柔性直流配电系统稳定性及其控制关键问题

柔性直流配电系统稳定性及其控制关键问题

摘要：经济的发展，城市化进程的加快，人们对电能的需求也逐渐增加。相比

于传统的交流配电系统，柔性直流配电系统包含了换流阀、直流变压器等大量可

控的电力电子设备，呈现电力电子化的特征。直流配电系统故障特征、故障发展

过程、故障隔离及供电恢复过程都与换流阀等电力电子器件控制策略密切相关。

在直流配电系统中，保护原理的选择、保护整定值的选取、保护动作出口时间的

设置都需要考虑与换流阀控制策略的协同配合。通过控制与保护的相互协同实现

故障准确识别与供电快速恢复，在保证直流配电系统高可靠性的同时有效降低直

流配电网投资建设成本，是直流配电系统研究与发展的重要思路。本文就柔性直

流配电系统稳定性及其控制关键问题展开探讨。

关键词：柔性直流配电；稳定性；随机性

引言

随着城市用电负荷密度不断增大，城市电网面临着多重难题：一方面要扩大

城市配电网容量以适应城市经济发展的需求，另一方面要接纳太阳能、风能等可

再生清洁能源以减轻环境污染的压力。在该背景下，直流配电系统（DCS）是基

于电压源换流器提供直流电力且具有先进能源管理系统的智能化配电系统，因其

输送容量更大、供电质量更优、易于接纳分布式能源（DER）、可控性更高[2]等

优势而受到关注。

1DCS的主要性能特点

（1）DCS的稳定性。随着大量DER和柔性电力电子设备的接入，DCS的稳定

性问题也逐渐成为学术界和工业界的关注热点。特别是对于可以孤岛运行的直流

微电网来说，其电源和负荷电力电子化带来的动态特性，改变了以同步发电机为

主的传统电力系统的稳定性特征。目前，国内外已有相关学者通过DCS或微电网

的小信号稳定性分析，利用阻抗匹配等系统稳定分析理论，对电力电子化配电系

统中DER的并网动态特性进行了探究，但大部分研究仍然集中于单个并网逆变器

或级联型逆变器。因此，需要深入开展电力电子化DCS的稳定性分析理论和方法

的研究，并提出相应的稳定性提升策略，保障DCS的安全可靠运行。（2）低压DCS的安全性。中国广泛采用220V交流低压供电，超过了人体耐受的安全低压

水平，人身触电造成伤亡事件屡屡发生，在城市暴雨后内涝引发的群众触电事故

更是时有发生。全国每年触电死亡数千人，触目惊心，引起了广泛的关注。如果

低压系统对多数家电采取±48V直流安全电压供电，将在很大程度上降低人身触电事故发生的概率，这也将是直流配电技术在低压系统领域应用的主要优势。不过，由于电压等级较低，且DCS设备占地面积大，其能量密度和功率密度将受到影响，因此可以考虑采用±375V和±48V直流组合供电，其中，户级配电采用±375V以提

高能量密度（在珠海示范工程中验证了该电压等级的价值），非高功率用电设备

级供电采用±48V以减少非安全电压与人们接触的机会。（3）DCS的稳定性。随

着大量DER和柔性电力电子设备的接入，DCS的稳定性问题也逐渐成为学术界和

工业界的关注热点。特别是对于可以孤岛运行的直流微电网来说，其电源和负荷

电力电子化带来的动态特性，改变了以同步发电机为主的传统电力系统的稳定性

特征。

2直流配电系统保护原理

直流配电网保护可分为非单元式保护和单元式保护。非单元式保护不依赖保

护装置之间的通信，当保护装置采集的故障测量值达到动作设定值时即开始动作。

直流配电网非单元式保护主要包括过电流保护、电流微分保护、参数识别保护等。非单元式保护仅依赖单端故障特征量，保护速动性好。但在多端直流配电系统中，非单元式保护由于缺乏清晰的保护边界而影响保护的选择性。为此，提出了适用

于环状直流配网的故障识别方法，利用线路附加电感电压初始值在区内、外故障

时的差异识别故障位置，但该方法要求在每一条线路分段两端都安装电抗器，对

于具有多个线路分段的直流配电网，基于线路电抗器的边界保护无法有效判断故

障位于哪个区段内。单元式保护通过安装在系统不同位置的保护设备采集的电气

信息确定故障发生的区段，需要保护装置之间彼此通信。常见的单元式保护包括

差动保护和网络化保护。利用区内故障时差动电流的能量主要分布在低频段，而

区外故障时差动电流的能量主要分布在高频段的特点，提出了基于能量分布的线

路差动保护原理。在传统差动保护的基础上，提出了一种直流配电系统网络化的

差动保护方案，通过安装在系统不同位置的传感器采集各处的故障电流信息，由

中央控制器处理故障信息并判断故障位置，提高了保护的准确性。受到故障特征

持续时间短、多分支短线故障选线困难、保护整定值选取缺乏依据、单元式保护

装置成本较高等影响，实现直流配电系统保护的准确性和可靠性仍然是直流配电

保护的难题。基于控制与保护协同的主动式保护为直流配电系统故障准确可靠定

位提供了重要的研究思路。根据保护所依据的特征量的不同，将主动式保护分为

信号注入式主动保护和故障特征控制式主动保护。

3直流配电网优化运行关键技术

3.1直流配电网基本优化运行架构

直流配电网以及含直流配电的交直流混合配电系统优化运行按时间尺度一般

可分为2层：长时间尺度的日前调度和短时间尺度的实时滚动。日前优化调度的

周期较长，一般为24h，即统筹制定未来1d时间的调度计划，优化目标通常与系统的经济运行有关，如有功调度成本最小、配电网运行成本最小等；实时滚动的

调度周期较短，由于数据预测不准确，因此需要实时修正调度的运行计划，优化

目标通常与系统的安全运行有关，如可调资源的调整量最小等以保证系统的稳定

运行。本章将主要从基于SOP的柔性互联配电网和含微电网、新能源接入等的复

杂交直流配电网这2类主要场景讨论直流配电网长时间尺度下的优化调度问题。

3.2柔性直流配电系统的稳定性分析方法

柔性直流配电系统中含有大量电力电子装置，且电力电子负载在系统中始终

表现为恒功率负载，这使得系统朝着强非线性、高维和动态系统发展。传统稳定

性分析方法多基于线性理论，忽略了大量的非线性信息与随机特性。目前，对柔

性直流配电系统稳定性的研究多采用时域仿真法、频域分析法、直接法等，或进

行联合论证分析。时域仿真方法通过计算特征根分布可以给出系统稳定性相关结论，或者利用数值积分方法进行时域仿真，给出状态量随时间变化的振荡曲线，

可以定性给出稳定或者不稳定的结论，还可以定量分析振荡过渡时间以及超调量

等信息。采用离散时间建模方法对所研究系统进行了定义，利用离散状态空间矩

阵的一系列时域特征值来描述系统的动态特征，并根据该方法预测稳定边界，有

效地应用于参数自适应优化，且通过时域仿真验证了分析的正确性。文针对系统

中存在的多动态交互与多频率耦合现象，以及时域仿真计算时间长、CPU利用率

高的弊端，提出利用谐波状态空间建模技术对直流系统进行建模与仿真，并通过

时域与频域仿真验证了分析结果的正确性。对含电力电子装置的系统进行时域仿

真需要采用较小的步长，计算费时，且积分算法存在一定的数值稳定问题。

3.3复杂交直流配电网优化运行技术