基于高频隔离的柔性直流配电系统仿真分析

欧仲曦，张亮，鲁轲

（1.广东电网有限责任公司珠海供电局，广东珠海，519075；2.许继集团有限公司，河南许昌，461000）

0 引言

基于目前成熟的柔性直流输电技术，在节能损耗、传输容量、减少供电走廊和提高电能质量等方面都具有广阔的应用前景。直流系统可解决输电走廊短缺问题，且无交变电磁场和油污染，可在满足城市规划、环境保护要求的同时，完成电网增容改造，成为目前配电网发展的方向，然而配网城区可用于规划的空间越来越小，对配电网设备的紧凑化提出了更高的要求[1,2]。

柔性直流配电系统设计时一般包含有联结变压器，应用于城市配电网中时，会增大占地面积，但如果不配备联结变压器，交直流侧发生故障时，将会导致零序分量在交直流侧互传，导致交直流侧电气应力增大，基于高频隔离的柔性直流配电系统，可以实现柔直换流器之间零序分量的隔离。本文提出基于高频隔离的柔性直流配电系统，并对系统各个工况进行仿真分析。

1 系统介绍

1.1 系统拓扑介绍

由于基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的柔性直流换流器具有①电平数多、波形好、减小或无需滤波器；②开关频率低、损耗小；③电压和电流变化率较小，器件应力小，电容分散配置，故障清除容易；④模块化设计，便于安装和维护等优点，因此基于高频隔离的柔性直流配电系统采用基于MMC的柔性直流换流器。基于高频隔离变压器的直流变压器采用ISOS拓扑，两端配备直流故障阻断装置，便于实现故障隔离。

基于高频隔离的柔性直流配电系统拓扑如图1所示。

图1 基于高频隔离的柔性直流配电系统拓扑图

2 工作模式介绍

基于高频隔离的柔性直流配电系统有四种运行模式：（1）HVDC 模式；（2）孤岛供电模式 1；（3）孤岛供电模式 2；（4）STATCOM运行模式；本文以广东电网公司黎贝变电站与尖岭变电站柔性互联为例进行说明。

2.1 HVDC模式

HVDC工作模式下，基于高频隔离的柔性直流配电系统两端交流电网均正常工作，两端MMC均工作于直流电压控制模式控制直流电压，DC/DC根据系统指令，控制两端交流系统的功率交换，在交流配电支路发生故障时，交流系统切除故障支路，系统仍然工作于HVDC工作模式。该工作模式运行示意图如图2所示。

图2 HVDC工作模式示意图

2.2 孤岛供电模式1

尖岭变电站交流母线发生故障时，交流系统切除交流母线区域，其他区域由黎贝变电站经基于高频隔离的柔性直流配电系统提供电压保持功率紧急支援供电。此模式下，黎贝站MMC工作在控直流电压模式，DC/DC也工作在直流电压模式控制尖岭侧直流电压，尖岭侧MMC工作在控交流电压模式给尖岭变电站馈线上的负荷供电。该工作模式运行示意图如图3所示。

图3 孤岛供电模式1示意图

2.3 孤岛供电模式2

黎贝变电站交流母线发生故障时，交流系统切除交流母线区域，其他区域由尖岭变电站经基于高频隔离的柔性直流配电系统提供电压保持功率紧急支援供电。此模式下，尖岭站MMC工作在控直流电压模式，DC/DC也工作在直流电压模式控制黎贝侧直流电压，黎贝侧MMC工作在控交流电压模式给黎贝变电站馈线上的负荷供电。

2.4 STATCOM工作模式

该模式下高频隔离直流变压器闭锁，两端MMC分别独立运行于STATCOM模式下，实现各自交流侧的无功补偿；另外，基于高频隔离的柔性直流配电系统一端交流线路发生故障，或DC/DC与MMC之间直流线路发生故障时，相应MMC以及DC/DC故障闭锁，则另一端MMC仍需独立工作于STATCOM模式为该端交流系统提供无功支撑。该工作模式运行示意图如图4所示。

图4 STATCOM工作模式示意图

3 仿真模型搭建

3.1 MMC模型搭建

MMC换流器子模块高速等效模型进行级联后构成MMC换流器高速等效模型，所建立MMC高速等效模型如图5 所示。

图5 MMC高效模型

3.2 DC/DC模型搭建

仿真模型里搭建24个DC/DC子模块单元并按照ISOS方式级联，构成一个容量为2.5MW的直流变压器，10MW的直流变压器需要四个并联实现扩容。直流变压器仿真模型如图6所示。

图6 DC/DC模型

3.3 负载模型搭建

搭建负载模型主要是为了仿真孤岛供电模式，搭建负载模型时只考虑阻性负载，搭建三相阻性负载模型如图7所示。

图7 阻性负载模型

4 稳态特性分析

稳态特性分析主要对（1）HVDC工作模式；（2）孤岛供电模式1；（3）孤岛供电模式2；（4）STATCOM工作模式；四种工作模式进行仿真。

4.1 HVDC工作模式

HVDC工作模式下，两端MMC均工作于直流电压控制模式，DC/DC则工作于电流控制模式实现功率的控制，仿真得到功率由尖岭站流向黎贝站时，两端MMC直流电压、桥臂电流、子模块电容电压、交流功率波形，以及DC/DC两端端电压、两端直流电流、子模块电压波形如图8所示。

图8 HVDC工作模式稳态仿真波形

HVDC工作模式下，功率由尖岭站流向黎贝站时，DC/DC控制传输功率为1pu（1pu=10MW），由于损耗的存在，作为功率送端的尖岭站送出的功率较1pu略高，作为功率受端的黎贝站吸收的功率较1pu略低，同时两端MMC能够为交流系统提供无功支撑，HVDC工作模式运行正常。

4.2 孤岛供电工作模式1

孤岛供电模式1下，黎贝站MMC工作在控直流电压模式，DC/DC也工作在直流电压模式控制尖岭侧直流电压，尖岭侧MMC工作在控交流电压模式给尖岭变电站馈线上的负荷供电。仿真得到阻性负载为8.33MW时，两端MMC直流电压、桥臂电流、子模块电容电压、交流功率波形，尖岭站交流电压波形，以及DC/DC两端端电压、两端直流电流、子模块电压波形如图9所示。

图9 孤岛供电模式1稳态仿真波形

孤岛供电模式1下，负载功率为8.33MW时，尖岭站工作于交流电压控制模式，能够将交流相电压幅值控制在8.165kV，且系统运行稳定，孤岛供电模式1模式运行正常。

4.3 STATCOM工作模式

STATCOM工作模式下，两端MMC均工作于直流电压控制模式，DC/DC则受控闭锁，仿真得到MMC直流电压、桥臂电流、子模块电容电压、交流功率波形，以及DC/DC两端端电压、两端直流电流、子模块电压波形如图10所示。

图10 STATCOM工作模式稳态仿真波形

STATCOM工作模式下，DC/DC处于闭锁状态，两端MMC能够为交流系统提供无功支撑，且直流电压保持稳定，STATCOM工作模式运行正常。

5 暂态特性分析

基于高频隔离的柔性直流配电系统暂态特性仿真主要对故障发展特性等进行仿真[3,4]。

5.1 故障发展特性

以直流极间短路故障为例进行说明，极间短路故障考虑系统运行于HVDC工作模式、且尖岭站作为功率送端时，DC/DC与尖岭站之间发生极间短路故障，故障后故障电流急剧增大，尖岭站、DC/DC迅速过流闭锁，黎贝站由于DC/DC的隔离作用，基本不受影响；由于DC/DC配置有故障电流阻断装置，闭锁后电流下降至零；尖岭站MMC在闭锁后由于全桥模块的故障电流抑制作用，很快下降至零；黎贝站在故障后可继续工作于STATCOM模式为交流侧提供无功支撑。仿真得到两端MMC直流电压、桥臂电流、子模块电容电压、交流功率波形，以及DC/DC两端端电压、两端直流电流、子模块电压波形如图11所示。

图11 直流短路故障仿真波形

6 结论

本文对基于高频隔离的柔性直流配电系统进行了建模仿真[5]，通过对基于高频隔离的柔性直流配电系统暂稳态特性的仿真分析，得到如下结论：

1）基于高频隔离的柔性直流配电系统可实现HVDC运行模式、孤岛供电模式、STATCOM运行模式等模式的正常运行，可应用于配网城区构建柔性直流配电网。

2）基于高频隔离的柔性直流配电系统运行在HVDC运行模式下，进行功率阶跃时采用限制功率上升速率策略，可避免带来较大的过电流应力风险。

3）HVDC运行模式下直流发生极间短路故障时，故障侧MMC、DC/DC故障侧故障电流快速增大，通过提高过流闭锁速度，提升过电流应力承受能力，DC/DC非故障侧、非故障端MMC基本不受影响，非故障端MMC可工作于STATCOM模式为交流侧提供无功支撑。