基于柔性直流配电网的城市能源互联网

郑建平，陈建福，刘尧，屈鲁，余占清，宋强，袁志昌，赵彪，曾嵘

(1. 广东电网公司电力调度控制中心，广州 510600；2. 广东电网有限责任公司珠海供电局，广东 珠海519000；3. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机工程与应用电子技术系)，北京 100084；4. 清华大学能源互联网研究院直流研究中心，北京 100084)

0 引言

城市作为能源使用的主体，其发展决定了能源变革的方向和格局，是世界和中国能源变革的关键，而发展能源互联网是城市能源变革的重要方向。发展能源互联网将推动传统产业向以可再生能源和信息网络为基础的新兴产业转变，是对人类社会生活方式的一次根本性革命[1 - 7]。

配电网作为电能分配的载体，是城市能源互联网物理网络的重要组成部分。随着分布式电源快速发展、直流负荷不断增加、储能应用日益广泛，城市交流配电系统中交直流能量变换损耗高、配电变换灵活性差、配电环节匹配性低的问题日益凸现；此外，随着城市用电客户对电能质量及供电可靠性等要求不断提高，城市交流配电系统在电能供应稳定性、经济性等方面将遇到新的挑战，越发不能满足日新月异的直流电源与用电需求。采用柔性直流配电系统能够提高配电利用率，支撑多源多荷的高效灵活接入，实现各分区潮流灵活可控、负载率均衡，是配电系统研究方向的热点[8 - 14]。

目前，国内外在柔性直流配电系统领域的相关技术研究、实验系统和示范工程已逐步开展。美国较早地开展了直流配电系统的研究。2010年，弗吉尼亚理工大学提出了基于分层连接结构的交直流混合配电结构[15 - 17]。2011年，美国北卡罗来纳大学提出了构建未来自动智能、变换灵活的配用电结构[18 - 19]。2004年，日本东京工业大学搭建了一套10 kW基于直流微电网的配电系统模型[15]。2006年，日本大阪大学提出了一种双极结构的直流微电网系统[20 - 21]。此后，意大利米兰理工大学、罗马尼亚布加勒斯特理工大学、丹麦奥尔堡大学也相继提出直流配电系统结构[22 - 26]。德国亚琛大学于2016年建成10 kV中压直流配电系统[27 - 28]，并进行了10 kV中压直流配电的试验性研究，实现了中压直流配电系统在实践上的突破。自2009年开始，中国相关研究机构逐步对直流配电系统展开了研究，但重点主要集中在直流装置的研发上，直流配电网整体规划等方面的研究则较为欠缺[29 - 31]。2018年8月29日，国网杭州供电公司负责的全国首个智能柔性直流配电系统示范工程在浙江杭州江东新城顺利通过试运行考验，经功能升级后正式投入运行。2018年9月3日，南网贵州电力科学研究院牵头负责的国内首个五端直流配电系统示范工程在贵州进入试运行。

综上所述，虽然国内外在柔性直流配电系统领域的相关技术研究和实验系统、示范工程已逐步开展，但大都处于一般性探索阶段，并未对其规划设计、协调控制和故障保护等实际问题进行深入和有效的研究。因此，亟需研究柔性直流配电网的关键技术、研制核心装备并通过特色的示范工程实现理论与技术验证。

为了突破柔性直流配电网的关键技术，实现基于柔性直流配电网的城市能源互联网示范应用，文章首先对城市能源互联网进行需求分析，提出城市能源互联网的典型架构；接着对城市能源互联网物理基础层的核心网络——柔性直流配电网进行关键技术分析；最后开展基于柔性直流配电网的城市能源互联网示范工程设计及分析。

1 城市能源互联网的典型架构

城市作为区域用能中心，具有多能供应、多网融合、设备多样、场景复杂、交互频繁、规模量大等特征，对能源网络的可靠性、安全性、稳定性及效率要求较高，存在节能减排、降低能源消费成本的实际压力，亟需突破传统能源供给、传输、消费的模式，发展城市能源互联网将推动城市能源供应体系的结构性改革和能源产业升级。

为了支撑城市能源变革，推动城市能源互联网的发展，促进新能源发电、柔性直流配电网、多能互补等技术的示范落地，构建面向能源消费革命、具有广泛示范意义的“互联网+”智慧能源新模式，珠海市选定横琴自贸区和唐家湾科技园作为示范核心区，以多能联供的综合能源运营、供需互动的柔性直流配电网络、集成共享的智慧能源大数据平台、服务创新的新型市场模式为应用场景，进行“互联网+”智慧能源示范，其整体功能结构如图1所示。

1.1 基础物理层

以横琴地区综合能源网络，以及消费侧优质高效综合供能为框架，实现多种能源类型的优化互补，支持冷/热/电三联供，支撑从生产到消费的全方位、全时段覆盖，呈现多元化、综合性的互联网服务业态；以唐家地区新型直流配用电网络为基础，实现新能源和电动汽车的灵活接入和高效运营，构建支持新能源和电动汽车即插即用的能源互联局域网。

1.2 信息数据层

实现配电网、分布式发电、储能、用户用能监控云数据采集、传输和挖掘，为高端应用提供数据支撑，采用智慧能源测控终端，利用大数据技术，形成数据资产，助于预测与决策，将“业务驱动”转向为“数据驱动”，为需求响应、能源运营管理、分布式发电云监控提供信息支撑。

1.3 应用管理层

开展多能流协同能量管理，提升终端能效；开展用户双向互动的需求响应，实现用户需求响应，支持用户自主的能效管理；为用户提供多样化增值服务，实现用户多角色互动，创新基于互联网思维的能源商业模式；开展智慧能源运营管理，实现能源灵活自由交易，推动建成有效竞争的能源市场零售交易体系。

2 柔性直流配电网的关键技术

唐家湾地区电网存在几个主要问题：1)该区电网与珠海主城区电网联络较弱；2)110 kV唐家变电站存在主变N-1后过载问题；3)该片区近年来负荷增长较快；4)供电半径过长，线损较高。因此，通过建设柔性直流配电网工程可实现变电站母线互联，极大增加区内电网事故备用容量和负荷转供能力，并提高该片区供电可靠性和供电质量，对于优化现有电网的运行和提高可靠性具有重要意义。

当前国内外柔性直流配电网研究主要集中在低压微电网、能源路由器、多换流阀共母线供电等场景，真正从电力系统角度对柔直技术的研究十分有限。工程应用存在的主要技术难题有：1) 缺乏对柔直配电网层级、结构、功能的深入研究，系统性能指标、接线与参数选择、绝缘配合、控保策略等设计难题亟待解决；2) 核心功率器件技术受制于人，关键装备研发体系不完善，性能、效率和集成度不高；3) 缺乏有效应对柔直惯性低、暂态特性复杂、故障隔离困难的技术手段，以及支撑与交流电网、源网荷储协调高效运营的控制策略。

因此，基于珠海能源互联网示范区整体功能结构，制定了珠海柔性直流配电网的关键技术路线，如图2所示。需要突破柔性直流配电网的系统规划、运行控制、故障保护等关键技术，研制关键设备，并通过示范应用，验证关键技术和关键设备的可行性和先进性，推动柔性直流配电网的发展。

图2 柔性直流配电网的关键技术路线Fig.2 Key technology route of flexible DC distribution network

2.1 系统规划

为解决城市配电系统扩容难问题，提高配电利用率，需研究城市柔性直流配电网的网架结构，能够支撑多源多荷的高效灵活接入，实现各分区潮流灵活可控、负载率均衡；需综合考虑最优潮流、最小线损、分布式电源充分利用等因素，研究城市柔性直流配电网源荷优化配置方案；需研究适用于城市柔性直流配电网的综合评估方法。

2.2 运行控制

柔性直流配电网的运行控制方面需研究城市柔性直流配电网的供需灵活接入方法和接口形式，支撑多源多荷的灵活高效接入；需研究城市柔性直流配电网的潮流优化控制算法，实现配网各分区潮流灵活可控；需研究城市柔性直流配电网的多能互补优化运行算法，支撑多能互补利用；需研究城市柔性直流配电网的电能质量治理方法，保障高品质电力供应。

2.3 故障保护

城市柔性直流配电网的结构多样，故障特性复杂，需研究城市柔性直流配电网的故障机理及特性，提出城市柔性直流配电网的故障识别及定位方法，给出城市柔性直流配电网的保护分区及配置方案，以保证其安全可靠运行。

2.4 关键设备

城市柔性直流配电网的关键设备方面需研制柔性多端口直流变压器、中压多端口直流断路器、柔性多端口多状态开关。具体地，需研究其基本原理，提出其关键参数、拓扑结构和技术总体方案，进而研制其工程样机，掌握其系统集成和调试方法，建立其在不同运行工况下的性能与功能测试体系。通过关键设备研制，提高柔性直流配电网的电能传输与变换效率，提升柔性直流配电网的故障处理和控制保护水平，实现柔性直流配电网的安全可靠稳定运行。

综上所述，通过支撑城市能源变革的柔性直流配电网关键技术研究与应用，解决城市配电系统扩容难问题，解决城市配电系统多源多荷的灵活高效接入问题，实现城市高品质高可靠电力供应，支撑城市的清洁低碳发展。

3 柔性直流配电网的设计及分析

珠海能源互联网示范区将建设±10 kV/±375 V 柔性直流配用电网，结构如图3所示。为实现功率转供的功能，提高配电网的供电可靠性，系统采用“星型”网络拓扑结构，换流器相关参数如表1所示。

图3 珠海柔性直流配电网的整体结构Fig.3 Overall structure of Zhuhai flexible DC distribution network

表1 换流器技术参数Tab.1 Technical parameters of converter

3.1 电气接线方式

柔性中压直流配电网可行的主接线方式主要包括：单极不对称系统主接线、单极对称系统主接线和双极系统主接线[31 - 32]。相比之下，单极对称系统具有对称的直流电压从而简化了变压器设计；且单极不对称系统直流极线所耐受电压是双极系统的2倍；此外，由于工程采用星型三端配电系统结构，在一端换流站出现故障时，另外两端换流站仍能够保持供电，可靠性相对较高，无须为了提高可靠性而采用成本更高的双极系统，因此，本工程电气主接线采用单极对称系统接线方式，如图4所示。

图4 单极对称系统接线方式Fig.4 Wiring mode of single pole symmetrical system

3.2 系统运行方式

本工程建设的柔性直流配电网通过3个换流器与交流系统交换能量；同时，柔性直流配电网内的线路断开、部分可控设备退出运行都可能导致运行方式的改变。对系统可能出现的运行方式进行归纳，包括以下5种主要的运行模式：1)三端联网运行；2)双端手拉手运行；3)双端隔离供电；4)单端供电；5)STATCOM。运行方式的划分原则主要是因系统拓扑结构变化而引起电力电子设备控制模式切换的情况[33]。

3.3 关键设备选型

3.3.1 换流器选型

对于唐家站和鸡山Ⅱ站，由于其直流母线配置有直流断路器，因此可以采用基本的模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)，其功率模块采用带有晶闸管旁路和机械开关旁路供能的两电平拓扑，如图5所示。

图5 唐家站和鸡山Ⅱ站的换流器拓扑Fig.5 Converter topology design of Tangjia station and Jishan Ⅱ station

由于鸡山换流站Ⅰ的直流母线不配置直流断路器，因此其换流器应采用具有直流故障电流自清除能力的拓扑结构。带有直流故障自清除能力的拓扑结构的方案包括基于IGCT器件交叉箝位的模块化多电平换流器(ICC-MMC)、全桥和半桥子模块混合的模块化多电平换流器。对于ICC-MMC，每个桥臂只需增加少量的ICM箝位模块，以半桥型MMC为基准，成本仅有少许增加；而且没有改变MMC的功率子模块设计、换流器控制方式和运行特性，又不会占据太大的柜内空间；同时由于IGCT器件具有低通态损耗的特性，ICC-MMC方案的效率明显高于其它阻断型MMC。因此推荐不配置直流断路器的鸡山Ⅰ站换流器采用基于IGCT交叉箝位的模块化多电平换流器[34]，如图6所示。

图6 基于IGCT器件的交叉箝位换流器拓扑Fig.6 Topology of ICC-MMC based on IGCT

3.3.2 直流断路器选型

在多端柔性直流系统当中，通常会存在多条直流线路的交汇点，如图3所示。为确保清除任一条直流线路上的短路故障，3条直流线路交汇点处需安装断路器。如果这些断路器均采用混合式直流断路器，则整个系统的成本将十分昂贵。如果可以将交汇点安装的断路器整合成一个直流断路器，并通过优化拓扑来减少电力电子串联开关的数量，则系统成本将显著下降，并可实现多路协调关断。

为提高直流断路器应用于柔性直流配电网的经济性并实现多路协调关断，工程应用三端口耦合负压型混合式直流断路器，其拓扑结构如图7所示[35]。

图7 三端口混合式直流断路器的拓扑结构Fig.7 Topology of three port hybrid DC circuit breaker

该三端口混合式直流断路器包含3条主支路path1-path3，其中path1和path2均是1个完整的耦该三端口混合式直流断路器包含3条主支路path1—path3，其中path1和path2均是1个完整的耦合负压型混合式直流断路器。耦合负压型混合式直流断路器由3个并联支路组成，包括用于导通直流系统电流的主支路CB1—CB3，用于短时承载并关断直流系统短路电流和建立瞬态开断电压的转移支路U1—U2，用于抑制开断过电压和吸收线路及限流电抗储能的耗能支路R1—R2。

3.4 直流控制系统

直流控制系统是整个柔性直流配电网的核心，其基本要求是保持柔性直流配电网中重要负荷的供电可靠性和电能质量需求，在此基础上实现分布式电源的充分利用。直流控制系统分为三级控制：优化层、协调层和就地层。其中，最优层以柔性直流配电网稳态潮流计算为基础，选择网络损耗和电压质量作为目标函数，构建柔性直流配电网运行的多目标优化数学模型，如式(1)所示。

minf={Ploss,Ivq}

(1)

式中Ploss为直流配电网的网络损耗，

(2)

式中：n为直流配电网节点个数；Vi和Vj分别为第i个和j个节点电压值；yij为第i个节点和第j个节点之间支路的直流电导。

Ivq为直流配电网的电压质量指标，其表达式为：

(3)

式中：Vei为第i个节点电压的期望值；ΔVimax为可以接受的最大电压偏差。通过每个节点的实际电压偏差与ΔVmax比值的平方和可以衡量直流配电网的整体电压质量。

上述多目标优化模型需满足潮流方程约束、直流电压约束、换流站容量约束、储能功率限制。通过杂交粒子群优化算法对上述多目标优化数学模型进行求解，得到一系列非劣解，并使用模糊技术进行决策得到了直流配电系统集控中心电压、功率等优化指令。以唐家站的最优控制为例，其网络损耗和电压质量的求解结果如图8所示。通过实时功率与对应的改善程度相乘，可得唐家站实际的线损改善值，其中线损改善最大值为6.12 kW；电压偏差最差值为4.95%。

图8 唐家站最优控制结果Fig.8 Optimal control results of Tangjia station

3.5 直流保护系统

柔性直流配电系统的保护系统是快速可靠地切除故障、减少故障影响范围、保证系统的安全稳定运行的重要保证。直流保护系统工作的实现步骤为：首先确定保护分区；其次在分区的基础上确定保护配置方案；之后根据柔性直流配电系统的运行及故障特性，结合一次设备中隔离设备(直流隔离刀闸、直流断路器等)的性能与配置，制定保护功能和动作策略，最终完成整个多端直流配电保护系统的研究和设计工作。工程中将故障限流装置与直流断路器相结合，大大降低了系统对直流断路器性能的要求。同时在保护系统的设计中，通过电力电子设备与直流断路器、负荷开关的协调配合，完全可以实现直流侧故障的隔离和系统的快速恢复。

4 柔性直流配电网的运行

2018年12月25日，珠海三端柔性直流配电网工程成功投运。工程三端满功率运行时的录波如图9所示。典型方式下，柔直实现鸡山唐家站间20 MW功率互济，延缓唐家站扩建主变与相应线路建设投资1 000万元以上。提高鸡山变电站变压器容量利用率约20%，降低变压器损耗比约50%。

图9 三端满功率运行Fig.9 Full power operation results of three terminals

工程投产至今正常运行超过1 a，成功经满负荷运行、交流电网故障时三端无功支撑等特殊工况的考验，累计输送电量58.260 4 GWh，以0.62元/kWh电费计算，实现经济效益约2 612万元。

5 结语

为推动城市能源互联网的发展，开展了基于柔性直流配电网的城市能源互联网研究，主要工作内容如下。

1)首先对城市能源互联网进行需求分析，提出城市能源互联网示范工程的三层架构，即基础物理层、信息数据层和应用管理层。通过多能联供的综合能源运营、供需互动的柔性直流配电网络、集成共享的智慧能源大数据平台、服务创新的新型市场模式为应用场景，进行能源互联网示范。

2)接着对城市能源互联网物理基础层的核心网络——柔性直流配电网进行关键技术分析。通过突破柔性直流配电网的系统规划、运行控制、故障保护等关键技术，研制关键设备，并通过示范应用，可解决城市配电系统扩容难问题，解决城市配电系统多源多荷的灵活高效接入问题，实现城市高品质高可靠电力供应。

3)最后开展柔性直流配电网示范工程的设计及分析。首先对柔性直流配电网的电气接线方式、系统运行方式等进行设计及分析，提出工程总体建设方案；接着对换流器和直流断路器等主要设备进行选型。直流控制保护系统设置三级控制：优化层、协调层和就地层；保护系统按照功能相近原则划分保护分区，分别配置保护分区。

柔性直流配电网示范工程为推进柔性直流配电技术在中国落地、运行奠定了坚实基础，并对其他工程设计和建设具有参考价值和示范效应，为珠海城市能源互联网的发展进而为建设国际化能源变革城市提供支撑。