趙雷

（大慶石化公司熱電廠，黑龍江 大慶 163000）

1 前言

與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)具有供電質(zhì)量好、線損小、供電安全性高等優(yōu)點，然而，由于能源危機和環(huán)境污染，世界各國都在大力發(fā)展以風(fēng)能和太陽能為基礎(chǔ)的清潔能源，積極推廣電力灑水車。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，直流配電網(wǎng)越來越受益于分布式發(fā)電和兼容直流電、變頻器以及其他節(jié)能電器。分布式發(fā)電和直流負荷必須通過交流配電網(wǎng)的復(fù)雜切換連接起來。

然而，交流配電技術(shù)在以往的電網(wǎng)設(shè)計中已經(jīng)成熟，市場廣闊且不可能，已經(jīng)完全被連續(xù)式配電網(wǎng)所取代，成為一種新型的配電方式，混合式交流配電方式，直流配電能充分發(fā)揮直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢，保持現(xiàn)有交流配電方式的優(yōu)勢。同時，目前直流配電網(wǎng)的推廣僅限于新型直流開關(guān)、直流變換器、最優(yōu)電壓電瓶等，長期未接入實際電網(wǎng)。

2 直流配電網(wǎng)保護

目前，直流配電網(wǎng)通過轉(zhuǎn)換器與交流配電網(wǎng)相連，公司配電網(wǎng)為負荷提供多層次、多形式的容量。所有類型的分布式發(fā)電都通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器或固定器連接到直流系統(tǒng)。

2.1 配電網(wǎng)拓撲

直流配電網(wǎng)分為圓形結(jié)構(gòu)和無線電結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

輻射狀配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，防御配置相對簡單，但供電安全性較差，配電網(wǎng)繼電保護技術(shù)研究直流電仍處于起步階段。國內(nèi)外學(xué)者對直流配電網(wǎng)有一定的了解，主要集中在直流配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)、套期保值方式和控制策略等方面。電網(wǎng)能量安全性較高，但故障檢測和保護相對困難，施工前和施工后都要綜合考慮各種因素。

2.2 誤差特性及保護原理

由于直流配電網(wǎng)接受分散發(fā)電的能力更強，未來將使分散發(fā)電到直流配電網(wǎng)，如果發(fā)生錯誤，這些分布式發(fā)電機將向錯誤點注入電力，從而增加破壞電流的峰值，并增加短路電流的速率。城市配電網(wǎng)中，由于功率半徑小，相鄰兩個直流開關(guān)之間的短路間隔很小。當(dāng)前，配電網(wǎng)對繼電保護裝置的使用速度提出了更高的要求。與交流線路相比，直流線路上只有電阻，沒有響應(yīng)，所以直流線路比交流線路低得多。因此，傳統(tǒng)的三級保護在動作持續(xù)時間與整定值協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，很難保證其選擇性，出現(xiàn)誤動情況。

3 交直流混合配電

目前，交直流系統(tǒng)的實踐經(jīng)驗表明，交直流混合輸電系統(tǒng)之間的相互作用會導(dǎo)致更復(fù)雜的電氣特性，甚至可能導(dǎo)致傳統(tǒng)交直流繼電器的故障或誤動作標志。DC/DC混合配電方式是未來配電方式的主流。

目前，交直流混合系統(tǒng)之間的相互作用可分為兩部分：暫態(tài)直流入侵和暫態(tài)交流流打擾。間歇性和直流混合輸電系統(tǒng)以及交直流混合配電系統(tǒng)都是基于性能電子學(xué)的發(fā)展，交直流相互作用的研究對交直流互聯(lián)的研究具有很高的參考價值。這兩部分研究在國內(nèi)外都取得了一定的進展，直流混合配電網(wǎng)在國內(nèi)外幾乎沒有相互作用。

3.1 直流頁面誤差對交流頁面的影響

極間短路故障會嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，是一個非常重要的問題。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，必須切斷電源。交直流混合配電系統(tǒng)的直流誤差表現(xiàn)為壟斷著陸誤差、內(nèi)插短路誤差和換相誤差，如圖2所示。單個接地對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響不大。

圖2 直流側(cè)故障

對于目前廣泛應(yīng)用的三級保護在交流配電網(wǎng)中，如果直流換相失敗，交流頁面上會輸入大量的低電平諧波，導(dǎo)致電流互感器飽和和三次諧波的假效應(yīng)保護。交直流混合系統(tǒng)核心變流器的穩(wěn)定可靠運行是保證系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵，交流方的保護價值需要改變，確保相互合作正確。

3.2 交流頁面誤差對直流頁面的影響

由于交直流相互作用造成的保護配置效果欠佳，當(dāng)保護案件發(fā)生錯誤動作時，技術(shù)人員進行研究，完善保護邏輯，避免再次犯錯。開交直流輸電系統(tǒng)與交直流電壓等級有明顯差異，但交直流側(cè)保護對直流過渡的影響較小。直流保護的原理目前還沒有取得重大突破，干擾過渡過程復(fù)雜。目前，還沒有直流暫態(tài)的通解和解析方法。

4 變頻器保護

與在輸電網(wǎng)中的應(yīng)用相比，MMC變換器在配電網(wǎng)中的應(yīng)用要求子模塊少、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟性高。MMC變換器的結(jié)構(gòu)和誤差特性分析是交直流混合配電網(wǎng)繼電保護分析的代表。目前，對MMC的拓撲結(jié)構(gòu)、故障修復(fù)技術(shù)和防御技術(shù)的研究相對較少。國內(nèi)外很多采用的是MMC的高壓直流輸電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器。由于其獨特的結(jié)構(gòu)，使保護的速度和選擇性難以達到保護的原則，具有實時性監(jiān)控，使其能夠?qū)ο到y(tǒng)故障做出快速反應(yīng)，也適用于交直流混合配電。與傳統(tǒng)的兩電平或三電平變換器相比，不需要以標準方式連接高性能器件，模塊化多電平變換器（MMC）采用了級聯(lián)大模塊的結(jié)構(gòu)，有效地提高了性能質(zhì)量和差錯管理能力。MMC典型拓撲結(jié)構(gòu)如圖3，換流站保護配置圖如圖4。

圖3 MMC典型拓撲結(jié)構(gòu)

圖4 換流站保護配置

5 結(jié)語

綜上所述，交直流混合配電網(wǎng)在吸收分布式發(fā)電、提高能源利用率方面具有很大的優(yōu)勢。作為智能電網(wǎng)快速發(fā)展的一部分，交流/直流配電系統(tǒng)建立了有效的通信系統(tǒng)，可以實時獲取系統(tǒng)各部分的信息。

由于交直流之間的相互作用，直流混合配電網(wǎng)的干預(yù)非常困難，并有效降低保護系統(tǒng)的復(fù)雜性。交直流混合配電網(wǎng)的保護是制約其發(fā)展的重要因素之一，國內(nèi)外這方面的研究還處于起步階段。在日益復(fù)雜、廣泛和協(xié)調(diào)的環(huán)境中，保護將在未來發(fā)揮非常重要的作用。