示。

圖1 柔性直流電網(wǎng)簡(jiǎn)化示意圖Fig.1 Simplified schematic diagram of flexible DC power grid

主要技術(shù)特點(diǎn)為：①直流系統(tǒng)形成獨(dú)立網(wǎng)絡(luò),換流站位于交、直流網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)絡(luò)線上,直流線路間可自由連接和切換,并實(shí)現(xiàn)互為冗余備用；②可實(shí)現(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電,并提供靈活、快捷、可靠的輸電方式；③既有利于接入大規(guī)模風(fēng)電、光伏和儲(chǔ)能設(shè)備,也有利于分散的小型新能源通過(guò)換流設(shè)備接入；④沒(méi)有無(wú)功功率和頻率振蕩問(wèn)題,穩(wěn)定性好；⑤除了VSC,還可以包含DC/DC 變換器、直流斷路器、直流潮流控制器等電力電子設(shè)備,實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)直流電網(wǎng)、直流故障隔離、直流潮流可控等功能。然而相對(duì)于交流電網(wǎng),直流電網(wǎng)在發(fā)生故障時(shí)呈現(xiàn)出不同的故障電流特征,傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)故障電流處理方式將不能完全適用,直流電網(wǎng)故障電流抑制技術(shù)需求主要有以下2 點(diǎn)。

1）故障電流上升速度快,電力電子器件耐受能力不足

與傳統(tǒng)的交流系統(tǒng)相比,柔性直流系統(tǒng)在未加裝線路電抗器的情況下呈現(xiàn)為低阻尼系統(tǒng)特性。系統(tǒng)控制器的控制周期為100 μs,比交流電網(wǎng)至少小2個(gè)數(shù)量級(jí),且動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速,因此,直流系統(tǒng)性能受控制器的影響較大。而且,換流器中的儲(chǔ)能元件相對(duì)較多,在發(fā)生嚴(yán)重的直流短路故障后,換流器和直流側(cè)的儲(chǔ)能元件將快速放電,造成故障電流迅速上升（0～10 kA/ms）。由于模塊化多電平換流器（modular multilevel converter,MMC）中的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）耐流能力一般按照額定電流的2 倍考慮［17］,若不采取限流措施,故障發(fā)生后1～2 ms 內(nèi)電流便會(huì)超過(guò)其耐受上限（如圖2 所示）,將損毀換流器中開(kāi)關(guān)器件或者導(dǎo)致閉鎖,進(jìn)而使直流系統(tǒng)停運(yùn),需要直流電網(wǎng)具備快速、可靠抑制直流故障電流的能力,以確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

圖2 MMC 故障通路與故障電流Fig.2 Fault path and fault current of MMC

2）系統(tǒng)源-網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,多因素作用下故障電流分析與抑制面臨困難

多個(gè)換流器構(gòu)成直流網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?在多電壓等級(jí)、風(fēng)電與光伏等不同形式電源接入的情況下,直流電網(wǎng)故障電流的特性復(fù)雜。除了前文所述的故障電流上升率高（0～10 kA/ms）、時(shí)間常數(shù)小、過(guò)流幅度大等特點(diǎn)外,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式也對(duì)故障電流的影響增加,多種電力電子設(shè)備間耦合作用強(qiáng)烈。這是因?yàn)閺脑磦?cè)看,有風(fēng)電、光伏等新能源廣泛接入；從網(wǎng)側(cè)看,直流電網(wǎng)含有多個(gè)電力電子設(shè)備,共同構(gòu)成了多能量源、多阻抗的復(fù)雜大系統(tǒng)。設(shè)備與設(shè)備之間具有非線性及耦合特征,控制及分布參數(shù)造成阻尼頻變特性復(fù)雜,給直流電網(wǎng)故障電流的分布規(guī)律、暫態(tài)能量交互作用及其釋放轉(zhuǎn)移特性的影響機(jī)理、柔性直流電網(wǎng)的仿真建模等問(wèn)題的研究帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn),同時(shí)也使得故障電流計(jì)算難以實(shí)現(xiàn)解析表達(dá)。此外,從系統(tǒng)層面看,由于直流電網(wǎng)的低阻尼特性和儲(chǔ)能元件多,導(dǎo)致故障時(shí)儲(chǔ)能元件釋放的能量大,實(shí)現(xiàn)在很短的時(shí)間內(nèi)有效耗散這部分能量困難。

故障電流問(wèn)題已經(jīng)成為制約直流電網(wǎng)發(fā)展的重要因素之一,迫切需要研究直流電網(wǎng)故障電流抑制理論和方法,以解決柔性直流電網(wǎng)應(yīng)用與推廣的瓶頸。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 直流電網(wǎng)故障特性分析

針對(duì)直流故障電流的研究,目前主要側(cè)重在兩端、多端直流輸電系統(tǒng)和簡(jiǎn)單直流電網(wǎng)。文獻(xiàn)［15,18-19］分析了兩電平VSC 型兩端直流輸電系統(tǒng)在雙極短路、交流系統(tǒng)故障等情況下,換流器內(nèi)部的暫態(tài)特性、系統(tǒng)的控制保護(hù)策略以及交直流故障的診斷和識(shí)別方法等。文獻(xiàn)［20-22］針對(duì)MMC 型兩端直流輸電系統(tǒng)定性分析了不同類型直流線路故障后的故障特性,以及直流母線單極接地故障和雙極故障下的系統(tǒng)暫態(tài)特性。文獻(xiàn)［23］討論了星形或者串接的輻射狀多端VSC 直流風(fēng)電場(chǎng)的單極、雙極短路故障特性與保護(hù)策略。上述文獻(xiàn)對(duì)故障電流特性的分析主要是基于仿真軟件,通過(guò)對(duì)直流電網(wǎng)建模并設(shè)置特定的故障,得出故障后的仿真波形并定性分析。然而,實(shí)際操作中會(huì)受到仿真規(guī)模與速度的限制,一旦改變參數(shù)需要進(jìn)行多次仿真。為了便于快速得出結(jié)果,有必要對(duì)直流故障電流實(shí)現(xiàn)定量分析計(jì)算。

專著［17］詳細(xì)介紹了柔性直流輸電網(wǎng)單極接地短路電流計(jì)算方法,在閉鎖換流器前（故障后數(shù)毫秒內(nèi)）考慮MMC 是一個(gè)線性定常電路,可以采用疊加原理進(jìn)行分析,換流器閉鎖后則根據(jù)電路原理推導(dǎo)出直流側(cè)故障電流的解析表達(dá)式。文獻(xiàn)［24-25］分別建立了多端直流輸電系統(tǒng)單極接地、雙極短路故障下的等值電路模型,給出了短路故障電流計(jì)算解析表達(dá)式。文獻(xiàn)［26-27］研究了真雙極柔性直流電網(wǎng)的短路電流計(jì)算方法,并以四端直流電網(wǎng)為例驗(yàn)證了方法的有效性。這些研究多針對(duì)較為簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?建立系統(tǒng)故障下的等值網(wǎng)絡(luò)也較為簡(jiǎn)單,容易得出故障電流的解析表達(dá)式。但在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下,尤其是考慮：風(fēng)電/光伏等不同能源匯集、換流站采用下垂主從控制方式、單極與雙極等運(yùn)行方式以及線路的分布參數(shù)、電力電子設(shè)備非線性變換特性等因素對(duì)故障電流特性的影響,使故障電流的解析表達(dá)式更加復(fù)雜。

2.2 直流電網(wǎng)故障電流抑制方法

現(xiàn)有柔性直流輸電系統(tǒng)故障電流的抑制措施,主要是加裝直流斷路器配合線路電抗器。這要求直流斷路器能夠在幾毫秒內(nèi)切斷故障電流,以避免換流器過(guò)流閉鎖,尤其在高電壓應(yīng)用場(chǎng)合,對(duì)直流斷路器的體積重量、經(jīng)濟(jì)性、分?jǐn)嗄芰Φ囊蟾訃?yán)苛,斷路器研制非常困難。若依靠增大電抗器的電抗值抑制故障電流,會(huì)降低控制靈活性和系統(tǒng)穩(wěn)定性等。采用電力電子裝置抑制故障電流具有控制靈活的特點(diǎn),是近年來(lái)研究的新方向,但相關(guān)的抑制理論、技術(shù)與關(guān)鍵設(shè)備仍然匱乏,尚未形成完善的理論體系,并實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)故障限流裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方法進(jìn)行了初步研究,主要如下。

1）從源側(cè)改進(jìn)優(yōu)化換流器拓?fù)湟詫?shí)現(xiàn)對(duì)故障電流的清除,如文獻(xiàn)［28］綜述了能夠?qū)崿F(xiàn)故障隔離的MMC 子模塊拓?fù)?、橋臂拓?fù)浜蛦蜗嗤負(fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu),并對(duì)比了不同拓?fù)涞膬?yōu)劣。

2）在網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)故障電流的阻斷或限制,如文獻(xiàn)［29］提出了一種可隔離直流故障的直流電網(wǎng)DC/DC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)［30］提出了一種具有限流功能的直流斷路器；文獻(xiàn)［31］提出了一種單鉗壓子模塊構(gòu)成的直流限流器拓?fù)?并應(yīng)用于四端直流電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)限流功能?？梢钥闯?上述限流裝置大多為單一類型設(shè)備,且應(yīng)用的直流網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漭^為簡(jiǎn)單,沒(méi)有提出限流裝置的限流機(jī)理與統(tǒng)一限流模型,無(wú)法對(duì)限流裝置拓?fù)湓O(shè)計(jì)提供系統(tǒng)化的指導(dǎo)。

針對(duì)復(fù)雜的直流電網(wǎng),為了保證系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)性,各限流設(shè)備之間應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)配合,提高設(shè)備的利用效率。文獻(xiàn)［32］討論了直流斷路器與超導(dǎo)限流器的配合問(wèn)題,提出協(xié)調(diào)配合方案,降低了系統(tǒng)對(duì)斷路器的性能要求并加速故障隔離過(guò)程。文獻(xiàn)［33］以雙極四端直流電網(wǎng)為研究對(duì)象,研究了直流故障限流器與各條直流線路中限流電抗器之間的多目標(biāo)優(yōu)化配置。但目前針對(duì)直流電網(wǎng)故障電流抑制的多設(shè)備協(xié)調(diào)配合理論和方法還較少,仍有待開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作。

此外,近年來(lái),通過(guò)控制換流器的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)限制故障電流的控制方法也成為研究的熱點(diǎn)。與采用電力電子裝置的方法相比,這類方法可有效降低故障電流峰值和上升率,降低對(duì)直流斷路器的性能需求,具有成本低、動(dòng)作迅速的優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的控制算法有虛擬阻抗法［34-35］、參考值置零法［36］、反壓抑制法［37］、單橋臂直流電壓置零法［38］、直流電流反饋控制法［39］、閉鎖控制法［40-41］等。但目前主要應(yīng)用于兩端VSC/MMC 柔性直流輸電系統(tǒng),應(yīng)用于柔性直流電網(wǎng)并與斷路器協(xié)調(diào)配合的研究還較少。

2.3 直流電網(wǎng)等效建模與仿真技術(shù)

直流電網(wǎng)的建模與仿真技術(shù)有機(jī)電暫態(tài)、電磁暫態(tài)、動(dòng)態(tài)模擬和數(shù)模混合等技術(shù)［13,42］。

機(jī)電暫態(tài)建模主要應(yīng)用于分析直流電網(wǎng)與交流電網(wǎng)的相互作用,由于直流系統(tǒng)的控制響應(yīng)速度小于1 ms［13］,與交流電網(wǎng)相比,直流電網(wǎng)的機(jī)電暫態(tài)仿真需要更小的仿真步長(zhǎng),而且沒(méi)有健全成熟的模型庫(kù)可以直接使用,對(duì)用戶自定義開(kāi)發(fā)建模要求高。柔性直流的機(jī)電暫態(tài)建模方法主要為傳統(tǒng)定步長(zhǎng)建模方法［43］、多速率建模方法［44］和基于動(dòng)態(tài)向量理論建模方法［45］。其中,基于動(dòng)態(tài)向量理論建模方法利用時(shí)變傅里葉變換選擇合適的頻段進(jìn)行暫態(tài)建模,便于構(gòu)建多時(shí)間尺度暫態(tài)仿真,具有推廣價(jià)值。

在電磁暫態(tài)建模方面,重點(diǎn)研究了換流器、直流斷路器、DC/DC 變壓器、直流輸電線等核心裝備的等效建模方法以及電磁暫態(tài)數(shù)值計(jì)算［13,42］。換流器、直流輸電線的電磁暫態(tài)模型已經(jīng)較為成熟,例如換流器的電磁暫態(tài)建模根據(jù)復(fù)雜程度的不同,分為詳細(xì)開(kāi)關(guān)模型、戴維南等效模型［46］、解耦等效模型［47］和平均值模型［48］4 種,需要基于實(shí)際情況進(jìn)行選擇。直流輸電線路的電磁暫態(tài)模型主要包括π 模型、貝杰龍模型、模域和相域頻變模型［49］。電磁暫態(tài)數(shù)值計(jì)算方法則主要有定步長(zhǎng)法［50］、變步長(zhǎng)法［50］和混合法［51-52］,目前已針對(duì)大規(guī)模電力電子系統(tǒng)仿真進(jìn)行了算法優(yōu)化和提升。加裝多類型故障限流裝置后,需要重新建立直流電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型,然而直流斷路器、直流限流器等新型設(shè)備的等效建模理論仍較為缺乏,若全部采用電磁暫態(tài)模型,節(jié)點(diǎn)數(shù)將成倍增加,需要研究更高速、更高精度的故障限流設(shè)備等效模型。

動(dòng)模技術(shù)是一項(xiàng)采用真實(shí)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行模擬的技術(shù),因此可以模擬數(shù)字仿真難以復(fù)現(xiàn)的工況,目前已應(yīng)用于中國(guó)上海南匯柔性直流工程、廈門柔性直流工程與張北直流電網(wǎng)工程等多項(xiàng)工程。目前動(dòng)模技術(shù)正朝著與模擬對(duì)象更相似、更具有擴(kuò)展性等方向發(fā)展,但通過(guò)搭建等比例的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)構(gòu)造直流電網(wǎng)的動(dòng)模平臺(tái)造價(jià)太高,且仿真對(duì)象單一、靈活性較差。

數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)將數(shù)字仿真與物理仿真結(jié)合,根據(jù)數(shù)字與物理仿真系統(tǒng)接口交換物理量的不同,分為控制型和功率型［53］。控制型數(shù)?；旌戏抡鎸⑾到y(tǒng)主電路搭建在數(shù)字仿真平臺(tái)上,并與實(shí)際的控制保護(hù)系統(tǒng)連接,可以有效驗(yàn)證控制保護(hù)策略的正確性但難以模擬真實(shí)的換流閥特性；功率型數(shù)?；旌戏抡鎰t將數(shù)字仿真平臺(tái)與動(dòng)模裝置連接,具有更高的靈活性,是未來(lái)數(shù)模混合仿真的發(fā)展方向。但大型含多類型新型故障裝置的直流電網(wǎng)數(shù)字模型求解、數(shù)字-物理混合仿真功率放大與接口穩(wěn)定性等技術(shù)仍需深入研究。

3 故障電流抑制關(guān)鍵技術(shù)展望

與交流電網(wǎng)一樣,直流電網(wǎng)故障電流抑制必須要深入了解直流電網(wǎng)故障成因,實(shí)施及時(shí)有效的防控決策,以避免設(shè)備損壞,保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。故障電流是直流電網(wǎng)故障的重要基本特征之一,故障電流的分析、計(jì)算和處理（抑制和開(kāi)斷）是有效應(yīng)對(duì)直流電網(wǎng)故障的重要前提。

圖3 顯示了直流電網(wǎng)線路發(fā)生故障后的故障電流傳播路徑以及單端等效電路,其中故障時(shí)刻電流的表達(dá)式為：

圖3 四端直流電網(wǎng)故障電流傳播路徑和簡(jiǎn)化單端等效電路Fig.3 Propagation path of fault current and simplified single-terminal equivalent circuit for four-terminal DC power grid

根據(jù)式（1）可知,影響故障電流大小的因素主要為換流器電壓Uc、等效電阻Rc和電抗Lc。因此,需要先通過(guò)研究故障電流產(chǎn)生的機(jī)理、傳播路徑與演化過(guò)程,明確影響電壓、等效阻抗的相關(guān)因素；充分考慮風(fēng)電、光伏等新能源接入和電力電子化等特征,提出故障電流分析與計(jì)算新方法,確定發(fā)生故障電流嚴(yán)重的場(chǎng)景；然后,分別從控制優(yōu)化和加裝故障限流裝置等方向,研究減小電壓Uc,增大等效電阻Rc或電抗Lc的方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電流的有效抑制；最后,建立合適的仿真模型實(shí)現(xiàn)對(duì)所提方法合理性的驗(yàn)證。

如圖4 所示,基于上述分析,將分別從故障電流特性分析與計(jì)算方法、限流裝置拓?fù)渑c控制優(yōu)化、多維度協(xié)同控制技術(shù)以及考慮限流設(shè)備的直流電網(wǎng)建模與仿真技術(shù)4 個(gè)內(nèi)容進(jìn)行分析,以全面掌握故障電流抑制基礎(chǔ)理論、限流裝置運(yùn)行機(jī)理與配合機(jī)制理清思路和方向,推動(dòng)直流電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

3.1 直流電網(wǎng)故障電流特性分析與計(jì)算方法

圖4 柔性直流電網(wǎng)故障電流抑制關(guān)鍵技術(shù)Fig.4 Key technologies for fault current suppression of flexible DC power grid

圖5 為直流電網(wǎng)故障前后狀態(tài)變化的簡(jiǎn)化示意圖,由于目前直流電網(wǎng)基礎(chǔ)理論的研究還處于初步階段,尚不明確網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式對(duì)故障電流有無(wú)影響以及影響規(guī)律。為了研究整個(gè)故障期間直流電網(wǎng)的短路電流特性以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式和電源特性等對(duì)故障電流的影響規(guī)律,如圖6 所示,首先需要對(duì)直流電網(wǎng)故障前后潮流分布的影響進(jìn)行研究,分析不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式下柔性直流電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)潮流分布特性與故障后的潮流轉(zhuǎn)移特性；同時(shí)研究計(jì)及電源特征的潮流分布對(duì)直流電網(wǎng)故障電流初始態(tài)和故障后穩(wěn)態(tài)特性的影響規(guī)律,以及故障前的運(yùn)行方式與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)故障后下一個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)的影響規(guī)律,從而從優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式等角度提出降低故障電流水平方法的可行性；最終提出構(gòu)建直流電網(wǎng)的若干準(zhǔn)則與選擇直流電網(wǎng)運(yùn)行方式的若干準(zhǔn)則,為直流電網(wǎng)的發(fā)展與工業(yè)化應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和支撐。

圖6 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式等對(duì)故障電流影響規(guī)律研究框架Fig.6 Research framework of influence rule of grid structure and operation mode on fault current

在了解故障前后狀態(tài)變化的相互影響之后,研究直流電網(wǎng)故障期間的暫態(tài)過(guò)程,也就是從故障初始態(tài)到故障后穩(wěn)態(tài)的過(guò)渡過(guò)程。如前所述,目前大部分文獻(xiàn)針對(duì)直流電網(wǎng)故障發(fā)生后數(shù)毫秒內(nèi)的故障暫態(tài)特性與演化規(guī)律研究,主要是基于半橋型MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并提出故障電流計(jì)算方法。為了提高直流電網(wǎng)故障電流分析的整體性和體系化,有必要針對(duì)極對(duì)金屬回線故障、單極接地故障和雙極短路故障等多種典型故障,研究真雙極直流電網(wǎng)采用半橋、全橋、混合型MMC 時(shí)的故障發(fā)展過(guò)程,以及閉鎖前和閉鎖后的故障暫態(tài)特征,并研究根據(jù)具體網(wǎng)架進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后的通用化故障電流計(jì)算方法,同時(shí)還需要考慮交流系統(tǒng)對(duì)上述故障情況下直流故障電流的影響情況,以完善目前故障電流分析的理論性和全面性。

當(dāng)直流成網(wǎng)后,系統(tǒng)的故障響應(yīng)特性由線性轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性,分析過(guò)程中不能直接應(yīng)用疊加定理,下面分為2 種情況進(jìn)行討論。

1）在不考慮直流網(wǎng)絡(luò)影響時(shí),每個(gè)換流站在故障后分為不同的響應(yīng)階段,每個(gè)階段可以等效為線性穩(wěn)定的故障電流。若計(jì)算累加多換流站作用下的故障電流,可以采用分階段線性化疊加的方法得出。

2）在考慮直流網(wǎng)絡(luò)影響的情況下,需針對(duì)不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與故障類型,采用不同的故障電流計(jì)算方法。

①對(duì)于單極接地與極間短路故障,可根據(jù)接地方式、真?zhèn)坞p極結(jié)構(gòu)采取適合的故障電流計(jì)算方法,明確網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不同影響規(guī)律。

②對(duì)于簡(jiǎn)單輻射型直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其暫態(tài)階段經(jīng)過(guò)分段線性化后滿足線性疊加性,可以采用直流故障電流分時(shí)序疊加計(jì)算方法。

③對(duì)于環(huán)網(wǎng)型直流電網(wǎng)拓?fù)?可以分析各換流器之間的暫態(tài)耦合特征,研究用于故障電流計(jì)算的解環(huán)方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)直流環(huán)網(wǎng)的故障電流簡(jiǎn)化計(jì)算。

研究直流電網(wǎng)在故障發(fā)生后數(shù)毫秒內(nèi)的故障暫態(tài)特性與演化規(guī)律,以及影響柔性直流電網(wǎng)故障電流的關(guān)鍵因素,最終目的是期望能夠比照交流故障電流計(jì)算方法,得到關(guān)鍵因素定量的影響關(guān)系。提出在故障后數(shù)毫秒內(nèi)直流電網(wǎng)故障暫態(tài)電流的簡(jiǎn)化、快速計(jì)算方法和詳細(xì)計(jì)算方法,提出加入故障限流措施后的故障電流計(jì)算的改進(jìn)方法。

3.2 直流電網(wǎng)限流裝置拓?fù)渑c控制優(yōu)化

針對(duì)影響故障電流的電壓、阻抗關(guān)鍵因素,可以將降低故障電流的主要途徑分為降低電壓或增大阻抗兩類,其中增大阻抗又可以分為增大源側(cè)阻抗和增大線路阻抗2 種［54］。

1）降低電壓：主要是降低源側(cè)和網(wǎng)側(cè)的電壓,直流電網(wǎng)源側(cè)采用具備限流功能的換流器,在故障時(shí)通過(guò)合理的控制方法降低換流閥輸出的電壓,網(wǎng)側(cè)采用一種新型的直流鉗壓器拓?fù)?降低網(wǎng)側(cè)線路電壓［55］,從而達(dá)到抑制故障電流的目的。

2）增大源側(cè)阻抗［56］：通過(guò)在源側(cè)串聯(lián)大電阻方法可以增大源側(cè)阻抗,但串聯(lián)電阻在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量損耗降低效率,因此實(shí)際中并不采用。

3）增大線路阻抗是指在直流電網(wǎng)中串/并聯(lián)具有限流功能的設(shè)備,主要指串聯(lián)電抗器、限流器、具有限流功能的直流斷路器、潮流控制器和DC/DC變壓器,通過(guò)提高線路等效阻抗進(jìn)而降低故障電流。

圖7 給出了降低電壓、增大電阻和增大電抗對(duì)故障電流影響的簡(jiǎn)化示意圖?？梢钥闯?采用降低電壓和增大電阻2 種限流途徑都會(huì)使故障電流的上升率和穩(wěn)態(tài)值降低,但增大電阻方式下的故障電流上升率降低程度略低于降低電壓方式；而增大電抗的方式雖然可以抑制故障電流的上升率,對(duì)于峰值卻沒(méi)有抑制作用。因此,通過(guò)降壓和增加等效電阻是有效抑制故障電流的途徑。

圖7 3 種限流途徑對(duì)故障電流的影響對(duì)比Fig.7 Comparison of influence of three current-limit methods on fault current

如前文所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了很多故障限流裝置拓?fù)?但為了實(shí)現(xiàn)故障限流裝置的工程化應(yīng)用,限流裝置拓?fù)湮磥?lái)應(yīng)該朝著可靠性更高、損耗更低、成本更低等方向發(fā)展,這需要結(jié)合直流電網(wǎng)具體的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、應(yīng)用場(chǎng)景和系統(tǒng)參數(shù)等各方面因素,以及合理的故障限流控制目標(biāo)進(jìn)行綜合的優(yōu)化設(shè)計(jì)［54］。此外,在研究?jī)?yōu)化拓?fù)涞耐瑫r(shí),還有必要對(duì)限流裝置的控制方法進(jìn)行優(yōu)化研究。由于直流電網(wǎng)中可控的部件遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于交流電網(wǎng),例如直流電網(wǎng)的核心組成——VSC,具備多層次控制功能,甚至接入直流電網(wǎng)的風(fēng)電、太陽(yáng)能、儲(chǔ)能裝置等也都具備控制和調(diào)節(jié)能力,需要充分考慮直流電網(wǎng)各個(gè)部件尤其是換流器內(nèi)部的限流控制,配合直流斷路器等實(shí)現(xiàn)最佳的限流裝置控制方案,進(jìn)而可以大大提升限流效果,降低對(duì)限流裝置的要求。

3.3 直流電網(wǎng)限流裝置協(xié)同配合抑制

圖8 直流電網(wǎng)具備限流功能的電力電子裝置分類Fig.8 Classification of power electronic devices with current-limiting capability in DC power grid

其中,除了限流器具備單一限流功能外,其他設(shè)備均在直流電網(wǎng)中承擔(dān)各自的功能,例如直流潮流控制的主要功能是調(diào)節(jié)直流潮流的轉(zhuǎn)移,換流閥的主要功能是實(shí)現(xiàn)整流和逆變,DC/DC 變壓器的主要功能是實(shí)現(xiàn)多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)互聯(lián),直流斷路器的主要功能是實(shí)現(xiàn)故障線路的切斷。為了提高設(shè)備的有序高效利用,在開(kāi)發(fā)上述設(shè)備的限流功能的同時(shí),有必要研究上述設(shè)備的優(yōu)化配置與協(xié)同配合抑制故障電流的控制策略。

研究多個(gè)限流裝置的協(xié)同配合,首先應(yīng)選擇最佳配置方案,然后再考慮控制和時(shí)序的配合以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電流的抑制。本質(zhì)上希望在成本最低的情況下,盡可能快速地降低故障電流的影響,同時(shí)保證整個(gè)系統(tǒng)可以在故障后快速恢復(fù)供電。

考慮以降低直流斷路器的電氣應(yīng)力要求為目標(biāo),柔性直流電網(wǎng)的協(xié)調(diào)配合方式可以分為網(wǎng)側(cè)限流設(shè)備協(xié)同配合和源-網(wǎng)側(cè)限流設(shè)備協(xié)同配合。其中網(wǎng)側(cè)限流裝置主要為故障限流器和直流斷路器,故網(wǎng)側(cè)限流裝置的主要配合方式為：先由故障限流器限流,再由直流斷路器切除故障線路,實(shí)現(xiàn)故障清除。如線路上存在限流電抗器,由于限流電抗器配置的主要目的是限制故障電流的上升率,其限流能力隨著電感值的增大而逐漸趨于飽和,難以更進(jìn)一步起到抑制效果。需要考慮斷路器、故障限流器與限流電抗器的協(xié)同配合抑制故障電流,采用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。

當(dāng)使用源-網(wǎng)側(cè)限流裝置配合動(dòng)作時(shí),應(yīng)考慮到換流閥在故障時(shí)閉鎖/旁路會(huì)失去部分有功功率傳輸能力且恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng),源側(cè)裝置的限流時(shí)間應(yīng)盡量短,當(dāng)直流斷路器切除故障線路時(shí),換流站應(yīng)立刻解鎖,恢復(fù)正常運(yùn)行,同時(shí)在設(shè)計(jì)協(xié)同配合策略時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注對(duì)故障電流、橋臂電流、交流側(cè)電流以及潮流轉(zhuǎn)移的影響,建立合理的時(shí)序動(dòng)作邏輯。

3.4 含限流設(shè)備的直流電網(wǎng)數(shù)學(xué)建模與動(dòng)模仿真

建模與仿真技術(shù)是進(jìn)行電力系統(tǒng)分析的重要手段,但隨著系統(tǒng)越復(fù)雜,精確的建模和快速的仿真難度也越高。尤其是直流電網(wǎng)內(nèi)部由大量換流器組成,涉及底層調(diào)制、橋臂子模塊電容電壓均壓、環(huán)流抑制等控制,在控制器作用下開(kāi)關(guān)狀態(tài)頻繁變化,且節(jié)點(diǎn)數(shù)量多,大規(guī)模的系統(tǒng)導(dǎo)納陣不斷更新、求逆。加之,直流電網(wǎng)的控制慣性環(huán)節(jié)較少,響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較交流電網(wǎng)至少小2 個(gè)數(shù)量級(jí),動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、故障傳播迅速等,這些都對(duì)建模和仿真提出很高的要求［13］。

對(duì)含限流設(shè)備的直流電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)快速精確的建模與仿真,可以為故障電流抑制理論和方法有效性的驗(yàn)證提供有力的依據(jù)。前已述及,功率型數(shù)?；旌戏抡鎸?shù)字仿真平臺(tái)與動(dòng)模裝置連接,是未來(lái)數(shù)?；旌戏抡娴陌l(fā)展方向［57-58］。因此,可以將限流設(shè)備動(dòng)模裝置與在RTLAB 等數(shù)字仿真平臺(tái)中建立的直流電網(wǎng)數(shù)學(xué)模型互聯(lián),建立可聯(lián)合調(diào)試的數(shù)字物理混合仿真平臺(tái)（如圖9 所示）,實(shí)現(xiàn)對(duì)含多類型故障限流裝置的多端數(shù)柔性直流電網(wǎng)故障電流抑制理論方法的驗(yàn)證。

圖9 數(shù)字物理混合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖Fig.9 Simplified structure diagram of digital and physical hybrid simulation system

此項(xiàng)技術(shù)重要的核心之一是數(shù)字物理接口部分,負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)能量傳輸和信息交換,但會(huì)給數(shù)模仿真系統(tǒng)帶來(lái)噪聲、延遲,對(duì)穩(wěn)定性和精確性造成一定的影響。目前接口算法主要有5 種：理想變壓器法、部分電路復(fù)制法、輸電線路模型法、時(shí)變一階近似法和阻尼阻抗法［56,59］。文獻(xiàn)［56］詳細(xì)對(duì)比了上述5 種接口算法的優(yōu)缺點(diǎn)：理想變壓器法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛,但穩(wěn)定性較差；部分電路復(fù)制法需要在接口處增加額外的阻抗提高穩(wěn)定性,因此損耗較大；輸電線路模型法仿真精確度較高,但靈活性較低；時(shí)變一階近似法的穩(wěn)定性較低且實(shí)現(xiàn)困難；阻尼阻抗法通過(guò)在數(shù)字側(cè)設(shè)置一個(gè)與物理側(cè)設(shè)備相同的補(bǔ)償阻抗實(shí)現(xiàn)接口延時(shí)補(bǔ)償,具有較好的穩(wěn)定性和仿真精度,但阻抗匹配還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

關(guān)于功率接口造成響應(yīng)時(shí)間延遲、放大誤差、諧振等問(wèn)題,則可以通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)的功率放大器拓?fù)?并采用合理控制方法進(jìn)行降低和消除,如文獻(xiàn)［60］提出一種以3 個(gè)單相H 橋結(jié)構(gòu)四象限變流器為拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)型功率接口裝置,采用改進(jìn)的控制策略實(shí)現(xiàn)了功率接口的功能。文獻(xiàn)［61］提出基于dq坐標(biāo)變換重構(gòu)電壓信號(hào)的延時(shí)補(bǔ)償控制方法保證了數(shù)?；旌戏抡娴姆€(wěn)定性和精確性性能。未來(lái),隨著研究的深入,有望提出含限流設(shè)備的柔性直流電網(wǎng)數(shù)字-物理混合仿真系統(tǒng)的高帶寬四象限功率放大技術(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真系統(tǒng)與物理模擬系統(tǒng)的有效互聯(lián),全面掌握柔性直流電網(wǎng)數(shù)字-物理混合仿真及調(diào)試方法。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了柔性直流電網(wǎng)故障抑制的技術(shù)需求與研究現(xiàn)狀,從柔性直流電網(wǎng)故障電流分布特性與演變規(guī)律、故障限流原理與多維度協(xié)同抑制、建模與數(shù)字物理動(dòng)模仿真3 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)角度,闡述了故障電流抑制基礎(chǔ)理論的研究框架、解決思路,并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了分析。

作為全新的電力資源配置方式,柔性直流電網(wǎng)已經(jīng)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但是為了實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)的推廣與應(yīng)用,除了故障電流抑制技術(shù),在諸如直流電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與評(píng)價(jià)、繼電保護(hù)的原則與配置方案、直流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制以及結(jié)合新能源的調(diào)度運(yùn)行控制等方面,仍存在大量的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有待通過(guò)長(zhǎng)期而系統(tǒng)的深入研究來(lái)解決。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。