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摘要： 随着分布式能源、直流储能设备的不断发展以及直流负荷的广泛应用，交直流配电网成了国内外研究、应用的热点课题和发展方向。本文分析了一种交直流混合交直流混合电网系统故障特性分析以及两端柔性直流配电系统模型建立建立。在Matlab/Simulink环境中，对10kV直流系统两极短路故障过电压进行仿真了分析，为提出相应的过电压抑制措施提供借鉴。
关键词： 交直流混合电网; 直流过电压; 分布式能源
中图分类号： TM71 文献标识码： A
文章编号：1005—7277（2019）05—0027—03
Abstract： with the continuous development of distributed energy， DC energy storage equipment and the wide application of DC load， AC and DC distribution network has become a hot topic and development direction of research and application at home and abroad. This paper analyzes the fault characteristics of an AC-DC hybrid power system and the establishment of a flexible DC distribution system model at both ends. In Matlab / Simulink environment， the overvoltage of 10kV DC system with two pole short circuit fault is simulated and analyzed， which provides reference for the corresponding overvoltage suppression measures.
Key words： AC / DC hybrid grid， DC over-voltage， distributed energ
1 引言
目前，隨着分布式能源、直流储能设备的不断发展以及直流负荷的广泛应用，交直流配电网成了国内外研究、应用的热点课题和发展方向[1]。在我国负荷密集区域特别是东南沿海具有巨大发展潜力。2016 年广东地区数据中心耗能超过总用电量2%，高峰期空调负荷耗能超过 40%。以 IT 类负载、变频空调及电动汽车为代表的广义直流用能设备比例快速升高，其变流环节严重降低了系统能效。面向分布式可再生能源可靠消纳及直流负荷经济用能的重大需求，交直流混合电网在经济性、可靠性及灵活性等方面存在明显优势。
目前配网中交直流能量变换损耗高、配用电灵活性差、配用电环节匹配性低的问题日益凸现，并且传统能源日趋耗竭，能源结构低碳化的压力与日俱增。采用交直流配用电技术能够有效减少配用电过程中交直流转化的中间环节，提高配用电的效率、可靠性和灵活性，妥善解决分布式新能源和储能系统接入以后的系统稳定问题，是国际配用电研究领域的重要发展方向。
2 交直流混合电网系统故障特性分析及模型建立
2.1 交直流混合电网系统故障特性分析
为了解决交直配电系统故障隔离的技术难点，提高系统供电可靠性，国内外学者进行了深入的研究。造成交直流系统出现过电压的故障主要为直流侧两极短路故障和单极接地短路故障，其中两极短路对对系统影响最大。因此对三个直流电压等级直流线路设置两极短路故障进行过电压分析。
2.2 两端柔性直流配电系统模型建立
在Matlab/Simulink环境中搭建了两端柔性直流配电系统，存在2个VSC换流站，站1、站2均为定直流电压控制;接入的分布式电源以光伏电源为例;直流负荷用直流电阻代替。系统容量为3MW，负载1MW，电压等级包括10kV交流、380V交流、10kV直流、±375V直流。系统拓扑接线图如图1所示。
3 直流两极短路故障
3.1 10kV直流两极短路故障
系统稳定运行到1s时，在10kV直流线路引入两极短路故障，相应的仿真曲线如图2所示（主要观测记录了VSC换流站1出口处的相关电气量，其余换流站可类比）。
由图3-10的仿真曲线可知：
（1）在1～1.00119s：
10kV直流线路上接有故障电流控制器（FCC），故障发生后10～19μs，短路电流将触发FCC的过流保护，FCC投入其限流电抗单元，抑制短路电流的上升速度，同时发出分断指令，隔离整个10kV区域，以配合其它直流故障隔离装置的动作。因此10kV线路出口短路电流在故障瞬间上升，10μs时投入了故障电流控制器限制其上升速度，短路电流则出现下降，在其限制作用下短路电流缓慢上升且达到最大值3680A。10kV线路出口电压不受限流电抗器投入的影响，因交流电源和直流电容共同向故障点放电，电压下降。FCC的电压在投入瞬间电压剧增至10kV，随后由于限流电抗器的左右而逐渐下降至零。
（2）1.00119～1.003s：
直流电压下降到零，交流侧电流迅速转变成了三相短路电流，由于故障未切除，直流电压将保持为零、直流电流保持最大值。 （3）1.003s及以后：
故障后3ms，FCC完成开断（该时间是由于混合式直流断路器动作时间），导致FCC处的电压又一次陡增到近10kV的值，动作完成后又立即下降为零。这里出现的过电压属于操作过电压。
3.2 2.2±375V直流光伏侧两极短路故障
在±375V直流系统的光伏侧，待系统进入稳态后，在时刻1.5s，引入极间短路故障，故障发生后，投入所有故障电流控制器的限流电抗，以抑制短路电流的上升，1ms后，差动保护启动，断路器瞬间断开，隔离故障区域。
故障发生后：
（1）从图3-12（a）可以看出，由于故障电流控制器限流电抗的存在，±375V直流端口电流上升速度和峰值得到抑制。
（2）从图3-11（b）可以看出，交流电源和直流电容共同向故障点放电，±375V直流端口电压持续下降至0附近，断路器动作后，故障线路被清除，电容处于充电状态，输入输出功率不平衡，导致电压升高，极值为588.72V。
（3）从图3-11（c）可以看出，断路器动作导致其端口出现了较高的过电压，最大幅值可达12000V。
4 结束语
综上所述，基于 FCC 的限流方法除了能有效地限制直流故障时直流线路的过电流水平，抑制短路电流的上升速度，同时发出分断指令，隔离整个10kV区域，可大大延后直流保护方案的动作时间，使得直流断路器能够在更小的故障电流情况下实行故障切除动作。降低直流配电网对直流断路器的动作速度和开断容量要求，本文所建的模型对研究直流系统中其他类型的过电压也具有参考意义。
课题研究成果将对我国电力工业的可持续发展带来显著的经济与社会效益。从经济效益角度，课题的实施可充分挖掘我国电力行业对分布式可再生能源、多形式储能及电动汽车等的消纳潜力，发挥节能减排效益，提高电网投资效益和资源利用效益，实现优化资源配置，提高经济效益;课题成果可有利于缓解我国人口众多与传统化石能源相对不足的矛盾，充分利用绿色能源满足人民日益增长的多样化能源消耗需求。
参考文献：
[1]李 斌，何佳伟. 柔性直流配电系统故障分析及限流方法[J]. 中国电机工程学报. 2015（12）.
[2]徐 帅. 计及多种分布式能源的交直流混合电网建模与仿真[J]. 现代电力，2018，35（03）：32-38.
[3]谢 宁，曾 杰，徐 琪，张 弛，张 威. 交直流混合的分布式可再生能源系统综述[J]. 南方电网技术，2017，11（09）：30-35.
[4]張志刚. 直流输电系统线路过电压的研究[D]. 华中科技大学，2006.
收稿日期：2019-08-26
关键词： 交直流混合电网; 直流过电压; 分布式能源
中图分类号： TM71 文献标识码： A
文章编号：1005—7277（2019）05—0027—03
Abstract： with the continuous development of distributed energy， DC energy storage equipment and the wide application of DC load， AC and DC distribution network has become a hot topic and development direction of research and application at home and abroad. This paper analyzes the fault characteristics of an AC-DC hybrid power system and the establishment of a flexible DC distribution system model at both ends. In Matlab / Simulink environment， the overvoltage of 10kV DC system with two pole short circuit fault is simulated and analyzed， which provides reference for the corresponding overvoltage suppression measures.
Key words： AC / DC hybrid grid， DC over-voltage， distributed energ
1 引言
目前，隨着分布式能源、直流储能设备的不断发展以及直流负荷的广泛应用，交直流配电网成了国内外研究、应用的热点课题和发展方向[1]。在我国负荷密集区域特别是东南沿海具有巨大发展潜力。2016 年广东地区数据中心耗能超过总用电量2%，高峰期空调负荷耗能超过 40%。以 IT 类负载、变频空调及电动汽车为代表的广义直流用能设备比例快速升高，其变流环节严重降低了系统能效。面向分布式可再生能源可靠消纳及直流负荷经济用能的重大需求，交直流混合电网在经济性、可靠性及灵活性等方面存在明显优势。
目前配网中交直流能量变换损耗高、配用电灵活性差、配用电环节匹配性低的问题日益凸现，并且传统能源日趋耗竭，能源结构低碳化的压力与日俱增。采用交直流配用电技术能够有效减少配用电过程中交直流转化的中间环节，提高配用电的效率、可靠性和灵活性，妥善解决分布式新能源和储能系统接入以后的系统稳定问题，是国际配用电研究领域的重要发展方向。
2 交直流混合电网系统故障特性分析及模型建立
2.1 交直流混合电网系统故障特性分析
为了解决交直配电系统故障隔离的技术难点，提高系统供电可靠性，国内外学者进行了深入的研究。造成交直流系统出现过电压的故障主要为直流侧两极短路故障和单极接地短路故障，其中两极短路对对系统影响最大。因此对三个直流电压等级直流线路设置两极短路故障进行过电压分析。
2.2 两端柔性直流配电系统模型建立
在Matlab/Simulink环境中搭建了两端柔性直流配电系统，存在2个VSC换流站，站1、站2均为定直流电压控制;接入的分布式电源以光伏电源为例;直流负荷用直流电阻代替。系统容量为3MW，负载1MW，电压等级包括10kV交流、380V交流、10kV直流、±375V直流。系统拓扑接线图如图1所示。
3 直流两极短路故障
3.1 10kV直流两极短路故障
系统稳定运行到1s时，在10kV直流线路引入两极短路故障，相应的仿真曲线如图2所示（主要观测记录了VSC换流站1出口处的相关电气量，其余换流站可类比）。
由图3-10的仿真曲线可知：
（1）在1～1.00119s：
10kV直流线路上接有故障电流控制器（FCC），故障发生后10～19μs，短路电流将触发FCC的过流保护，FCC投入其限流电抗单元，抑制短路电流的上升速度，同时发出分断指令，隔离整个10kV区域，以配合其它直流故障隔离装置的动作。因此10kV线路出口短路电流在故障瞬间上升，10μs时投入了故障电流控制器限制其上升速度，短路电流则出现下降，在其限制作用下短路电流缓慢上升且达到最大值3680A。10kV线路出口电压不受限流电抗器投入的影响，因交流电源和直流电容共同向故障点放电，电压下降。FCC的电压在投入瞬间电压剧增至10kV，随后由于限流电抗器的左右而逐渐下降至零。
（2）1.00119～1.003s：
直流电压下降到零，交流侧电流迅速转变成了三相短路电流，由于故障未切除，直流电压将保持为零、直流电流保持最大值。 （3）1.003s及以后：
故障后3ms，FCC完成开断（该时间是由于混合式直流断路器动作时间），导致FCC处的电压又一次陡增到近10kV的值，动作完成后又立即下降为零。这里出现的过电压属于操作过电压。
3.2 2.2±375V直流光伏侧两极短路故障
在±375V直流系统的光伏侧，待系统进入稳态后，在时刻1.5s，引入极间短路故障，故障发生后，投入所有故障电流控制器的限流电抗，以抑制短路电流的上升，1ms后，差动保护启动，断路器瞬间断开，隔离故障区域。
故障发生后：
（1）从图3-12（a）可以看出，由于故障电流控制器限流电抗的存在，±375V直流端口电流上升速度和峰值得到抑制。
（2）从图3-11（b）可以看出，交流电源和直流电容共同向故障点放电，±375V直流端口电压持续下降至0附近，断路器动作后，故障线路被清除，电容处于充电状态，输入输出功率不平衡，导致电压升高，极值为588.72V。
（3）从图3-11（c）可以看出，断路器动作导致其端口出现了较高的过电压，最大幅值可达12000V。
4 结束语
综上所述，基于 FCC 的限流方法除了能有效地限制直流故障时直流线路的过电流水平，抑制短路电流的上升速度，同时发出分断指令，隔离整个10kV区域，可大大延后直流保护方案的动作时间，使得直流断路器能够在更小的故障电流情况下实行故障切除动作。降低直流配电网对直流断路器的动作速度和开断容量要求，本文所建的模型对研究直流系统中其他类型的过电压也具有参考意义。
课题研究成果将对我国电力工业的可持续发展带来显著的经济与社会效益。从经济效益角度，课题的实施可充分挖掘我国电力行业对分布式可再生能源、多形式储能及电动汽车等的消纳潜力，发挥节能减排效益，提高电网投资效益和资源利用效益，实现优化资源配置，提高经济效益;课题成果可有利于缓解我国人口众多与传统化石能源相对不足的矛盾，充分利用绿色能源满足人民日益增长的多样化能源消耗需求。
参考文献：
[1]李 斌，何佳伟. 柔性直流配电系统故障分析及限流方法[J]. 中国电机工程学报. 2015（12）.
[2]徐 帅. 计及多种分布式能源的交直流混合电网建模与仿真[J]. 现代电力，2018，35（03）：32-38.
[3]谢 宁，曾 杰，徐 琪，张 弛，张 威. 交直流混合的分布式可再生能源系统综述[J]. 南方电网技术，2017，11（09）：30-35.
[4]張志刚. 直流输电系统线路过电压的研究[D]. 华中科技大学，2006.
收稿日期：2019-08-26