关于交直流设备可靠性研究

关于交直流设备可靠性研究

曹红红

国网山西省电力公司晋中供电公司，山西省 晋中市 030600

摘要：基于柔性变电站的交直流配电网是以柔性变电站为核心，多电压等级协调互动、高度智能化的配用电网络。由于基于柔性变电站的交直流配电网在科研、设计、设备制造、工程建设和调试等方面都是第一次，没有现成的工程经验、标准规范可以借鉴参考。基于柔性变电站的交直流配电网既需要解决配电网所面临的新能源消纳需求迫切、多元用电需求高的新特点，也需要克服基于柔性变电站的交直流配电网 技术路线所带来的组网方案独特、设备研制难度大、控制保护复杂这些新挑战。

关键词 ：交直设备；可靠性研究

1.直流配电网拓扑选取原则

1.1网络结构的可拓展性

一般而言电源端个数越多网络结构越复杂，越不便于升级改造，网络结构的可 拓展性越低，因此针对网络结构的可拓展性方面将直流配电网的典型拓扑结构进行 排序为 : 单端拓扑可拓展性＞双端拓扑可拓展性＞三端拓扑可拓展性＞多端拓扑可 拓展性＞环状拓扑可拓展性。

1.2供电可靠性

供电可靠性是用以度量和评估电力系统向电力用户提供不间断的合格电能的重 要指标。直流配电网的供电可靠性与网络电源端的个数呈正相关的关系，即多端拓 扑可靠性＞三端拓扑可靠性＞两端拓扑可靠性＞辐射状拓扑可靠性。居民住宅区或 直流配电网建设初期， 对供电可靠性要求不高， 可选用单端拓扑结构 ; 重要负荷区、 工业园区、大型居民住宅区等，对于供电可靠性要求较高，可根据实际情况灵活选 择双端、三端、多端拓扑结构或环状拓扑结构。

2.关键设备可靠性建模

2.1直流断路器可靠性建模

交直流配电网的构建目标是为高可靠性需求的大负荷量的电力用户提供可靠的 供电方案，但当前直流侧系统的故障隔离技术是制约直流侧配电网发展的关键技术 问题，因此发展直流断路器进行故障隔离是配电网理想的故障处理方案。本文采用 混合式直流断路器进行可靠性建模预测。对混合式直流断路器进行建模分析，其可 靠性评价模型硬件部分由机械开关 (MS)、固态开关 (SSS)、缓冲吸收回路 (CC) 以及 限流电抗器 ( Ｒ ) 构成。由于混合式直流断路器采用电力电子元件，同时需要配合 系统的故障识别过程，因此直流断路器还应配置相应的保护控制系统 (CP)。

2.2模块化多电平换流器可靠性建模

换流器是实现交、直流系统能量传输转化的重要设备。本文选择模块化多电平 换流器 (MMC) 作为中压等级交、直流配电系统换流设备进行可靠性建模。模块化多 电平换流器由 ABC 三相组成，每一相可以分为上下两个桥臂。每一个桥臂又由多个 子模块以及桥臂电抗构成，常见的子模块类型有半桥子模块和全桥子模块。本文选 择半桥子模块作为建模的基本单元。

2.3柔性电力电子变压站可靠性建模

基于配电网现实需求，本文以某柔性交直流示范工程中提出的柔性电力电子变 电站进行可靠性建模。柔性变电站以电力电子变压器为基础，除常规电能变压功能外，还具备交直流转换和功率调节等功能，对于分布式电源、储能装置和电动汽车 蓄电池等双向负荷的接入更加灵活， 还能够有效调控交直流配电网运行方式［10］ ， 提高电网状态参数，使新能源发展与配电网技术发展相结合，为当前配电网面临的 主要矛盾提供了一条科学可靠的解决方案。柔性变电站的核心设备为多功能交直流 电力电子变压器。交直流电力电子变压器采用三级结构，包括输入级钳位双子模块 (CDSM)、隔离级 DC/DC 变压器以及输出级 DC/AC 和 DC/DC 模块。因此， 交直流电力电 子变压器的可靠性评估模型可以划分成三部分分别进行可靠性评估，而后利用串联 等值模型获得设备整体的可靠性参数。

3.直流配电网的优势

配电可靠性是指配电系统为用户保持持续供电的能力，即系统供电的充裕度。在提高配电可靠性方面，直流配电网相比交流配电网存在一定优势：

①为避免产生电磁环网、短路电流剧增问题，交流配电网通常采用辐射状拓扑或“环网设计，开环运行”的供电方式，而直流配电网对潮流可控，因此可以闭环运行，接入多个独立电源，从而提高配电网的可靠性；

②直流配电网接入直流负荷时，相比于交流配电网，减少了换流环节引起的故障情况。同时，直流配电网也有一些不足：换流站、直流变压器、直流断路器等大量电力电子元件的引入，降低了直流配电网的可靠性。现阶段采用何种配电方式可以获得更高的配电可靠性尚无定论，国内外对交直流配电网的可靠性对比也很少见，均停留在定性分析或低压配网领域。

4.控制保护方法

基于柔性变电站的交直流配电网需要实现源、网、荷、储协调优化， 灵活互动， 以及多元信息与多类型能量的高度融合，控制保护策略与以往区别显著。本文提出 了大功率电力电子技术与配电自动化技术相结合的控制保护方法。成套设计中构建 了“信息流”和“功率流”协同控制的系统架构，实现配电网功率按需分配和能源 的优化配置。利用泛在电力物联网技术，建立统一应用支撑平台，用于分布式实时 数据库数据管理、提供协调的人机交互界面、网络消息传递、进程间通信、系统管理、 报警与事件、数据转发等服务。将区域内的分布式能源和不同用户的用能需求联系 起来，建立区域能量优化管理系统，实现区域内多种终端综合能源单元的运行监视 和优化调度。

5.基于 PET 的交直流配电网

与基于换流器的交直流配电网类似，直流“源－储－荷”的分布和发展情况同 样决定基于 PET 的交直流配电网的网架结构形态 : 直流“源－储－荷”的发展前期、 中期、晚期可分别选择基于单个PET、两个PET、多个PET 的交直流配电网网架结构。 从调节馈线潮流的作用范围的角度，PET 相比于换流器和 SOP 可在更大的范围内调节 电网潮流。交直流配电网网架结构的发展依赖于电力电子装置的发展，基于 IGBT 的 电力电子器件运行效率较低，而基于 SiC 的功率器件运行效率虽高但造价高，因此 交直流配电网的大规模应用有赖于电力电子装置成本的降低 ; 此外，交直流配电网 网架结构的发展依赖于通信的发展，在交直流配电网实际运行中，为保证运行经济 性和可靠性，需要各个电力电子装置的协调配合对配电网进行调节；最后，基于电 力电子装置的交直流配电网网架结构的发展还受电力电子装置的容量限制，需要进 一步研发电力电子装置的新型结构，在降低投资成本的基础上扩大容量。

结束语：

不同的城市对配电网类型的选用是不同的，目前对交流配电网的选用虽占据主导，但我们不能忽视对直流配电网的研究。因为在用户的用电设备中，直流供电设备的数量在不断增加，提高直流配电网的可靠性能够满足用户的用电需求。因此对交直流配电网可靠性对比的研究应该持之以恒，这样才能保证电路安全与技术共进步的时代要求。

参考文献：

[1]曾嘉思，徐习东，赵宇明.交直流配电网可靠性对比[J].电网技术，2014.

[2]李可.直流配电网拓扑结构可靠性研究[D].华北电力大学，2014.

[3]江道灼，郑欢．直流配电网研究现状与展望[J]．电力系统自动化，2012，36(8)：98-104．