賀之淵，陸晶晶，劉天琪，張 凱，楊 旭，趙成勇

（1.先進輸電技術(shù)國家重點實驗室（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)與仿真北京市重點實驗室,北京市102209；3.四川大學電氣信息學院,四川省成都市610065；4.華中科技大學電氣與電子工程學院,湖北省武漢市430074；5.西安交通大學電氣工程學院,陜西省西安市710049；6.華北電力大學電氣與電子工程學院,北京市102206）

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)能源、環(huán)境問題的日益嚴峻,實現(xiàn)風電、光伏等大規(guī)?？稍偕茉吹拈_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,已成為各國的共識［1-2］。根據(jù)國家發(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］,中國將大力發(fā)展風電、光伏等可再生能源,到2020 年和2050 年,非化石能源消費比重將分別達到15%和50%以上。在中國未來的電力格局中,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,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)能力和適應性方面已經(jīng)很難滿足目前經(jīng)濟和社會變化的需求。因此,中國能源和電力的發(fā)展面臨前所未有的機遇和挑戰(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功獨立解耦、無需換相電壓,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行多元互補,近年來已經(jīng)成為研究熱點,被認為是構(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,國際大電網(wǎng)組織將直流電網(wǎng)定義為：由多個網(wǎng)狀和輻射狀聯(lián)接的變換器組成的直流網(wǎng)絡,并針對直流電網(wǎng)建立了多個工作組展開系統(tǒng)的研究工作。隨著國內(nèi)外對柔性直流電網(wǎng)研究的日益深入,在其可行性、電壓等級、控制保護策略、標準模型、可靠性及可用性等方面取得了一定的研究成果［6-16］。歐洲、美國等多個地區(qū)和國家先后提出直流電網(wǎng)規(guī)劃,如歐洲一些國家提出的超級電網(wǎng)計劃［6］,擬采用直流電網(wǎng)技術(shù)促進風力發(fā)電與太陽能發(fā)電的協(xié)調(diào)發(fā)展；美國 提 出 了“Grid 2030”計 劃［7］,建 立 以 直 流 電 網(wǎng)為骨干的輸電網(wǎng)架等。此外,中國正在建設張北±500 kV 四端柔性直流電網(wǎng)示范工程［8］,將對張北地區(qū)的大規(guī)模風電匯集消納發(fā)揮重要作用,并在全世界范圍內(nèi)首次實現(xiàn)風電、抽水蓄能和大城市經(jīng)直流電網(wǎng)互聯(lián)。

總體來說,當前國內(nèi)外對直流電網(wǎng)的研究已有初步成果,但都還沒有形成體系,在學術(shù)界也沒有形成明確的共識,關(guān)于直流電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)、基本運行方式等也沒有統(tǒng)一的認識和標準。

故障電流抑制是直流電網(wǎng)能夠可靠運行首先要解決的突出問題。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)絡拓撲和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不清楚,應用場景不明；②限流裝置不成熟,限流效果判定標準缺乏；③故障機理和故障發(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)狀的基礎上,分別對故障機理、抑制方法、實驗驗證等方面的關(guān)鍵技術(shù)與難點進行分析和展望,為推進柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展與工程化應用提供參考。

1 技術(shù)需求

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

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

主要技術(shù)特點為：①直流系統(tǒng)形成獨立網(wǎng)絡,換流站位于交、直流網(wǎng)絡的聯(lián)絡線上,直流線路間可自由連接和切換,并實現(xiàn)互為冗余備用；②可實現(xiàn)多電源供電、多落點受電,并提供靈活、快捷、可靠的輸電方式；③既有利于接入大規(guī)模風電、光伏和儲能設備,也有利于分散的小型新能源通過換流設備接入；④沒有無功功率和頻率振蕩問題,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備,實現(xiàn)不同電壓等級直流電網(wǎng)、直流故障隔離、直流潮流可控等功能。然而相對于交流電網(wǎng),直流電網(wǎng)在發(fā)生故障時呈現(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。

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個數(shù)量級,且動態(tài)響應迅速,因此,直流系統(tǒng)性能受控制器的影響較大。而且,換流器中的儲能元件相對較多,在發(fā)生嚴重的直流短路故障后,換流器和直流側(cè)的儲能元件將快速放電,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)電流便會超過其耐受上限（如圖2 所示）,將損毀換流器中開關(guān)器件或者導致閉鎖,進而使直流系統(tǒng)停運,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)復雜,多因素作用下故障電流分析與抑制面臨困難

多個換流器構(gòu)成直流網(wǎng)絡拓撲后,在多電壓等級、風電與光伏等不同形式電源接入的情況下,直流電網(wǎng)故障電流的特性復雜。除了前文所述的故障電流上升率高（0～10 kA/ms）、時間常數(shù)小、過流幅度大等特點外,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與運行方式也對故障電流的影響增加,多種電力電子設備間耦合作用強烈。這是因為從源側(cè)看,有風電、光伏等新能源廣泛接入；從網(wǎng)側(cè)看,直流電網(wǎng)含有多個電力電子設備,共同構(gòu)成了多能量源、多阻抗的復雜大系統(tǒng)。設備與設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)移特性的影響機理、柔性直流電網(wǎng)的仿真建模等問題的研究帶來了極大的挑戰(zhàn),同時也使得故障電流計算難以實現(xiàn)解析表達。此外,從系統(tǒng)層面看,由于直流電網(wǎng)的低阻尼特性和儲能元件多,導致故障時儲能元件釋放的能量大,實現(xiàn)在很短的時間內(nèi)有效耗散這部分能量困難。

故障電流問題已經(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)和簡單直流電網(wǎng)。文獻［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)的控制保護策略以及交直流故障的診斷和識別方法等。文獻［20-22］針對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［23］討論了星形或者串接的輻射狀多端VSC 直流風電場的單極、雙極短路故障特性與保護策略。上述文獻對故障電流特性的分析主要是基于仿真軟件,通過對直流電網(wǎng)建模并設置特定的故障,得出故障后的仿真波形并定性分析。然而,實際操作中會受到仿真規(guī)模與速度的限制,一旦改變參數(shù)需要進行多次仿真。為了便于快速得出結(jié)果,有必要對直流故障電流實現(xiàn)定量分析計算。

專著［17］詳細介紹了柔性直流輸電網(wǎng)單極接地短路電流計算方法,在閉鎖換流器前（故障后數(shù)毫秒內(nèi)）考慮MMC 是一個線性定常電路,可以采用疊加原理進行分析,換流器閉鎖后則根據(jù)電路原理推導出直流側(cè)故障電流的解析表達式。文獻［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算解析表達式。文獻［26-27］研究了真雙極柔性直流電網(wǎng)的短路電流計算方法,并以四端直流電網(wǎng)為例驗證了方法的有效性。這些研究多針對較為簡單的網(wǎng)絡拓撲,建立系統(tǒng)故障下的等值網(wǎng)絡也較為簡單,容易得出故障電流的解析表達式。但在復雜網(wǎng)絡架構(gòu)下,尤其是考慮：風電/光伏等不同能源匯集、換流站采用下垂主從控制方式、單極與雙極等運行方式以及線路的分布參數(shù)、電力電子設備非線性變換特性等因素對故障電流特性的影響,使故障電流的解析表達式更加復雜。

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,以避免換流器過流閉鎖,尤其在高電壓應用場合,對直流斷路器的體積重量、經(jīng)濟性、分斷能力的要求更加嚴苛,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,是近年來研究的新方向,但相關(guān)的抑制理論、技術(shù)與關(guān)鍵設備仍然匱乏,尚未形成完善的理論體系,并實現(xiàn)工程化應用。

目前,國內(nèi)外學者對故障限流裝置的拓撲結(jié)構(gòu)與控制方法進行了初步研究,主要如下。

1）從源側(cè)改進優(yōu)化換流器拓撲以實現(xiàn)對故障電流的清除,如文獻［28］綜述了能夠?qū)崿F(xiàn)故障隔離的MMC 子模塊拓撲、橋臂拓撲和單相拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu),并對比了不同拓撲的優(yōu)劣。

2）在網(wǎng)側(cè)實現(xiàn)故障電流的阻斷或限制,如文獻［29］提出了一種可隔離直流故障的直流電網(wǎng)DC/DC 變換器拓撲結(jié)構(gòu)；文獻［30］提出了一種具有限流功能的直流斷路器；文獻［31］提出了一種單鉗壓子模塊構(gòu)成的直流限流器拓撲,并應用于四端直流電網(wǎng)實現(xiàn)限流功能。可以看出,上述限流裝置大多為單一類型設備,且應用的直流網(wǎng)絡拓撲較為簡單,沒有提出限流裝置的限流機理與統(tǒng)一限流模型,無法對限流裝置拓撲設計提供系統(tǒng)化的指導。

針對復雜的直流電網(wǎng),為了保證系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟性,各限流設備之間應能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)配合,提高設備的利用效率。文獻［32］討論了直流斷路器與超導限流器的配合問題,提出協(xié)調(diào)配合方案,降低了系統(tǒng)對斷路器的性能要求并加速故障隔離過程。文獻［33］以雙極四端直流電網(wǎng)為研究對象,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優(yōu)化配置。但目前針對直流電網(wǎng)故障電流抑制的多設備協(xié)調(diào)配合理論和方法還較少,仍有待開展進一步的研究工作。

此外,近年來,通過控制換流器的動作實現(xiàn)限制故障電流的控制方法也成為研究的熱點。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,降低對直流斷路器的性能需求,具有成本低、動作迅速的優(yōu)點。常見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。但目前主要應用于兩端VSC/MMC 柔性直流輸電系統(tǒng),應用于柔性直流電網(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)有機電暫態(tài)、電磁暫態(tài)、動態(tài)模擬和數(shù)模混合等技術(shù)［13,42］。

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

在電磁暫態(tài)建模方面,重點研究了換流器、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)復雜程度的不同,分為詳細開關(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,需要基于實際情況進行選擇。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)值計算方法則主要有定步長法［50］、變步長法［50］和混合法［51-52］,目前已針對大規(guī)模電力電子系統(tǒng)仿真進行了算法優(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)學模型,然而直流斷路器、直流限流器等新型設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)點數(shù)將成倍增加,需要研究更高速、更高精度的故障限流設備等效模型。

動模技術(shù)是一項采用真實開關(guān)器件進行模擬的技術(shù),因此可以模擬數(shù)字仿真難以復現(xiàn)的工況,目前已應用于中國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)工程等多項工程。目前動模技術(shù)正朝著與模擬對象更相似、更具有擴展性等方向發(fā)展,但通過搭建等比例的實驗樣機構(gòu)造直流電網(wǎng)的動模平臺造價太高,且仿真對象單一、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］?？刂菩蛿?shù)?；旌戏抡鎸⑾到y(tǒng)主電路搭建在數(shù)字仿真平臺上,并與實際的控制保護系統(tǒng)連接,可以有效驗證控制保護策略的正確性但難以模擬真實的換流閥特性；功率型數(shù)?；旌戏抡鎰t將數(shù)字仿真平臺與動模裝置連接,具有更高的靈活性,是未來數(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,實施及時有效的防控決策,以避免設備損壞,保證系統(tǒng)安全運行。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、計算和處理（抑制和開斷）是有效應對直流電網(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,其中故障時刻電流的表達式為：

圖3 四端直流電網(wǎng)故障電流傳播路徑和簡化單端等效電路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,需要先通過研究故障電流產(chǎn)生的機理、傳播路徑與演化過程,明確影響電壓、等效阻抗的相關(guān)因素；充分考慮風電、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算新方法,確定發(fā)生故障電流嚴重的場景；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,實現(xiàn)對故障電流的有效抑制；最后,建立合適的仿真模型實現(xiàn)對所提方法合理性的驗證。

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算方法、限流裝置拓撲與控制優(yōu)化、多維度協(xié)同控制技術(shù)以及考慮限流設備的直流電網(wǎng)建模與仿真技術(shù)4 個內(nèi)容進行分析,以全面掌握故障電流抑制基礎理論、限流裝置運行機理與配合機制理清思路和方向,推動直流電網(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)變化的簡化示意圖,由于目前直流電網(wǎng)基礎理論的研究還處于初步階段,尚不明確網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及運行方式對故障電流有無影響以及影響規(guī)律。為了研究整個故障期間直流電網(wǎng)的短路電流特性以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運行方式和電源特性等對故障電流的影響規(guī)律,如圖6 所示,首先需要對直流電網(wǎng)故障前后潮流分布的影響進行研究,分析不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及運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；同時研究計及電源特征的潮流分布對直流電網(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,以及故障前的運行方式與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對故障后下一個穩(wěn)態(tài)運行狀態(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)的若干準則與選擇直流電網(wǎng)運行方式的若干準則,為直流電網(wǎng)的發(fā)展與工業(yè)化應用提供理論指導和支撐。

圖6 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運行方式等對故障電流影響規(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)過程,也就是從故障初始態(tài)到故障后穩(wěn)態(tài)的過渡過程。如前所述,目前大部分文獻針對直流電網(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 拓撲結(jié)構(gòu)并提出故障電流計算方法。為了提高直流電網(wǎng)故障電流分析的整體性和體系化,有必要針對極對金屬回線故障、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 時的故障發(fā)展過程,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)架進行適當簡化后的通用化故障電流計算方法,同時還需要考慮交流系統(tǒng)對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。

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

1）在不考慮直流網(wǎng)絡影響時,每個換流站在故障后分為不同的響應階段,每個階段可以等效為線性穩(wěn)定的故障電流。若計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)絡影響的情況下,需針對不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與故障類型,采用不同的故障電流計算方法。

①對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算方法,明確網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不同影響規(guī)律。

②對于簡單輻射型直流電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu),其暫態(tài)階段經(jīng)過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序疊加計算方法。

③對于環(huán)網(wǎng)型直流電網(wǎng)拓撲,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算的解環(huán)方法,實現(xiàn)對直流環(huán)網(wǎng)的故障電流簡化計算。

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)電流的簡化、快速計算方法和詳細計算方法,提出加入故障限流措施后的故障電流計算的改進方法。

3.2 直流電網(wǎng)限流裝置拓撲與控制優(yōu)化

針對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,在故障時通過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撲,降低網(wǎng)側(cè)線路電壓［55］,從而達到抑制故障電流的目的。

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

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,通過提高線路等效阻抗進而降低故障電流。

圖7 給出了降低電壓、增大電阻和增大電抗對故障電流影響的簡化示意圖?？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,對于峰值卻沒有抑制作用。因此,通過降壓和增加等效電阻是有效抑制故障電流的途徑。

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

如前文所述,國內(nèi)外學者已經(jīng)提出了很多故障限流裝置拓撲,但為了實現(xiàn)故障限流裝置的工程化應用,限流裝置拓撲未來應該朝著可靠性更高、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)、應用場景和系統(tǒng)參數(shù)等各方面因素,以及合理的故障限流控制目標進行綜合的優(yōu)化設計［54］。此外,在研究優(yōu)化拓撲的同時,還有必要對限流裝置的控制方法進行優(yōu)化研究。由于直流電網(wǎng)中可控的部件遠遠多于交流電網(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)的風電、太陽能、儲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現(xiàn)最佳的限流裝置控制方案,進而可以大大提升限流效果,降低對限流裝置的要求。

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,其他設備均在直流電網(wǎng)中承擔各自的功能,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現(xiàn)整流和逆變,DC/DC 變壓器的主要功能是實現(xiàn)多電壓等級直流電網(wǎng)互聯(lián),直流斷路器的主要功能是實現(xiàn)故障線路的切斷。為了提高設備的有序高效利用,在開發(fā)上述設備的限流功能的同時,有必要研究上述設備的優(yōu)化配置與協(xié)同配合抑制故障電流的控制策略。

研究多個限流裝置的協(xié)同配合,首先應選擇最佳配置方案,然后再考慮控制和時序的配合以實現(xiàn)對故障電流的抑制。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,同時保證整個系統(tǒng)可以在故障后快速恢復供電。

考慮以降低直流斷路器的電氣應力要求為目標,柔性直流電網(wǎng)的協(xié)調(diào)配合方式可以分為網(wǎng)側(cè)限流設備協(xié)同配合和源-網(wǎng)側(cè)限流設備協(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,采用多目標優(yōu)化方法對上述設備進行參數(shù)設計。

當使用源-網(wǎng)側(cè)限流裝置配合動作時,應考慮到換流閥在故障時閉鎖/旁路會失去部分有功功率傳輸能力且恢復時間較長,源側(cè)裝置的限流時間應盡量短,當直流斷路器切除故障線路時,換流站應立刻解鎖,恢復正常運行,同時在設計協(xié)同配合策略時需要重點關(guān)注對故障電流、橋臂電流、交流側(cè)電流以及潮流轉(zhuǎn)移的影響,建立合理的時序動作邏輯。

3.4 含限流設備的直流電網(wǎng)數(shù)學建模與動模仿真

建模與仿真技術(shù)是進行電力系統(tǒng)分析的重要手段,但隨著系統(tǒng)越復雜,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,在控制器作用下開關(guān)狀態(tài)頻繁變化,且節(jié)點數(shù)量多,大規(guī)模的系統(tǒng)導納陣不斷更新、求逆。加之,直流電網(wǎng)的控制慣性環(huán)節(jié)較少,響應時間常數(shù)較交流電網(wǎng)至少小2 個數(shù)量級,動態(tài)響應快、故障傳播迅速等,這些都對建模和仿真提出很高的要求［13］。

對含限流設備的直流電網(wǎng)實現(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證提供有力的依據(jù)。前已述及,功率型數(shù)模混合仿真將數(shù)字仿真平臺與動模裝置連接,是未來數(shù)?；旌戏抡娴陌l(fā)展方向［57-58］。因此,可以將限流設備動模裝置與在RTLAB 等數(shù)字仿真平臺中建立的直流電網(wǎng)數(shù)學模型互聯(lián),建立可聯(lián)合調(diào)試的數(shù)字物理混合仿真平臺（如圖9 所示）,實現(xiàn)對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證。

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

此項技術(shù)重要的核心之一是數(shù)字物理接口部分,負責實時能量傳輸和信息交換,但會給數(shù)模仿真系統(tǒng)帶來噪聲、延遲,對穩(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、部分電路復制法、輸電線路模型法、時變一階近似法和阻尼阻抗法［56,59］。文獻［56］詳細對比了上述5 種接口算法的優(yōu)缺點：理想變壓器法結(jié)構(gòu)簡單、應用廣泛,但穩(wěn)定性較差；部分電路復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；時變一階近似法的穩(wěn)定性較低且實現(xiàn)困難；阻尼阻抗法通過在數(shù)字側(cè)設置一個與物理側(cè)設備相同的補償阻抗實現(xiàn)接口延時補償,具有較好的穩(wěn)定性和仿真精度,但阻抗匹配還需要進一步優(yōu)化。

關(guān)于功率接口造成響應時間延遲、放大誤差、諧振等問題,則可以通過設計改進的功率放大器拓撲,并采用合理控制方法進行降低和消除,如文獻［60］提出一種以3 個單相H 橋結(jié)構(gòu)四象限變流器為拓撲的開關(guān)型功率接口裝置,采用改進的控制策略實現(xiàn)了功率接口的功能。文獻［61］提出基于dq坐標變換重構(gòu)電壓信號的延時補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,隨著研究的深入,有望提出含限流設備的柔性直流電網(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

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)字物理動模仿真3 個關(guān)鍵技術(shù)角度,闡述了故障電流抑制基礎理論的研究框架、解決思路,并對關(guān)鍵技術(shù)難點進行了分析。

作為全新的電力資源配置方式,柔性直流電網(wǎng)已經(jīng)受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。但是為了實現(xiàn)直流電網(wǎng)的推廣與應用,除了故障電流抑制技術(shù),在諸如直流電網(wǎng)的規(guī)劃設計方法、技術(shù)經(jīng)濟性指標與評價、繼電保護的原則與配置方案、直流電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制以及結(jié)合新能源的調(diào)度運行控制等方面,仍存在大量的關(guān)鍵技術(shù)問題有待通過長期而系統(tǒng)的深入研究來解決。

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