柔性直流配电网动态模拟系统设计与实现_邱德锋

0 引言

在现代交流配电网中，一方面随着大城市负荷密度的不断增加，配电网的规模不断扩大，受制于交流的短路容量、电磁环网等问题，城市配电网通常按照高压分区、中压（10kV）配电网采用环形结构设计、但以开环运行为主，导致供电可靠性下降、设备利用率低。另一方面，客户对供电可靠性、电能质量的要求却在不断提高。基于电压源换流器技术的新一代柔性直流输电技术以其灵活可控、不依赖交流电网、可隔离交流故障等特性［1-2］

，是解决配电网存在的短路电流偏大、动态无功补偿不足、开环运行的最佳技术。目前直流配电技术的应用还局限于工业园区及商业中心供电楼宇直流供电、舰船直流配电和直流微电网等方面，但直流配电网这一概念一经提出便受到了热切关注，国内外学者均对此开展了大量研究［1-10］

。动态模拟系统和原型具有比较一致的物理特性，而且电磁特性在理论分析或数字仿真中往往忽略或者进行近似的处理，但是在动态模拟试验中都可以比较完整地表现出来［11］

，动态物理模拟仿真可以更真实地反映实际系统的运行特性，所以研究并建立基于柔性直流配电网的动态模拟系统是十分必要的。

1 动态模拟系统需求

1）建立一套直流配电网的多端柔性直流动模仿真系统，可全面验证控制保护的功能和性能。

2）具有交流输入、风力发电输入、光伏发电输入、储能及负荷。

3）主回路拓扑应该能满足工程研究的需要。4）要能适应对多种模块化多电平换流器（MMC）子模块拓扑的研究需要。

5）可模拟线路等不同类型故障，进行系统的可靠性、短路电流、过电压分析和稳态、暂态特性分析。

6）具备多端直流系统快速故障隔离和系统恢复能力。

动态模拟系统一般采用标幺值相等的设计方法，首先确定实际系统和动态模拟系统的源模比，然后根据实际系统的参数对动态模拟系统的参数进行设计，以实现对实际系统的准确模拟。主要系统参数设计见表１。

表1 主要系统参数

Tab.1 Main system parameters

比较

参数

模型原型模比直流容量20kW 20000kW 1000阀侧电压

0.5kV（双极）1kV（单极）

5kV（双极）10kV（单极）10阀侧电流11.55A 1154.7A 100直流极间电压2kV 20kV 10中线电压0.2kV 2kV 10直流电流

10A

1000A

100

摘　要：介绍了柔性直流配电网动态模拟系统设计与实现，该动态模拟系统为多端可变换柔性直流配电网试验系统，使用了工程中应用的控制保护装置，能够实现多种电网主回路拓扑以及多种子模块拓扑的动态模拟，给出了动态模拟系统中设备的参数设计计算，介绍了故障模拟以及故障点设置，可应用于柔性直流配电网系统暂态和稳态特性的研究，并且能够为柔性直流配电网关键设备的开发研制提供试验检测基础。关键词：中压直流配电网；模块化多电平柔性直流输电；动态模拟系统

中图分类号：TM74 文献标志码：A DOI ：10.19421/ki.1006-6357.2016.08.009

柔性直流配电网动态模拟系统设计与实现

邱德锋，李钢，田杰，卢宇，董云龙，胡兆庆，李建春

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京211102）

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2015AA050102）；国家电网公司科技项目（±500kV 柔性直流电网换流站级和系统级控制保护设备研制）。Supported by the National High Technology Research and Development Program of China（863 Program）（2015AA050102）；State Grid Corporation of China.

2 动态模拟系统详细设计

2.1 一次设备接线图

直流配电网的拓扑结构将对电力系统的稳定性产生直接影响，合理的电网结构能为其本身的可靠性提供物质基础，减少电网发生重大事故的可能性，或者能快速灵活地从事故状态恢复到正常状态。因此，分析和研究配电网网络拓扑结构，对于理解、掌握电力系统静态和动态行为、保障电力系统安全稳定运行具有重要的意义。

目前直流配电网的主要拓扑结构分为辐射型、手拉手型以及环网式3种［12］

，简要的拓扑示意见图 1～图图1 辐射型网络拓扑

Fig.1 R adial network topology

图2 手拉 手型网络拓扑

Fig.2 Hand-in-Hand network topology

图3 环网式网络拓扑

Fig.3 Ring network topology

2 手拉手型网络拓扑3。

一般情况下认为，辐射型网络供电可靠性低，但其故障识别和保护控制较容易实现；手拉手型和环网式网络可靠性高，但系统结构较为复杂，协调控制及故障识别和保护较难实现。目前工程中直流电网拓扑的选取还需根据具体需求确定，所以柔性直流配电网动态模拟系统有必要实现多种直流电网拓扑。

本文设计柔性直流配电网动态模拟系统主回路拓扑见图4（a），共有六端系统构成。六端系统分别为A、B、C、D、E、F端组成，通过六条直流母线#1、#2、#3、#4、#5、#6实现互联和电流传送。

通过接线柜的方式，将不同端及不同线路连接在接线柜中，通过接接铜牌或短接线连接，实现拓扑如图4（b）环网式、（c）手拉手型、（d）辐射型之间的转换。

2.2 交流系统参数

系统参数主要是表现在电力系统的电网运行状态改

变时，提供的短路电流能力发生了相应的改变。

等效物理建模时要求试验系统的参数既能满足最大运行方式和最小运行方式下的运行工况，又线性可调。对于本配电网动模系统，要求满足模拟配电网10kV的100～600MVA的短路容量。

系统参数的模拟可以选取电抗器参数为：0～10.1mH 连续可调。2.3 AC/DC 换流器2.3.1 接线方式

对称单极和双极接线方式是柔性直流输电2种主要的接线方式［13］

。对称单极接线方式的接线见图5，具有结构简单、设备数量少、造价低、损耗小的特点。直流单极接地情况下交流电网不提供故障电流；变压器不需要耐受DC 电压，通常采用高阻接地方式，没有地电流。

双极接线分双极大地回线和双极金属回线2种接线方式（见图6），这2种接线方式的共同的优点是可实现换流器冗余，当其中一极故障时，另一极可以继续工作，共同的缺点是：①相同的输送容量下与单极相比系统成本较高；②系统短时可能流过直流接地电流，需要系统允许该工 工况；③直流线路故障时，交流系统会注入故障电流；④变压器需要能耐受直流偏置电压。

双极大地回线由于可能通过大地形成回路，会有较大的接地，所以电流接地极需要特殊设计（需要对环境影响进行评估，得到许可）；双极金属回线单独架设了金属回线作为单极运行时回路，所以投资进一步提高。