韓永霞，馮帥松，高毓群，鄭文博，張競涵，趙宇明，韋甜柳，李立浧

(1.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641；2. 深圳供電局有限責任公司，廣東 深圳 518020；3. 南方電網科學研究院有限責任公司，廣東 廣州 510663)

柔性直流配電網因具備分布式能源并網及消納、電能質量高、便于多種直流負荷和儲能裝置靈活接入等優(yōu)勢而成為國內外研究熱點[1-4]。到目前為止，國內外已有深圳±10 kV 兩端、珠?！?0 kV 三端、貴州±10 kV 五端、杭州±10 kV三端、蘇州±10 kV兩端以及德國亞琛10 kV兩端等多地的直流配電系統(tǒng)示范工程的研究及投運報道[5-11]。但由于柔性直流配電系統(tǒng)的運行經驗較少，應用場景、控制保護、故障隔離措施、過電流及過電壓的防護等關鍵技術仍需要進一步研究。

故障的診斷及快速隔離是保證直流配電系統(tǒng)具備高可靠性的關鍵。直流配電系統(tǒng)多基于柔性直流技術，其換流器并聯(lián)電容元件較多，在系統(tǒng)各種短路及接地故障下，流過各設備及故障點的電流在毫秒以內能迅速增加至幾十千安培，過電流抑制、故障診斷及隔離難度較大；此外，在各種故障中，尤其是當系統(tǒng)串聯(lián)有大量限流設備時，連接有多種換流器的直流配電系統(tǒng)中會產生較大的過電壓。因此，對柔性直流配電系統(tǒng)的故障隔離措施、限流方案、過電流抑制、過電壓與絕緣配合的研究等是保證其安全可靠運行的關鍵技術[12-16]。

本文結合柔性直流配電系統(tǒng)典型拓撲結構及主接線，系統(tǒng)分析柔性直流配電系統(tǒng)故障中的限流方案、過電壓與絕緣配合、設備暫態(tài)電流、過電壓過電流的綜合協(xié)調防護等的研究現(xiàn)狀，探討目前柔性直流配電系統(tǒng)面臨的主要問題，并提出相應的研究思路與展望。

1 柔性直流配電系統(tǒng)典型網絡結構

柔性直流配電系統(tǒng)網路架構主要包括拓撲結構、主接線方式和接地方式。

1.1 柔性直流配電系統(tǒng)拓撲結構

柔性直流配電系統(tǒng)的拓撲結構主要分樹枝狀、放射狀、環(huán)網、兩端及多端等[17]。綜合考慮供電可靠性、經濟性以及控制保護實現(xiàn)的難易程度，兩端及多端的柔性直流配電網的拓撲結構應用最為廣泛[18]。

在現(xiàn)有柔性直流配電系統(tǒng)及示范工程研究中，深圳、蘇州的直流配電系統(tǒng)均采用了兩端式拓撲結構，珠海、杭州、貴州的直流配電示范工程采用了多端式拓撲結構[5-10]。典型的兩端式及三端式直流配電系統(tǒng)拓撲結構分別如圖1和圖2所示。

圖1 深圳兩端式柔性直流配電系統(tǒng)拓撲結構Fig.1 Topology of Shenzhen two-terminal flexible DC distribution system

圖2 珠海多端柔性直流配電系統(tǒng)拓撲結構Fig.2 Topology of Zhuhai multi-terminal flexible DC distribution system

1.2 系統(tǒng)接線方式與接地方式

柔性直流配電系統(tǒng)故障時產生的過電壓及過電流也受系統(tǒng)接線方式及接地方式影響。柔性直流配電系統(tǒng)的接線形式分為單極接線和雙極接線，綜合考慮可靠性和經濟性，多采用對稱單極接線方式[19]。此時，柔性直流配電系統(tǒng)可以通過直流側接地，也可以通過交流側接地。考慮到直流側接地的經濟性較差，一般需要結合交流系統(tǒng)的接地方式及變壓器接線形式，采用合理的交流側接地方式[20]。

文獻[21]對柔性直流配電網接入交流電網的方式研究表明，在換流器與交流系統(tǒng)間配置聯(lián)接變壓器，能夠起到隔離交流故障對直流系統(tǒng)以及直流故障對交流系統(tǒng)影響的作用。文獻[22]系統(tǒng)研究了配置聯(lián)接變壓器時，柔性直流系統(tǒng)不同接地方式的差異，如圖3所示。圖3(a)所示為聯(lián)接變壓器中性點經電阻接地方式，圖3(b)所示為通過星型電抗經電阻接地方式。研究表明：當聯(lián)接變壓器換流閥側的繞組有中性點時，采用中性點經電阻接地方式；當聯(lián)接變壓器換流閥側的繞組沒有中性點時，應采用星型電抗經電阻接地。目前，柔性直流配電系統(tǒng)多采用圖3(a)所示的聯(lián)接變壓器中性點經接地電阻接地的方式[8,23]。

圖3 典型柔性直流配電系統(tǒng)接地方式Fig.3 Grounding modes of typical flexible DC distribution system

2 限流方案設計

柔性直流配電系統(tǒng)多采用直流斷路器(DC circuit breaker, DCB)快速隔離故障，但由于DCB的開斷能力有限，需要配合相關的限流措施才能安全可靠地實現(xiàn)故障的開斷及隔離[24]。此外，限流器也可以抑制短路故障下流過各關鍵設備的沖擊電流，保證設備的安全運行。

目前柔性直流配電系統(tǒng)的限流裝置主要包含限流電抗器和電阻型超導限流器[25]，研究表明兩者均有較好的限流效果。在具體的多端柔性直流配電系統(tǒng)中，如何配置限流器及設計限流器參數，對系統(tǒng)整體的技術經濟性有較大影響，例如對設備暫態(tài)電流和絕緣水平的設計均會產生影響。

相關研究表明，直流雙極短路故障是直流母線及DCB過電流的決定性故障工況[25]。圖4所示為多端柔性直流配電系統(tǒng)中各換流器出口可能發(fā)生的3種典型雙極短路故障。圖4中：F1故障時，流經DCB的電流是換流器1的放電電流；F2和F3故障時，流經DCB的電流均為其他所有換流器出口的放電電流之和，但相比F2，F(xiàn)3故障時的放電回路中多了本換流器的限流器，故F2故障下流經DCB的電流更大。當DCB開斷能力有限時，如5 ms內開斷10 kA的故障電流，則需要設計限流器的參數能在5 ms內將DCB電流幅值限制在10 kA以內。綜上，需要考慮最嚴格的故障工況，從而確保F1和F2故障時限流器參數與DCB開斷能力的協(xié)調配置。文獻[26]在限流方案及其參數設計方面做了系統(tǒng)詳細的理論分析與仿真研究，理論推導了典型故障下?lián)Q流器出口過電流計算式以及應當配置的限流器參數計算式，并開展了仿真驗證，為多端柔性直流配電系統(tǒng)中限流方案及其參數設計提供了思路和方法。

圖4 換流器直流側雙極短路故障Fig.4 Bipolar faults at DC side of converter

3 過電壓與絕緣配合

柔性直流配電系統(tǒng)設備絕緣水平的選取需要基于其內部過電壓及雷電過電壓的詳細計算。

3.1 內部過電壓

內部過電壓主要是指系統(tǒng)在典型操作及故障情況下的過電壓，一般采用電磁暫態(tài)仿真軟件仿真分析典型故障下關鍵位置的電壓分布及其影響因素，并提出決定性故障工況[27-29]。

柔性直流配電系統(tǒng)的典型故障的可劃分為交流側、換流器區(qū)域及直流線路區(qū)域故障[30-33]，如圖5所示。

相關學者針對控制保護、子模塊拓撲、限流措施、典型負荷投切及波動等對柔性直流配電系統(tǒng)過電壓的影響開展大量研究。如針對換流器子模塊是否閉鎖仿真研究其對故障特性及過電壓分布的影響，研究結果表明，極間短路故障時，子模塊閉鎖情況下的極間電壓和故障電流值要比不閉鎖時更大[34]。針對換流器全橋和半橋子模塊拓撲結構對過電壓的影響，仿真分析并提出了半橋型結構下系統(tǒng)過電壓整體較低[35]。文獻[36]則仿真分析并對比了超導限流器及限流電抗器的接入對系統(tǒng)關鍵點過電壓的影響，得出在加入限流電抗器方式下過電壓較高的結論。針對柔性直流配電系統(tǒng)接入的多種間接性及波動性負荷的影響，仿真分析表明負荷的投切和波動性對系統(tǒng)過電壓幾乎沒有影響[37]。

圖5 柔性直流系統(tǒng)各典型故障示意圖Fig.5 Typical faults of flexible DC distribution system

隨著不同拓撲結構、大量且多樣的直流負荷的接入，過電壓影響因素會繼續(xù)增加。

3.2 雷電過電壓

柔性直流配電系統(tǒng)的換流器一般位于戶內且線路多采用電纜，所以一般不考慮雷電及其防護。但也存在柔性直流配電系統(tǒng)的某個聯(lián)絡點暴露在室外遭受雷擊引起系統(tǒng)故障的情況；考慮到將來也可能采用架空線路，有必要開展柔性直流配電系統(tǒng)的架空線路的雷電防護、換流器雷電侵入波過電壓及其防護等研究。

±10 kV直流架空線路可能遭受感應雷電過電壓、反擊、直擊或繞擊雷電過電壓，因此需要建立線路及站內設備的雷電過電壓仿真模型，分析一定概率雷電流幅值下?lián)Q流器設備的最大雷電過電壓以及架空線路跳閘率等，提出設備雷電沖擊絕緣水平和線路的防雷措施。

文獻[38]對柔性直流配電系統(tǒng)的雷電過電壓建模方法進行了系統(tǒng)的研究，通過仿真對比分析，得出了線路穩(wěn)態(tài)運行電壓及換流器端數對雷電侵入波過電壓的影響較小的結論。因此，多端柔性直流配電系統(tǒng)的雷電侵入波過電壓的仿真，可參考常規(guī)換流站雷電侵入波過電壓的仿真建模方法，如與常規(guī)換流站建模方法類似取各設備高頻等效模型等，如圖6所示。

架空直流線路與配電線路防雷分析方法接近，包括桿塔模型、雷電流波形、絕緣子閃絡判據等建模方法[39-40]。雷電流幅值可根據配電系統(tǒng)所在地的雷電流幅值累計概率分布及地閃密度平均值選取[41-44]。

3.3 換流器絕緣配合方案

柔性直流配電系統(tǒng)的避雷器配置方案可參照傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)和柔性直流輸電系統(tǒng)，并結合避雷器配置原則進行。圖7給出了典型柔性直流換流器的避雷器配置，A型避雷器為交流系統(tǒng)側避雷器；A2型避雷器用于保護橋臂電抗器及聯(lián)接變壓器的二次側，同時也對聯(lián)接變壓器閥側的接地支路起保護作用；DB型避雷器用來保護直流母線及其相關設備，并與A2型避雷器配合實現(xiàn)對換流器的保護；DL型避雷器裝在直流線路側，用來保護直流母線及其相關設備；直流側接入負荷的換流設備故障產生的過電壓均由DL型避雷器抑制。根據具體工程，可適當刪減或增加某種類型的避雷器。如文獻[23]參照避雷器配置要求，在柔性直流配電系統(tǒng)中提出了3種不同的避雷器配置方案。其方案1與圖7所示相同，方案2在圖7的基礎上在各電抗設備兩端增加了避雷器，方案3則在圖7的基礎上將直流側正負極的避雷器改為在正負極間接入單個避雷器。文獻[29]在柔性直流配電網中提出了2種避雷器配置方案，其中一種方案與圖7所示相同，另一種方案的差別在限流電抗器兩端、閥組兩端和聯(lián)接變壓器中性點有無配置避雷器。仿真結果表明，配置更多的避雷器起到了降低直流電抗器與線路設備絕緣水平的作用，但提高了橋臂電抗器的絕緣水平。

圖6 單端換流器的雷電侵入波過電壓仿真模型Fig.6 Simulation model of lightning invasion wave overvotlage of single-terminal converter

圖7 直流換流站典型的避雷器布置Fig.7 Configuration of arresters in DC converter station

避雷器參數的選擇原則與常規(guī)直流系統(tǒng)一樣，不同的是，為了提高柔性直流配電網的運行可靠性，需要系統(tǒng)在單極接地故障下短時持續(xù)運行一段時間。因此極母線及極頂避雷器的持續(xù)運行電壓要考慮正常運行和單極接地故障2種情況，取2種情況下的最大值[33]。

在避雷器配置完成后，對系統(tǒng)各類故障情況下的過電壓進行仿真計算并統(tǒng)計決定性故障工況。如文獻[36]通過對珠?！?0 kV三端柔性直流配電系統(tǒng)的過電壓仿真分析，給出了其過電壓決定性故障工況統(tǒng)計，見表1。

表1 過電壓決定性故障工況Tab.1 Decisive faulted conditions for overvoltage

柔性直流配電系統(tǒng)的絕緣配合系數可參考高壓直流系統(tǒng)[33]，結合最大過電壓統(tǒng)計結果及避雷器保護水平的選取，可提出各設備所需的操作沖擊耐受電壓。如果系統(tǒng)不考慮雷電防護，則可結合操作耐受電壓設計和提出設備的雷電沖擊耐受電壓；如果需要考慮換流器防雷電侵入波，則需要結合架空線路防雷方案設計站內設備的雷電沖擊耐受電壓。

3.4 架空線路防雷方案

柔性直流配電系統(tǒng)架空線路的防雷研究要基于內部過電壓及其避雷器配置方案，如在其基礎上增加換流器出口避雷器并聯(lián)柱數、加裝線路避雷器、安裝架空避雷線及降低桿塔的接地電阻等方式及其組合[44]。

雷電防護要綜合考慮技術經濟性及可靠性。文獻[38]針對柔性直流配電系統(tǒng)開展了不同防雷方案的綜合對比分析，結合增加避雷器并聯(lián)柱數、架設避雷線和桿塔人工接地等綜合防雷方案，對比分析了站內設備雷電沖擊絕緣水平、線路雷擊跳閘率與投入費用等差異，結合供電可靠性及系統(tǒng)經濟性要求，提出了各種防雷方案的適用場景。

相比于電纜，采用架空線路對柔性直流配電系統(tǒng)的可靠性仍然是很大的挑戰(zhàn)，在經濟允許的條件下不建議采用架空線路。

4 過電流分析及設備暫態(tài)電流設計

當柔性直流系統(tǒng)發(fā)生各種短路及接地故障時，相關設備中會流過比較大的過電流。即使系統(tǒng)具備限流器抑制故障電流，DCB開斷并隔離故障點以及過電流閉鎖保護等防護措施，流過設備的沖擊電流幅值會減小但仍然存在。因此，在系統(tǒng)主接線、限流方案及避雷器絕緣配合方案確定的基礎上，需要在典型故障下仿真分析各關鍵設備的最大過電流，并以此為基礎提出設備暫態(tài)電流設計值。

暫態(tài)電流是校驗設備電動力穩(wěn)定度和設備選型制造的重要依據，因此詳細而準確地開展過電流理論、仿真及其影響因素分析至關重要[25,45-48]。

此外，相關學者為開展各種短路及接地故障下的故障特征及保護策略的研究，針對各類故障下的過電流開展了理論及仿真研究[49-53]。雖然與開展關鍵設備暫態(tài)電流設計的目的不同，但典型故障下的過電流的理論及仿真分析方法基本相同。

過電流的仿真建模方法與過電壓相同，典型故障工況也類似，相關研究通過理論分析和仿真計算提出了決定性故障工況，見表2[45,54]。

表2 過電流決定性故障工況Tab.2 Decisive faulted conditions for overcurrent

5 協(xié)調防護的研究思路

上述分析表明，系統(tǒng)的限流方案、過電壓與絕緣配合、設備暫態(tài)電流等研究均基于典型故障下的電磁暫態(tài)過程分析，雖然研究目的各不同，但分析方法相近，彼此之間會存在相互影響。

如在開展故障診斷及隔離措施研究中，需要結合開斷裝置的能力設計限流方案，而限流裝置的接入也會影響故障信號特征甚至保護策略的確定[55]。

其次，系統(tǒng)采用限流電抗器限流時，短路故障下限流電抗器兩端將產生較大的過電壓，對系統(tǒng)的過電壓水平產生影響[36]。因此，需在確定限流方案的前提下開展系統(tǒng)的過電壓及絕緣配合研究，如果不同限流方案系統(tǒng)絕緣配合方案差異較大，則需要綜合比較技術經濟性。

在設備暫態(tài)電流研究中，避雷器動作時相當于系統(tǒng)接地點增加，流過相關設備的過電流將會發(fā)生變化[56-57]。故在確定避雷器配置方案的前提下，開展柔性直流配電系統(tǒng)的暫態(tài)電流分析會將更加精確；此外，故障中的保護策略也在一定程度上影響系統(tǒng)過電壓及過電流的大小及分布。

綜上所述，針對同樣基于故障中電磁暫態(tài)過程分析的故障診斷及隔離、限流方案、過電壓與絕緣配合、設備暫態(tài)電流等研究，有必要從系統(tǒng)的角度開展多方面的綜合協(xié)調防護研究，探索最優(yōu)的綜合防護方案。

6 結論與展望

本文結合典型多端柔性直流配電系統(tǒng)的拓撲結構和主接線，綜述了其故障隔離及限流方案、過電壓與絕緣配合、過電流分析方法及設備暫態(tài)電流設計等的研究現(xiàn)狀，提出了其分析基礎均為典型故障下的系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程，理論及仿真分析方法類似，可以從系統(tǒng)的角度開展多方的綜合協(xié)調防護研究。

目前對于多端柔性直流系統(tǒng)的過電流、過電壓及其防護的研究，從理論到仿真分析、設計方案到示范工程等研究都在逐步完善，但仍然存在一些問題。如理論及仿真分析結果及規(guī)律尚需要與實驗及運行數據對比，以更好地指導實際運行；隨著多端柔性直流的發(fā)展，系統(tǒng)接入負荷及拓撲結構復雜程度隨著增加，電磁暫態(tài)過程更加復雜，故障隔離及限流防護方案難度也會增加。因此要進一步研究大容量、多端柔性直流配電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)理論分析方法，開展綜合協(xié)調防護研究，加快大電流DCB等故障隔離裝置的研發(fā)，才能有助于實現(xiàn)更大容量、更多端數的柔性直流配電網系統(tǒng)發(fā)展，避免過電流太大帶來的一系列限制。