柔性直流电网故障电流抑制关键技术与展望

贺之渊，陆晶晶，刘天琪，张 凯，杨 旭，赵成勇

（1.先进输电技术国家重点实验室（全球能源互联网研究院有限公司）,北京市102209；2.直流电网技术与仿真北京市重点实验室,北京市102209；3.四川大学电气信息学院,四川省成都市610065；4.华中科技大学电气与电子工程学院,湖北省武汉市430074；5.西安交通大学电气工程学院,陕西省西安市710049；6.华北电力大学电气与电子工程学院,北京市102206）

0 引言

随着世界范围内能源、环境问题的日益严峻,实现风电、光伏等大规模可再生能源的开发利用,调整能源结构从传统化石能源向清洁、可再生能源转变,已成为各国的共识［1-2］。根据国家发布的《能源发展“十三五”规划》［3］和《可再生能源能源发展“十三五”规划》［4］,中国将大力发展风电、光伏等可再生能源,到2020 年和2050 年,非化石能源消费比重将分别达到15%和50%以上。在中国未来的电力格局中,可再生能源发电将成为重要的发电形式之一。与此同时,交流电网已经发展100 多年,在电网的灵活调节能力和适应性方面已经很难满足目前经济和社会变化的需求。因此,中国能源和电力的发展面临前所未有的机遇和挑战,需要电网采用新的技术、新的装备或新的电网形式以适应这一重要变革。

与常规直流输电技术相比,柔性直流输电有功无功独立解耦、无需换相电压,并可为弱系统、孤岛供电,已经成为可再生能源外送的重要方式。含电压源型换流站的柔性直流输电更有利于构建直流电网,可最大限度地综合多种新能源特性进行多元互补,近年来已经成为研究热点,被认为是构建含高比例清洁能源接入和更加可靠智能的新一代电力系统的重要技术手段之一［5］。

柔性直流电网由多端柔性直流系统发展而来,国际大电网组织将直流电网定义为：由多个网状和辐射状联接的变换器组成的直流网络,并针对直流电网建立了多个工作组展开系统的研究工作。随着国内外对柔性直流电网研究的日益深入,在其可行性、电压等级、控制保护策略、标准模型、可靠性及可用性等方面取得了一定的研究成果［6-16］。欧洲、美国等多个地区和国家先后提出直流电网规划,如欧洲一些国家提出的超级电网计划［6］,拟采用直流电网技术促进风力发电与太阳能发电的协调发展；美国 提 出 了“Grid 2030”计 划［7］,建 立 以 直 流 电 网为骨干的输电网架等。此外,中国正在建设张北±500 kV 四端柔性直流电网示范工程［8］,将对张北地区的大规模风电汇集消纳发挥重要作用,并在全世界范围内首次实现风电、抽水蓄能和大城市经直流电网互联。

总体来说,当前国内外对直流电网的研究已有初步成果,但都还没有形成体系,在学术界也没有形成明确的共识,关于直流电网的基本结构、基本运行方式等也没有统一的认识和标准。

故障电流抑制是直流电网能够可靠运行首先要解决的突出问题。而在直流电网总体技术研究刚刚起步的条件下,研究直流电网故障电流面临着以下困难：①网络拓扑和网络结构不清楚,应用场景不明；②限流装置不成熟,限流效果判定标准缺乏；③故障机理和故障发展与交流系统差异大。

为此,本文将在总结阐述直流电网故障电流抑制理论与技术研究现状的基础上,分别对故障机理、抑制方法、实验验证等方面的关键技术与难点进行分析和展望,为推进柔性直流输电技术的发展与工程化应用提供参考。

1 技术需求

柔性直流电网是由多个电压源型换流器（voltage source converter,VSC）互联构成,以直流方式进行电能传输的电力网络,如图1 所示。

图1 柔性直流电网简化示意图Fig.1 Simplified schematic diagram of flexible DC power grid

主要技术特点为：①直流系统形成独立网络,换流站位于交、直流网络的联络线上,直流线路间可自由连接和切换,并实现互为冗余备用；②可实现多电源供电、多落点受电,并提供灵活、快捷、可靠的输电方式；③既有利于接入大规模风电、光伏和储能设备,也有利于分散的小型新能源通过换流设备接入；④没有无功功率和频率振荡问题,稳定性好；⑤除了VSC,还可以包含DC/DC 变换器、直流断路器、直流潮流控制器等电力电子设备,实现不同电压等级直流电网、直流故障隔离、直流潮流可控等功能。然而相对于交流电网,直流电网在发生故障时呈现出不同的故障电流特征,传统的交流电网故障电流处理方式将不能完全适用,直流电网故障电流抑制技术需求主要有以下2 点。

1）故障电流上升速度快,电力电子器件耐受能力不足

与传统的交流系统相比,柔性直流系统在未加装线路电抗器的情况下呈现为低阻尼系统特性。系统控制器的控制周期为100 μs,比交流电网至少小2个数量级,且动态响应迅速,因此,直流系统性能受控制器的影响较大。而且,换流器中的储能元件相对较多,在发生严重的直流短路故障后,换流器和直流侧的储能元件将快速放电,造成故障电流迅速上升（0～10 kA/ms）。由于模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）中的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）耐流能力一般按照额定电流的2 倍考虑［17］,若不采取限流措施,故障发生后1～2 ms 内电流便会超过其耐受上限（如图2 所示）,将损毁换流器中开关器件或者导致闭锁,进而使直流系统停运,需要直流电网具备快速、可靠抑制直流故障电流的能力,以确保系统运行的稳定性和安全性。

图2 MMC 故障通路与故障电流Fig.2 Fault path and fault current of MMC

2）系统源-网结构复杂,多因素作用下故障电流分析与抑制面临困难

多个换流器构成直流网络拓扑后,在多电压等级、风电与光伏等不同形式电源接入的情况下,直流电网故障电流的特性复杂。除了前文所述的故障电流上升率高（0～10 kA/ms）、时间常数小、过流幅度大等特点外,网架结构与运行方式也对故障电流的影响增加,多种电力电子设备间耦合作用强烈。这是因为从源侧看,有风电、光伏等新能源广泛接入；从网侧看,直流电网含有多个电力电子设备,共同构成了多能量源、多阻抗的复杂大系统。设备与设备之间具有非线性及耦合特征,控制及分布参数造成阻尼频变特性复杂,给直流电网故障电流的分布规律、暂态能量交互作用及其释放转移特性的影响机理、柔性直流电网的仿真建模等问题的研究带来了极大的挑战,同时也使得故障电流计算难以实现解析表达。此外,从系统层面看,由于直流电网的低阻尼特性和储能元件多,导致故障时储能元件释放的能量大,实现在很短的时间内有效耗散这部分能量困难。

故障电流问题已经成为制约直流电网发展的重要因素之一,迫切需要研究直流电网故障电流抑制理论和方法,以解决柔性直流电网应用与推广的瓶颈。

2 研究现状

2.1 直流电网故障特性分析

针对直流故障电流的研究,目前主要侧重在两端、多端直流输电系统和简单直流电网。文献［15,18-19］分析了两电平VSC 型两端直流输电系统在双极短路、交流系统故障等情况下,换流器内部的暂态特性、系统的控制保护策略以及交直流故障的诊断和识别方法等。文献［20-22］针对MMC 型两端直流输电系统定性分析了不同类型直流线路故障后的故障特性,以及直流母线单极接地故障和双极故障下的系统暂态特性。文献［23］讨论了星形或者串接的辐射状多端VSC 直流风电场的单极、双极短路故障特性与保护策略。上述文献对故障电流特性的分析主要是基于仿真软件,通过对直流电网建模并设置特定的故障,得出故障后的仿真波形并定性分析。然而,实际操作中会受到仿真规模与速度的限制,一旦改变参数需要进行多次仿真。为了便于快速得出结果,有必要对直流故障电流实现定量分析计算。

专著［17］详细介绍了柔性直流输电网单极接地短路电流计算方法,在闭锁换流器前（故障后数毫秒内）考虑MMC 是一个线性定常电路,可以采用叠加原理进行分析,换流器闭锁后则根据电路原理推导出直流侧故障电流的解析表达式。文献［24-25］分别建立了多端直流输电系统单极接地、双极短路故障下的等值电路模型,给出了短路故障电流计算解析表达式。文献［26-27］研究了真双极柔性直流电网的短路电流计算方法,并以四端直流电网为例验证了方法的有效性。这些研究多针对较为简单的网络拓扑,建立系统故障下的等值网络也较为简单,容易得出故障电流的解析表达式。但在复杂网络架构下,尤其是考虑：风电/光伏等不同能源汇集、换流站采用下垂主从控制方式、单极与双极等运行方式以及线路的分布参数、电力电子设备非线性变换特性等因素对故障电流特性的影响,使故障电流的解析表达式更加复杂。

2.2 直流电网故障电流抑制方法

现有柔性直流输电系统故障电流的抑制措施,主要是加装直流断路器配合线路电抗器。这要求直流断路器能够在几毫秒内切断故障电流,以避免换流器过流闭锁,尤其在高电压应用场合,对直流断路器的体积重量、经济性、分断能力的要求更加严苛,断路器研制非常困难。若依靠增大电抗器的电抗值抑制故障电流,会降低控制灵活性和系统稳定性等。采用电力电子装置抑制故障电流具有控制灵活的特点,是近年来研究的新方向,但相关的抑制理论、技术与关键设备仍然匮乏,尚未形成完善的理论体系,并实现工程化应用。

目前,国内外学者对故障限流装置的拓扑结构与控制方法进行了初步研究,主要如下。

1）从源侧改进优化换流器拓扑以实现对故障电流的清除,如文献［28］综述了能够实现故障隔离的MMC 子模块拓扑、桥臂拓扑和单相拓扑优化结构,并对比了不同拓扑的优劣。

2）在网侧实现故障电流的阻断或限制,如文献［29］提出了一种可隔离直流故障的直流电网DC/DC 变换器拓扑结构；文献［30］提出了一种具有限流功能的直流断路器；文献［31］提出了一种单钳压子模块构成的直流限流器拓扑,并应用于四端直流电网实现限流功能。可以看出,上述限流装置大多为单一类型设备,且应用的直流网络拓扑较为简单,没有提出限流装置的限流机理与统一限流模型,无法对限流装置拓扑设计提供系统化的指导。

针对复杂的直流电网,为了保证系统的安全和经济性,各限流设备之间应能够实现协调配合,提高设备的利用效率。文献［32］讨论了直流断路器与超导限流器的配合问题,提出协调配合方案,降低了系统对断路器的性能要求并加速故障隔离过程。文献［33］以双极四端直流电网为研究对象,研究了直流故障限流器与各条直流线路中限流电抗器之间的多目标优化配置。但目前针对直流电网故障电流抑制的多设备协调配合理论和方法还较少,仍有待开展进一步的研究工作。

此外,近年来,通过控制换流器的动作实现限制故障电流的控制方法也成为研究的热点。与采用电力电子装置的方法相比,这类方法可有效降低故障电流峰值和上升率,降低对直流断路器的性能需求,具有成本低、动作迅速的优点。常见的控制算法有虚拟阻抗法［34-35］、参考值置零法［36］、反压抑制法［37］、单桥臂直流电压置零法［38］、直流电流反馈控制法［39］、闭锁控制法［40-41］等。但目前主要应用于两端VSC/MMC 柔性直流输电系统,应用于柔性直流电网并与断路器协调配合的研究还较少。

2.3 直流电网等效建模与仿真技术

直流电网的建模与仿真技术有机电暂态、电磁暂态、动态模拟和数模混合等技术［13,42］。

机电暂态建模主要应用于分析直流电网与交流电网的相互作用,由于直流系统的控制响应速度小于1 ms［13］,与交流电网相比,直流电网的机电暂态仿真需要更小的仿真步长,而且没有健全成熟的模型库可以直接使用,对用户自定义开发建模要求高。柔性直流的机电暂态建模方法主要为传统定步长建模方法［43］、多速率建模方法［44］和基于动态向量理论建模方法［45］。其中,基于动态向量理论建模方法利用时变傅里叶变换选择合适的频段进行暂态建模,便于构建多时间尺度暂态仿真,具有推广价值。

在电磁暂态建模方面,重点研究了换流器、直流断路器、DC/DC 变压器、直流输电线等核心装备的等效建模方法以及电磁暂态数值计算［13,42］。换流器、直流输电线的电磁暂态模型已经较为成熟,例如换流器的电磁暂态建模根据复杂程度的不同,分为详细开关模型、戴维南等效模型［46］、解耦等效模型［47］和平均值模型［48］4 种,需要基于实际情况进行选择。直流输电线路的电磁暂态模型主要包括π 模型、贝杰龙模型、模域和相域频变模型［49］。电磁暂态数值计算方法则主要有定步长法［50］、变步长法［50］和混合法［51-52］,目前已针对大规模电力电子系统仿真进行了算法优化和提升。加装多类型故障限流装置后,需要重新建立直流电网的数学模型,然而直流断路器、直流限流器等新型设备的等效建模理论仍较为缺乏,若全部采用电磁暂态模型,节点数将成倍增加,需要研究更高速、更高精度的故障限流设备等效模型。

动模技术是一项采用真实开关器件进行模拟的技术,因此可以模拟数字仿真难以复现的工况,目前已应用于中国上海南汇柔性直流工程、厦门柔性直流工程与张北直流电网工程等多项工程。目前动模技术正朝着与模拟对象更相似、更具有扩展性等方向发展,但通过搭建等比例的实验样机构造直流电网的动模平台造价太高,且仿真对象单一、灵活性较差。

数模混合仿真技术将数字仿真与物理仿真结合,根据数字与物理仿真系统接口交换物理量的不同,分为控制型和功率型［53］。控制型数模混合仿真将系统主电路搭建在数字仿真平台上,并与实际的控制保护系统连接,可以有效验证控制保护策略的正确性但难以模拟真实的换流阀特性；功率型数模混合仿真则将数字仿真平台与动模装置连接,具有更高的灵活性,是未来数模混合仿真的发展方向。但大型含多类型新型故障装置的直流电网数字模型求解、数字-物理混合仿真功率放大与接口稳定性等技术仍需深入研究。

3 故障电流抑制关键技术展望

与交流电网一样,直流电网故障电流抑制必须要深入了解直流电网故障成因,实施及时有效的防控决策,以避免设备损坏,保证系统安全运行。故障电流是直流电网故障的重要基本特征之一,故障电流的分析、计算和处理（抑制和开断）是有效应对直流电网故障的重要前提。

图3 显示了直流电网线路发生故障后的故障电流传播路径以及单端等效电路,其中故障时刻电流的表达式为：

图3 四端直流电网故障电流传播路径和简化单端等效电路Fig.3 Propagation path of fault current and simplified single-terminal equivalent circuit for four-terminal DC power grid

根据式（1）可知,影响故障电流大小的因素主要为换流器电压Uc、等效电阻Rc和电抗Lc。因此,需要先通过研究故障电流产生的机理、传播路径与演化过程,明确影响电压、等效阻抗的相关因素；充分考虑风电、光伏等新能源接入和电力电子化等特征,提出故障电流分析与计算新方法,确定发生故障电流严重的场景；然后,分别从控制优化和加装故障限流装置等方向,研究减小电压Uc,增大等效电阻Rc或电抗Lc的方法,实现对故障电流的有效抑制；最后,建立合适的仿真模型实现对所提方法合理性的验证。

如图4 所示,基于上述分析,将分别从故障电流特性分析与计算方法、限流装置拓扑与控制优化、多维度协同控制技术以及考虑限流设备的直流电网建模与仿真技术4 个内容进行分析,以全面掌握故障电流抑制基础理论、限流装置运行机理与配合机制理清思路和方向,推动直流电网技术的发展。

3.1 直流电网故障电流特性分析与计算方法

图4 柔性直流电网故障电流抑制关键技术Fig.4 Key technologies for fault current suppression of flexible DC power grid

图5 为直流电网故障前后状态变化的简化示意图,由于目前直流电网基础理论的研究还处于初步阶段,尚不明确网架结构及运行方式对故障电流有无影响以及影响规律。为了研究整个故障期间直流电网的短路电流特性以及网架结构、运行方式和电源特性等对故障电流的影响规律,如图6 所示,首先需要对直流电网故障前后潮流分布的影响进行研究,分析不同网架结构及运行方式下柔性直流电网的稳态潮流分布特性与故障后的潮流转移特性；同时研究计及电源特征的潮流分布对直流电网故障电流初始态和故障后稳态特性的影响规律,以及故障前的运行方式与网架结构对故障后下一个稳态运行状态的影响规律,从而从优化网架结构和运行方式等角度提出降低故障电流水平方法的可行性；最终提出构建直流电网的若干准则与选择直流电网运行方式的若干准则,为直流电网的发展与工业化应用提供理论指导和支撑。

图6 网架结构、运行方式等对故障电流影响规律研究框架Fig.6 Research framework of influence rule of grid structure and operation mode on fault current

在了解故障前后状态变化的相互影响之后,研究直流电网故障期间的暂态过程,也就是从故障初始态到故障后稳态的过渡过程。如前所述,目前大部分文献针对直流电网故障发生后数毫秒内的故障暂态特性与演化规律研究,主要是基于半桥型MMC 拓扑结构并提出故障电流计算方法。为了提高直流电网故障电流分析的整体性和体系化,有必要针对极对金属回线故障、单极接地故障和双极短路故障等多种典型故障,研究真双极直流电网采用半桥、全桥、混合型MMC 时的故障发展过程,以及闭锁前和闭锁后的故障暂态特征,并研究根据具体网架进行适当简化后的通用化故障电流计算方法,同时还需要考虑交流系统对上述故障情况下直流故障电流的影响情况,以完善目前故障电流分析的理论性和全面性。

当直流成网后,系统的故障响应特性由线性转变为非线性,分析过程中不能直接应用叠加定理,下面分为2 种情况进行讨论。

1）在不考虑直流网络影响时,每个换流站在故障后分为不同的响应阶段,每个阶段可以等效为线性稳定的故障电流。若计算累加多换流站作用下的故障电流,可以采用分阶段线性化叠加的方法得出。

2）在考虑直流网络影响的情况下,需针对不同网架结构与故障类型,采用不同的故障电流计算方法。

①对于单极接地与极间短路故障,可根据接地方式、真伪双极结构采取适合的故障电流计算方法,明确网架结构的不同影响规律。

②对于简单辐射型直流电网拓扑结构,其暂态阶段经过分段线性化后满足线性叠加性,可以采用直流故障电流分时序叠加计算方法。

③对于环网型直流电网拓扑,可以分析各换流器之间的暂态耦合特征,研究用于故障电流计算的解环方法,实现对直流环网的故障电流简化计算。

研究直流电网在故障发生后数毫秒内的故障暂态特性与演化规律,以及影响柔性直流电网故障电流的关键因素,最终目的是期望能够比照交流故障电流计算方法,得到关键因素定量的影响关系。提出在故障后数毫秒内直流电网故障暂态电流的简化、快速计算方法和详细计算方法,提出加入故障限流措施后的故障电流计算的改进方法。

3.2 直流电网限流装置拓扑与控制优化

针对影响故障电流的电压、阻抗关键因素,可以将降低故障电流的主要途径分为降低电压或增大阻抗两类,其中增大阻抗又可以分为增大源侧阻抗和增大线路阻抗2 种［54］。

1）降低电压：主要是降低源侧和网侧的电压,直流电网源侧采用具备限流功能的换流器,在故障时通过合理的控制方法降低换流阀输出的电压,网侧采用一种新型的直流钳压器拓扑,降低网侧线路电压［55］,从而达到抑制故障电流的目的。

2）增大源侧阻抗［56］：通过在源侧串联大电阻方法可以增大源侧阻抗,但串联电阻在正常运行时会产生大量损耗降低效率,因此实际中并不采用。

3）增大线路阻抗是指在直流电网中串/并联具有限流功能的设备,主要指串联电抗器、限流器、具有限流功能的直流断路器、潮流控制器和DC/DC变压器,通过提高线路等效阻抗进而降低故障电流。

图7 给出了降低电压、增大电阻和增大电抗对故障电流影响的简化示意图。可以看出,采用降低电压和增大电阻2 种限流途径都会使故障电流的上升率和稳态值降低,但增大电阻方式下的故障电流上升率降低程度略低于降低电压方式；而增大电抗的方式虽然可以抑制故障电流的上升率,对于峰值却没有抑制作用。因此,通过降压和增加等效电阻是有效抑制故障电流的途径。

图7 3 种限流途径对故障电流的影响对比Fig.7 Comparison of influence of three current-limit methods on fault current

如前文所述,国内外学者已经提出了很多故障限流装置拓扑,但为了实现故障限流装置的工程化应用,限流装置拓扑未来应该朝着可靠性更高、损耗更低、成本更低等方向发展,这需要结合直流电网具体的网架结构、应用场景和系统参数等各方面因素,以及合理的故障限流控制目标进行综合的优化设计［54］。此外,在研究优化拓扑的同时,还有必要对限流装置的控制方法进行优化研究。由于直流电网中可控的部件远远多于交流电网,例如直流电网的核心组成——VSC,具备多层次控制功能,甚至接入直流电网的风电、太阳能、储能装置等也都具备控制和调节能力,需要充分考虑直流电网各个部件尤其是换流器内部的限流控制,配合直流断路器等实现最佳的限流装置控制方案,进而可以大大提升限流效果,降低对限流装置的要求。

3.3 直流电网限流装置协同配合抑制

图8 直流电网具备限流功能的电力电子装置分类Fig.8 Classification of power electronic devices with current-limiting capability in DC power grid

其中,除了限流器具备单一限流功能外,其他设备均在直流电网中承担各自的功能,例如直流潮流控制的主要功能是调节直流潮流的转移,换流阀的主要功能是实现整流和逆变,DC/DC 变压器的主要功能是实现多电压等级直流电网互联,直流断路器的主要功能是实现故障线路的切断。为了提高设备的有序高效利用,在开发上述设备的限流功能的同时,有必要研究上述设备的优化配置与协同配合抑制故障电流的控制策略。

研究多个限流装置的协同配合,首先应选择最佳配置方案,然后再考虑控制和时序的配合以实现对故障电流的抑制。本质上希望在成本最低的情况下,尽可能快速地降低故障电流的影响,同时保证整个系统可以在故障后快速恢复供电。

考虑以降低直流断路器的电气应力要求为目标,柔性直流电网的协调配合方式可以分为网侧限流设备协同配合和源-网侧限流设备协同配合。其中网侧限流装置主要为故障限流器和直流断路器,故网侧限流装置的主要配合方式为：先由故障限流器限流,再由直流断路器切除故障线路,实现故障清除。如线路上存在限流电抗器,由于限流电抗器配置的主要目的是限制故障电流的上升率,其限流能力随着电感值的增大而逐渐趋于饱和,难以更进一步起到抑制效果。需要考虑断路器、故障限流器与限流电抗器的协同配合抑制故障电流,采用多目标优化方法对上述设备进行参数设计。

当使用源-网侧限流装置配合动作时,应考虑到换流阀在故障时闭锁/旁路会失去部分有功功率传输能力且恢复时间较长,源侧装置的限流时间应尽量短,当直流断路器切除故障线路时,换流站应立刻解锁,恢复正常运行,同时在设计协同配合策略时需要重点关注对故障电流、桥臂电流、交流侧电流以及潮流转移的影响,建立合理的时序动作逻辑。

3.4 含限流设备的直流电网数学建模与动模仿真

建模与仿真技术是进行电力系统分析的重要手段,但随着系统越复杂,精确的建模和快速的仿真难度也越高。尤其是直流电网内部由大量换流器组成,涉及底层调制、桥臂子模块电容电压均压、环流抑制等控制,在控制器作用下开关状态频繁变化,且节点数量多,大规模的系统导纳阵不断更新、求逆。加之,直流电网的控制惯性环节较少,响应时间常数较交流电网至少小2 个数量级,动态响应快、故障传播迅速等,这些都对建模和仿真提出很高的要求［13］。

对含限流设备的直流电网实现快速精确的建模与仿真,可以为故障电流抑制理论和方法有效性的验证提供有力的依据。前已述及,功率型数模混合仿真将数字仿真平台与动模装置连接,是未来数模混合仿真的发展方向［57-58］。因此,可以将限流设备动模装置与在RTLAB 等数字仿真平台中建立的直流电网数学模型互联,建立可联合调试的数字物理混合仿真平台（如图9 所示）,实现对含多类型故障限流装置的多端数柔性直流电网故障电流抑制理论方法的验证。

图9 数字物理混合仿真系统结构简化示意图Fig.9 Simplified structure diagram of digital and physical hybrid simulation system

此项技术重要的核心之一是数字物理接口部分,负责实时能量传输和信息交换,但会给数模仿真系统带来噪声、延迟,对稳定性和精确性造成一定的影响。目前接口算法主要有5 种：理想变压器法、部分电路复制法、输电线路模型法、时变一阶近似法和阻尼阻抗法［56,59］。文献［56］详细对比了上述5 种接口算法的优缺点：理想变压器法结构简单、应用广泛,但稳定性较差；部分电路复制法需要在接口处增加额外的阻抗提高稳定性,因此损耗较大；输电线路模型法仿真精确度较高,但灵活性较低；时变一阶近似法的稳定性较低且实现困难；阻尼阻抗法通过在数字侧设置一个与物理侧设备相同的补偿阻抗实现接口延时补偿,具有较好的稳定性和仿真精度,但阻抗匹配还需要进一步优化。

关于功率接口造成响应时间延迟、放大误差、谐振等问题,则可以通过设计改进的功率放大器拓扑,并采用合理控制方法进行降低和消除,如文献［60］提出一种以3 个单相H 桥结构四象限变流器为拓扑的开关型功率接口装置,采用改进的控制策略实现了功率接口的功能。文献［61］提出基于dq坐标变换重构电压信号的延时补偿控制方法保证了数模混合仿真的稳定性和精确性性能。未来,随着研究的深入,有望提出含限流设备的柔性直流电网数字-物理混合仿真系统的高带宽四象限功率放大技术,实现数字仿真系统与物理模拟系统的有效互联,全面掌握柔性直流电网数字-物理混合仿真及调试方法。

4 结语

本文分析了柔性直流电网故障抑制的技术需求与研究现状,从柔性直流电网故障电流分布特性与演变规律、故障限流原理与多维度协同抑制、建模与数字物理动模仿真3 个关键技术角度,阐述了故障电流抑制基础理论的研究框架、解决思路,并对关键技术难点进行了分析。

作为全新的电力资源配置方式,柔性直流电网已经受到了国内外学者的广泛关注。但是为了实现直流电网的推广与应用,除了故障电流抑制技术,在诸如直流电网的规划设计方法、技术经济性指标与评价、继电保护的原则与配置方案、直流电网的安全稳定控制以及结合新能源的调度运行控制等方面,仍存在大量的关键技术问题有待通过长期而系统的深入研究来解决。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。