基于高頻隔離的柔性直流配電系統仿真分析

歐仲曦，張亮，魯軻

（1.廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東珠海，519075；2.許繼集團有限公司，河南許昌，461000）

0 引言

基于目前成熟的柔性直流輸電技術，在節能損耗、傳輸容量、減少供電走廊和提高電能質量等方面都具有廣闊的應用前景。直流系統可解決輸電走廊短缺問題，且無交變電磁場和油污染，可在滿足城市規劃、環境保護要求的同時，完成電網增容改造，成為目前配電網發展的方向，然而配網城區可用于規劃的空間越來越小，對配電網設備的緊湊化提出了更高的要求[1,2]。

柔性直流配電系統設計時一般包含有聯結變壓器，應用于城市配電網中時，會增大占地面積，但如果不配備聯結變壓器，交直流側發生故障時，將會導致零序分量在交直流側互傳，導致交直流側電氣應力增大，基于高頻隔離的柔性直流配電系統，可以實現柔直換流器之間零序分量的隔離。本文提出基于高頻隔離的柔性直流配電系統，并對系統各個工況進行仿真分析。

1 系統介紹

1.1 系統拓撲介紹

由于基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的柔性直流換流器具有①電平數多、波形好、減小或無需濾波器；②開關頻率低、損耗小；③電壓和電流變化率較小，器件應力小，電容分散配置，故障清除容易；④模塊化設計，便于安裝和維護等優點，因此基于高頻隔離的柔性直流配電系統采用基于MMC的柔性直流換流器。基于高頻隔離變壓器的直流變壓器采用ISOS拓撲，兩端配備直流故障阻斷裝置，便于實現故障隔離。

基于高頻隔離的柔性直流配電系統拓撲如圖1所示。

圖1 基于高頻隔離的柔性直流配電系統拓撲圖

2 工作模式介紹

基于高頻隔離的柔性直流配電系統有四種運行模式：（1）HVDC 模式；（2）孤島供電模式 1；（3）孤島供電模式 2；（4）STATCOM運行模式；本文以廣東電網公司黎貝變電站與尖嶺變電站柔性互聯為例進行說明。

2.1 HVDC模式

HVDC工作模式下，基于高頻隔離的柔性直流配電系統兩端交流電網均正常工作，兩端MMC均工作于直流電壓控制模式控制直流電壓，DC/DC根據系統指令，控制兩端交流系統的功率交換，在交流配電支路發生故障時，交流系統切除故障支路，系統仍然工作于HVDC工作模式。該工作模式運行示意圖如圖2所示。

圖2 HVDC工作模式示意圖

2.2 孤島供電模式1

尖嶺變電站交流母線發生故障時，交流系統切除交流母線區域，其他區域由黎貝變電站經基于高頻隔離的柔性直流配電系統提供電壓保持功率緊急支援供電。此模式下，黎貝站MMC工作在控直流電壓模式，DC/DC也工作在直流電壓模式控制尖嶺側直流電壓，尖嶺側MMC工作在控交流電壓模式給尖嶺變電站饋線上的負荷供電。該工作模式運行示意圖如圖3所示。

圖3 孤島供電模式1示意圖

2.3 孤島供電模式2

黎貝變電站交流母線發生故障時，交流系統切除交流母線區域，其他區域由尖嶺變電站經基于高頻隔離的柔性直流配電系統提供電壓保持功率緊急支援供電。此模式下，尖嶺站MMC工作在控直流電壓模式，DC/DC也工作在直流電壓模式控制黎貝側直流電壓，黎貝側MMC工作在控交流電壓模式給黎貝變電站饋線上的負荷供電。

2.4 STATCOM工作模式

該模式下高頻隔離直流變壓器閉鎖，兩端MMC分別獨立運行于STATCOM模式下，實現各自交流側的無功補償；另外，基于高頻隔離的柔性直流配電系統一端交流線路發生故障，或DC/DC與MMC之間直流線路發生故障時，相應MMC以及DC/DC故障閉鎖，則另一端MMC仍需獨立工作于STATCOM模式為該端交流系統提供無功支撐。該工作模式運行示意圖如圖4所示。

圖4 STATCOM工作模式示意圖

3 仿真模型搭建

3.1 MMC模型搭建

MMC換流器子模塊高速等效模型進行級聯后構成MMC換流器高速等效模型，所建立MMC高速等效模型如圖5 所示。

圖5 MMC高效模型

3.2 DC/DC模型搭建

仿真模型里搭建24個DC/DC子模塊單元并按照ISOS方式級聯，構成一個容量為2.5MW的直流變壓器，10MW的直流變壓器需要四個并聯實現擴容。直流變壓器仿真模型如圖6所示。

圖6 DC/DC模型

3.3 負載模型搭建

搭建負載模型主要是為了仿真孤島供電模式，搭建負載模型時只考慮阻性負載，搭建三相阻性負載模型如圖7所示。

圖7 阻性負載模型

4 穩態特性分析

穩態特性分析主要對（1）HVDC工作模式；（2）孤島供電模式1；（3）孤島供電模式2；（4）STATCOM工作模式；四種工作模式進行仿真。

4.1 HVDC工作模式

HVDC工作模式下，兩端MMC均工作于直流電壓控制模式，DC/DC則工作于電流控制模式實現功率的控制，仿真得到功率由尖嶺站流向黎貝站時，兩端MMC直流電壓、橋臂電流、子模塊電容電壓、交流功率波形，以及DC/DC兩端端電壓、兩端直流電流、子模塊電壓波形如圖8所示。

圖8 HVDC工作模式穩態仿真波形

HVDC工作模式下，功率由尖嶺站流向黎貝站時，DC/DC控制傳輸功率為1pu（1pu=10MW），由于損耗的存在，作為功率送端的尖嶺站送出的功率較1pu略高，作為功率受端的黎貝站吸收的功率較1pu略低，同時兩端MMC能夠為交流系統提供無功支撐，HVDC工作模式運行正常。

4.2 孤島供電工作模式1

孤島供電模式1下，黎貝站MMC工作在控直流電壓模式，DC/DC也工作在直流電壓模式控制尖嶺側直流電壓，尖嶺側MMC工作在控交流電壓模式給尖嶺變電站饋線上的負荷供電。仿真得到阻性負載為8.33MW時，兩端MMC直流電壓、橋臂電流、子模塊電容電壓、交流功率波形，尖嶺站交流電壓波形，以及DC/DC兩端端電壓、兩端直流電流、子模塊電壓波形如圖9所示。

圖9 孤島供電模式1穩態仿真波形

孤島供電模式1下，負載功率為8.33MW時，尖嶺站工作于交流電壓控制模式，能夠將交流相電壓幅值控制在8.165kV，且系統運行穩定，孤島供電模式1模式運行正常。

4.3 STATCOM工作模式

STATCOM工作模式下，兩端MMC均工作于直流電壓控制模式，DC/DC則受控閉鎖，仿真得到MMC直流電壓、橋臂電流、子模塊電容電壓、交流功率波形，以及DC/DC兩端端電壓、兩端直流電流、子模塊電壓波形如圖10所示。

圖10 STATCOM工作模式穩態仿真波形

STATCOM工作模式下，DC/DC處于閉鎖狀態，兩端MMC能夠為交流系統提供無功支撐，且直流電壓保持穩定，STATCOM工作模式運行正常。

5 暫態特性分析

基于高頻隔離的柔性直流配電系統暫態特性仿真主要對故障發展特性等進行仿真[3,4]。

5.1 故障發展特性

以直流極間短路故障為例進行說明，極間短路故障考慮系統運行于HVDC工作模式、且尖嶺站作為功率送端時，DC/DC與尖嶺站之間發生極間短路故障，故障后故障電流急劇增大，尖嶺站、DC/DC迅速過流閉鎖，黎貝站由于DC/DC的隔離作用，基本不受影響；由于DC/DC配置有故障電流阻斷裝置，閉鎖后電流下降至零；尖嶺站MMC在閉鎖后由于全橋模塊的故障電流抑制作用，很快下降至零；黎貝站在故障后可繼續工作于STATCOM模式為交流側提供無功支撐。仿真得到兩端MMC直流電壓、橋臂電流、子模塊電容電壓、交流功率波形，以及DC/DC兩端端電壓、兩端直流電流、子模塊電壓波形如圖11所示。

圖11 直流短路故障仿真波形

6 結論

本文對基于高頻隔離的柔性直流配電系統進行了建模仿真[5]，通過對基于高頻隔離的柔性直流配電系統暫穩態特性的仿真分析，得到如下結論：

1）基于高頻隔離的柔性直流配電系統可實現HVDC運行模式、孤島供電模式、STATCOM運行模式等模式的正常運行，可應用于配網城區構建柔性直流配電網。

2）基于高頻隔離的柔性直流配電系統運行在HVDC運行模式下，進行功率階躍時采用限制功率上升速率策略，可避免帶來較大的過電流應力風險。

3）HVDC運行模式下直流發生極間短路故障時，故障側MMC、DC/DC故障側故障電流快速增大，通過提高過流閉鎖速度，提升過電流應力承受能力，DC/DC非故障側、非故障端MMC基本不受影響，非故障端MMC可工作于STATCOM模式為交流側提供無功支撐。