“直流配电系统关键技术”特约主编寄语

当前,光伏等直流型分布式电源快速发展,电动汽车充电桩、数据中心等直流型负荷日益增多,使得配电系统中“源荷”的直流特性日趋明显。由于直流配电系统能有效减少变流环节、提高对分布式电源的接纳能力和能源利用效率,在国内外引起广泛关注。未来直流配电系统的高效可靠运行与推广应用,对系统规划、运行、控制与保护等技术,以及直流相关设备的研发等诸方面都提出了新要求和新挑战。 《电力系统自动化》针对这一研究热点策划了“直流配电系统关键技术”专辑,旨在剖析直流配电系统在分布式电源与负荷接入、电压序列、电气装备、控制保护等方面的新特点,分析未来直流配电网技术发展趋势,研讨直流配电系统规划设计、设备研发、控制保护以及工程应用等关键技术。本期专辑收录论文17篇。 直流配电系统总体方面安排3篇论文。针对中压直流配电网应用场景与系统设计问题,华北电力大学韩民晓等论述了其应用场景、特点及优势,并从工程实现的角度阐述了中压直流配电网设计所涉及的关键技术。针对当今社会能源变革现状及电力系统发展新趋势,山东大学马钊等指出了新一代低压直流供用电系统的主要特征、典型应用场景、关键技术及未来研究方向。针对直流配电系统的控制与保护问题,天津大学王守相等对直流配电系统的控制与保护协同关键技术进行了总结和展望。 直流配电系统规划方面安排3篇论文。针对中低压直流配电电压层级选择问题,中国科学院电工研究所金吉等建立了直流配电电压评估模型,提出了中低压直流配电电压层级的选取方法。针对直流配电系统的组网问题,华南理工大学张勇军等开展了直流配电系统的接入方式及其控制技术研究。针对配电网直流改造问题,中国农业大学许彪等提出了考虑高密度负荷与分布式电源接入下城市配电网直流改造经济性评估模型和方法。 直流配电装置研发方面安排1篇论文。针对在直流变压器中广泛应用的隔离型双有源桥直流变换器关键技术问题,华中科技大学胡燕等提出了双重移相隔离型双有源桥变换器的自然软开关电流应力优化方法。 直流配电系统运行控制方面安排4篇论文。针对交直流配电网状态估计问题,浙江大学马鑫等考虑相量测量单元及数据采集与监控系统混合量测,提出了采用原对偶内点法进行三相不平衡下交直流配电网状态估计的方法。以中低压直流配电系统为研究对象,东南大学潘鹏鹏等提出了一种基于直流母线电压信号的分散式统一控制策略。为实现系统扰动后不平衡功率的优化分配以及直流电压的稳定控制,东北电力大学成龙等提出了基于元胞自动机的多端柔性直流配电网自组织下垂控制方法。山东理工大学彭克等还对柔性直流配电系统稳定性及其控制关键问题开展了综述研究。 直流配电系统保护方面安排3篇论文。针对采用故障自清除换流器消除故障电流的直流配电系统的健全区失电问题,天津大学李斌等提出一种基于二极管的直流配电系统故障分区方案及保护策略。针对环状直流配电网的中压直流线路单极接地故障的保护问题,华北电力大学戴志辉等提出了基于模型相似度比较的环状柔直配电网线路保护方案。针对直流配电线路保护,北京交通大学李猛等提出了基于全电流方向特征的柔性直流配电网纵联保护方法。 直流配电系统工程应用方面安排3篇论文。南瑞集团有限公司吴通华等结合即将实施的苏州中低压直流配用电系统示范工程,研究了其保护分区及原则、保护配置方案和故障定位方法。国网江苏省电力有限公司电力科学研究院刘瑞煌等探讨了中压直流配电网中直流变压器的工程化应用问题。针对珠海唐家湾三端柔性直流配电网故障隔离需求,清华大学屈鲁等开展了三端口混合式直流断路器工程应用研究。 最后,衷心感谢各位作者的踊跃投稿,感谢各位评审专家和编辑部为本专辑从酝酿到推出所付出的辛勤汗水。期盼通过本专辑的引领,以小流汇成大海,促进在直流配电这一领域更多的开拓创新,并收获累累硕果。     

中压配电网柔性互联示范工程技术方案设计

结合东莞松山湖地区中压配电网的实际问题和工程示范规划,对中压柔性直流互联在该地区中压配电网中的应用方案进行研究.对系统的主接线方式、联接变压器配置和接地方式进行了论证;对系统中模块化多电平换流器和电力电子直流变压器进行了初步设计,确定了关键设备主要技术要求;仿真分析了系统过电流和过电压特性,提出了系统的过流耐受和绝缘配...     

中压柔性直流配电技术在深圳电网的应用框架

随着柔性直流输电和现代配电系统的发展,对柔性直流配电的应用需求日益增强。首先对柔性中压直流配电发展背景和现状进行了介绍,对中压柔性直流配电的基本特征和应用方向进行了归纳。其次,通过对深圳电网的实际调研,指出了中压柔性直流配电网在深圳电网的应用前景,提出了中压柔性直流配电的系统架构、关键设备和运行方式,给出了相关研究结论。最后,对中压柔性直流配电网的后续研究工作进行了介绍和展望。     

基于模块化三电平方式的中压直流配电网DC/DC换流器设计

中压直流配电网与直流负荷、直流微电网的互联是实现直流配电网的关键,这将迫切需要一种适应于中压和低压大跨度变比的直流变压器(即DC/DC换流器)。三相双主动全桥(dual-active bridge,DAB)换流器具备可隔离、可实现双向功率流动、滤波器体积小等优点,该文基于三相DAB换流器拓扑,结合中压直流配电网DC/DC换流器高压侧电压应力大、低压侧电流应力大等特性,设计了一种基于三电平方式的DC/DC换流器模块,进而采用输入串联、输出并联的模块化级联方式设计了中压直流配网DC/DC换流器。最后,提出了换流器模块高、低压侧协调控制方式以及模块化DC/DC换流器的输入电压均分、输出电流均分控制方式,并在MATLAB/Simulink里验证了其可行性。     

考虑城市场景需求的中压直流配电网规划选优分析方法

针对城市配电网规划中多个中压直流配电网的建设优先次序尚无量化分析方法的问题,提出一种考虑城市场景需求的中压直流配电网规划选优分析方法.从供电质量提升需求、城市场景需求和配电网经济性3个层面建立了一套城市中压直流配电网规划选优综合指标体系,在供电质量提升需求方面考虑与目标水平之间的差距,在城市场景需求方面考虑中压交流配电网的建设局限性与中压直流配电网的建设驱动力,在经济性方面关注缺电损失成本严重性.通过云模型对定性指标量化,基于德尔菲-熵权法的层次加性加权计算各配电网综合评价值,并以此排序,在年度总投资约束下,以方案总体综合评价值最大为目标实现规划对象选优,从而安排多个中压直流配电网的建设优先级.以某地区配电网为例,验证了所提方法的实用性.     

直流配电网络架构与关键技术

在分析直流配电技术发展趋势的基础上,凝练了直流配电技术的主要应用场景,介绍了直流配电网络的典型网架结构及可能的接入方式,并从规划技术、运行控制技术、故障处理技术对直流配电网发展的关键技术进行了阐述,同时指出应该高度重视新型半导体材料、信息技术以及运行模式等突破对直流配电技术发展的推动作用,并对我国直流配电网的发展提出了几点建议和展望。     

配电台区交直流混合配电网工程建设研究

随着分布式电源、电动汽车、储能设施在电力系统的广泛应用,部分低压配电台区接入的直流负荷和直流电源比重快速增加,基于配电台区构建交直流混合配电网的建设改造工程在电力建设中逐步推广。从交直流配电网关键技术出发,对直流设备、网架结构等方面进行了分析。全面梳理交直流混合配电网在关键设备和组网方式等方面的技术应用,对DC/AC换流器、DC/DC换流器、直流断路器等设备在交直流混合配电网中的功能定位和发展趋势进行了探讨。分析了交直流混合配电网的典型应用场景,比较了辐射型、两端型、环型结构在运行方式、供电可靠性、经济性上的区别,并基于重庆西部科学城设想场景,提出基于电力电子变压器的建设改造方案,开展交直流混合配电网示范应用,实现高质量可靠供电。     

中压直流配电系统接地方式研究

在分析基于电压源换流器的直流配电网特点的基础上,从提高直流配电网供电可靠性出发,对中压直流配电系统的接地方式进行了研究。首先,分析了直流配电网的主要特点,即:广泛采用对称单极的结构;根据不同的电压等级可能采用两电平换流器或模块化多电平(MMC)换流器;可以通过联接变压器与交流系统相连,也可以直接与交流系统相连。在此基础上,分别针对两电平换流器和模块化多电平(MMC)换流器,分析了交流侧接地方式与直流侧接地方式的耦合关系,并以保证直流配电网供电的连续性和电能质量为目标,对直流配电系统的接地方式进行了研究。最后,针对直流配电网的运行场景,给出了直流配电系统接地的推荐方案,并通过仿真验证了方案的合理性。     

一种直流配电网保护控制软件平台的实现方法

中压直流配电网的建设尚属于研究探索阶段,中压直流配电网的保护控制设备有很多的问题需要研究,这些问题都对直流配电网保护控制平台的运算速度、多CPU协同处理能力、数字化、网络化、实时性、快速性提出了新的需求,为了适应这些需求,提出了一种以元件为核心的直流配电网保护控制平台的实现方法,论述了元件、管理程序、运行程序、可视化编程的基本概念和实现方法,对于平台的一些关键技术,例如中断处理、数据总线的实现方法也进行了阐述。基于该平台的直流母线保护、直流线路保护、直流负载保护已经通过了开普实验室的RTDS仿真测试,功能和性能都达到了设计要求。     

城市配网改造下中压直流配电网的供电能力分析

我国的城市配电网正面临供电能力不足的压力,中压直流配电方式的出现为城市配电网的改造提供了一个新的思路和方法。基于可靠性和适应性的要求,本文选择双极三线制作为直流配电网的接线方式。首先考虑交直流线路的过电压水平,确定了交直流配电网额定电压的关系。在此基础上,从电压损耗、功率损耗以及供电容量3个方面,对中压交、直流配电网的供电能力进行了理论推导,建立了交、直流配电网供电能力的通用模型。并以常用的中压电缆YJV-300为例,分析发现中压直流配电网的供电能力显著优于中压交流配电网。特别的,本文研究了直流配电网线路发生单极故障时的供电能力,发现其供电能力相对于交流配电网而言也具有一定的优势。     

含直流断路器的柔直配电网过电压与绝缘配合

随着分布式能源的不断应用与普及,直流配电必将成为未来配用电系统的主流形式。作为一种新型的配电系统,柔直配电的过电压与绝缘配合亟须进一步研究和完善,中压直流断路器的加入也导致了系统的操作过电压暂态特性发生了根本变化,须对含直流断路器的柔直配电网操作过电压分布特性及绝缘配合展开分析。首先,构建了±10 kV环网型柔直配电网的电磁暂态仿真模型,设计了基于含直流断路器的保护动作方案;其次,基于保护动作方案,对±10 kV环网型柔性直流配电系统进行操作过电压的仿真分析,得到其幅值的水平空间分布特性和关键位置最大过电压的决定性工况,并提出±10 kV环网型柔性直流配电系统的绝缘配合方案;最后,对直流断路器动作影响下直流电缆护套的暂态感应过电压展开仿真分析。研究表明,直流断路器的加入提高了直流配电网的可靠性和灵活性,避雷器和电缆金属护层保护器的布置方案也得到进一步的优化,对环网型柔直配电网的绝缘配合方案设计有较大意义。     

中低压直流配电系统的分散式统一控制策略

中低压直流配电系统由中压直流母线、低压直流母线、直流变压器等组成,具有多电压等级、多直流母线、多变换器的特点,系统的运行方式与协调控制策略更加复杂。文中以中低压直流配电系统为研究对象,提出了一种基于直流母线电压信号的分散式统一控制策略。直流母线上的光伏发电单元、储能单元、燃料电池单元均采用分散式控制策略,根据直流母线电压调整各自的工作模式。直流变压器采用统一控制策略,集功率控制、中压与低压直流母线电压调节功能于一身,直流变压器根据中压与低压直流母线电压偏差的标幺值,自动调节传输功率的大小与方向,从而实现系统的全局功率均衡。最后,在MATLAB/Simulink中搭建了中低压直流配电系统的仿真模型,并对多种运行状态和场景进行了仿真分析,验证了所提控制策略的有效性。     

直流配电网运行控制策略分析及展望

由于直流配电网在新能源消纳、直流负荷接入、网络结构升级等方面具有巨大的优势,近年得到了广泛关注和认可。在减少变流环节、简化控制目标的同时,直流配电网引入了新的不稳定因素,对运行控制提出了新的挑战。首先,总结并分析了直流配电网拓扑结构及特征;然后,对直流配电网典型运行特征及其带来的稳定性问题进行了分析,在此基础上,对直流配电网变流器典型运行控制策略的基本原理、应用场景以及研究方向进行了总结和分析;最后,对直流配电网运行控制的难点和未来研究方向进行了预期和展望。     

中压配电网的高可靠性接线模式综合评估方法

为解决高可靠性地区的中压配电网接线模式在规划设计时评价指标多样、没有统一标准的问题,针对中压配电网的高可靠性接线模式综合评估方法展开研究。首先,从可靠性、经济性、技术性和适应性4个方面构建了高可靠性接线模式的综合评估指标体系;其次,采用DEMATEL-ANP-反熵权法和改进灰色关联度法确定各评估因素的权重;接着,采用多项式差值法构成高可靠性接线模式的指标评分函数;最后,结合江苏某A类区域高可靠性改造工程,对单环网接线、双环网接线、花瓣形接线和含柔直合环的三路同供接线模式进行综合评估和比较分析,研究结果表明含柔直合环的三路同供接线模式的可靠性、适用性较高,最终综合评分较高,符合工程实际,验证了综合评估方法的可行性和有效性。     

基于高阻并联避雷器接地方式的柔性直流配电网保护方法

针对柔性中压直流配电网系统直流线路单极接地故障检测困难的问题,提出一种高阻并联避雷器接地的新型接地方式及其包含自适应放大系数的保护策略。首先讨论了现有的柔性直流配电网接地方式的优缺点,提出了基于联结变压器中性点经高阻并联避雷器的新型接地方式。然后通过理论推导分析了新型接地方式在交直流侧接地故障下的过电压机理和故障特征,根据不同故障下的电压电流特性,提出了相应的直流线路保护策略,实现了差动保护在直流配电网发生故障时准确快速地进行故障识别和故障选线。最后以仿真实例验证了新型接地方式的有效性和所提出的保护方法的可靠性。     

含柔性变电站的交直流配电网分布式优化调度方法

考虑到集中优化方法存在计算成本高、通信负担重的缺陷,基于分布式管理思路提出一种含柔性变电站的交直流配电网分布式优化调度方法.首先,将含柔性变电站的交直流配电网系统解耦为中压交流子系统、中压直流子系统、低压交流子系统、低压直流子系统和柔性变电站子系统等可独立优化调度的子系统,并建立各子系统的二阶锥优化调度模型;然后,采用目标级联法实现交直流配电网优化调度模型在各个子系统中的分布式迭代计算;最后,通过仿真算例验证所提方法的有效性和准确性,在满足交直流配电网整体运行约束的条件下,交直流配电网实现了整体最优运行.     

基于PMU的中压配电网精确故障定位方法及关键技术

中压配电网精确故障定位技术对于减少电力系统的停电时间和停电频率,提高供电可靠性具有重要的意义。同步相量测量技术的广泛应用,为在配电网中实现故障的精确定位奠定了基础。文中对以配电网同步相量测量装置（D-PMU）为基础的中压配电网精确故障定位方法的研究进行了分析和展望。在对中压配电网故障定位技术现状进行分析的基础上,阐述了目前配电网精确故障定位面临的机遇与挑战,提出了实现精确故障定位的前提条件。在此基础上,围绕着中压配电网精确故障定位研究的主要科学问题,提出了需要重点关注的研究内容,并对相关的研究思路和技术路线进行了详细的阐述。     

Reconfigurable DC Links for Restructuring Existing Medium Voltage AC Distribution Grids

While the scientific community recognizes the benefits of DC power transfer, the distribution network operators point out the practical and economic constraints in refurbishing the existing AC network at a medium-voltage level. Some apprehensions like reliability, cost of ownership, and safety in adopting a universal DC distribution may merit considerable attention, particularly considering the long operational experience with the existing mature AC system. This paper introduces the novel concept of reconfigurable DC links as a flexible backbone integrated within the future AC distribution grids. Benefits such as hardware reconfiguration for a modular AC–DC cable operation to achieve fault redundancy, control reconfiguration for flexibility and grid-supporting ancillary services, network reconfiguration for system level distribution loss minimization and load redistribution, and fault reconfiguration for improving the grid availability are discussed. The vision, around which the concepts developed in this paper revolve around, is to present a viable way of gradual transition from AC to hybrid AC–DC to finally a universal DC system.