半月刊

ISSN 1000-1026

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  • 直流配电系统关键技术
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    • “直流配电系统关键技术”特约主编寄语

      2019, 43(23):1-1. DOI: 10.7500/AEPS20191102003

      摘要 (831) HTML (0) PDF 953.81 K (1184) 评论 (0) 收藏

      摘要:当前,光伏等直流型分布式电源快速发展,电动汽车充电桩、数据中心等直流型负荷日益增多,使得配电系统中“源荷”的直流特性日趋明显。由于直流配电系统能有效减少变流环节、提高对分布式电源的接纳能力和能源利用效率,在国内外引起广泛关注。未来直流配电系统的高效可靠运行与推广应用,对系统规划、运行、控制与保护等技术,以及直流相关设备的研发等诸方面都提出了新要求和新挑战。 《电力系统自动化》针对这一研究热点策划了“直流配电系统关键技术”专辑,旨在剖析直流配电系统在分布式电源与负荷接入、电压序列、电气装备、控制保护等方面的新特点,分析未来直流配电网技术发展趋势,研讨直流配电系统规划设计、设备研发、控制保护以及工程应用等关键技术。本期专辑收录论文17篇。 直流配电系统总体方面安排3篇论文。针对中压直流配电网应用场景与系统设计问题,华北电力大学韩民晓等论述了其应用场景、特点及优势,并从工程实现的角度阐述了中压直流配电网设计所涉及的关键技术。针对当今社会能源变革现状及电力系统发展新趋势,山东大学马钊等指出了新一代低压直流供用电系统的主要特征、典型应用场景、关键技术及未来研究方向。针对直流配电系统的控制与保护问题,天津大学王守相等对直流配电系统的控制与保护协同关键技术进行了总结和展望。 直流配电系统规划方面安排3篇论文。针对中低压直流配电电压层级选择问题,中国科学院电工研究所金吉等建立了直流配电电压评估模型,提出了中低压直流配电电压层级的选取方法。针对直流配电系统的组网问题,华南理工大学张勇军等开展了直流配电系统的接入方式及其控制技术研究。针对配电网直流改造问题,中国农业大学许彪等提出了考虑高密度负荷与分布式电源接入下城市配电网直流改造经济性评估模型和方法。 直流配电装置研发方面安排1篇论文。针对在直流变压器中广泛应用的隔离型双有源桥直流变换器关键技术问题,华中科技大学胡燕等提出了双重移相隔离型双有源桥变换器的自然软开关电流应力优化方法。 直流配电系统运行控制方面安排4篇论文。针对交直流配电网状态估计问题,浙江大学马鑫等考虑相量测量单元及数据采集与监控系统混合量测,提出了采用原对偶内点法进行三相不平衡下交直流配电网状态估计的方法。以中低压直流配电系统为研究对象,东南大学潘鹏鹏等提出了一种基于直流母线电压信号的分散式统一控制策略。为实现系统扰动后不平衡功率的优化分配以及直流电压的稳定控制,东北电力大学成龙等提出了基于元胞自动机的多端柔性直流配电网自组织下垂控制方法。山东理工大学彭克等还对柔性直流配电系统稳定性及其控制关键问题开展了综述研究。 直流配电系统保护方面安排3篇论文。针对采用故障自清除换流器消除故障电流的直流配电系统的健全区失电问题,天津大学李斌等提出一种基于二极管的直流配电系统故障分区方案及保护策略。针对环状直流配电网的中压直流线路单极接地故障的保护问题,华北电力大学戴志辉等提出了基于模型相似度比较的环状柔直配电网线路保护方案。针对直流配电线路保护,北京交通大学李猛等提出了基于全电流方向特征的柔性直流配电网纵联保护方法。 直流配电系统工程应用方面安排3篇论文。南瑞集团有限公司吴通华等结合即将实施的苏州中低压直流配用电系统示范工程,研究了其保护分区及原则、保护配置方案和故障定位方法。国网江苏省电力有限公司电力科学研究院刘瑞煌等探讨了中压直流配电网中直流变压器的工程化应用问题。针对珠海唐家湾三端柔性直流配电网故障隔离需求,清华大学屈鲁等开展了三端口混合式直流断路器工程应用研究。 最后,衷心感谢各位作者的踊跃投稿,感谢各位评审专家和编辑部为本专辑从酝酿到推出所付出的辛勤汗水。期盼通过本专辑的引领,以小流汇成大海,促进在直流配电这一领域更多的开拓创新,并收获累累硕果。

    • 中压直流配电网应用场景与系统设计

      2019, 43(23):2-11. DOI: 10.7500/AEPS20190320004

      摘要 (939) HTML (0) PDF 1.55 M (1299) 评论 (0) 收藏

      摘要:目前,中压直流配电网的应用场景、基本特性及其系统设计还缺乏系统性论述。首先,从供电能力、互联作用、相互支撑、短路电流抑制作用等系统特性方面论述了中压直流配电网的应用场景、特点及优势。然后,从工程实现的角度论述了中压直流配电网设计的关键技术,涵盖电压水平的确定、网架设计、接线方式、接地方式的选择等关键技术。最后,指出了中压直流配电系统发展与应用还应考虑的问题。

    • 中低压直流配电系统的分散式统一控制策略

      2019, 43(23):72-80. DOI: 10.7500/AEPS20190430005

      摘要 (476) HTML (0) PDF 1.61 M (1109) 评论 (0) 收藏

      摘要:中低压直流配电系统由中压直流母线、低压直流母线、直流变压器等组成,具有多电压等级、多直流母线、多变换器的特点,系统的运行方式与协调控制策略更加复杂。文中以中低压直流配电系统为研究对象,提出了一种基于直流母线电压信号的分散式统一控制策略。直流母线上的光伏发电单元、储能单元、燃料电池单元均采用分散式控制策略,根据直流母线电压调整各自的工作模式。直流变压器采用统一控制策略,集功率控制、中压与低压直流母线电压调节功能于一身,直流变压器根据中压与低压直流母线电压偏差的标幺值,自动调节传输功率的大小与方向,从而实现系统的全局功率均衡。最后,在MATLAB/Simulink中搭建了中低压直流配电系统的仿真模型,并对多种运行状态和场景进行了仿真分析,验证了所提控制策略的有效性。

    • 柔性直流配电系统稳定性及其控制关键问题

      2019, 43(23):90-98. DOI: 10.7500/AEPS20190320009

      摘要 (564) HTML (0) PDF 2.00 M (1030) 评论 (0) 收藏

      摘要:柔性直流配电系统大多采用电力电子设备与交流系统互联、接纳分布式电源与负荷,呈低惯性弱阻尼特性,同时分布式电源与负荷的随机性波动致使运行具有时变特性,易产生不同频率的振荡甚至失稳现象。文中总结了柔性直流配电系统稳定性分析及控制方面遇到的挑战,指出其多时间尺度与随机特性是技术上面临的主要难题。 通过总结建模、振荡机理与稳定性分析以及稳定控制方面的研究现状,展望了未来在多时间尺度建模与振荡机理、随机扰动稳定性分析以及时变场景鲁棒稳定控制方面的关键问题,为柔性直流配电系统的稳定性研究提供思路。

    • 基于二极管的直流配电系统故障分区方案及保护策略

      2019, 43(23):99-106. DOI: 10.7500/AEPS20190420005

      摘要 (500) HTML (0) PDF 1.39 M (1127) 评论 (0) 收藏

      摘要:直流故障处理技术包括故障电流清除、故障分区和故障定位等,是直流配电系统广泛工程应用的关键问题。针对采用故障自清除换流器消除故障电流的直流配电系统,为解决健全区失电问题,提出基于二极管的自动故障分区方法和故障定位方法,以及适用于直流配电系统的集成保护方案。首先,介绍了基于二极管故障分区方法的基本原理及其附加硬件要求。其次,针对二极管故障分区的故障特征,提出相应的集成保护方案和故障定位方法。最后,在PSCAD/EMTDC平台搭建五端直流配电系统,通过仿真验证所提方案的有效性。

    • 基于相似度比较的环状柔直配电网线路单极接地故障保护

      2019, 43(23):107-115. DOI: 10.7500/AEPS20190114001

      摘要 (450) HTML (0) PDF 1.40 M (1083) 评论 (0) 收藏

      摘要:直流配电网线路发生单极故障的概率较高,同时受过渡电阻变化范围较大的影响,故障识别难度大。首先,针对环状直流配电网的中压直流线路单极接地故障的保护问题,分析了单极接地故障后系统的零模网络。基于系统的零模网络,分别建立了区内、区外故障的数学模型,并通过Hausdorff距离算法对任意时刻零模差动电流采样信号和由区内、区外模型求得的零模差动电流值分别进行相似度比较,实现故障的快速识别和隔离,保护定值整定简单。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,验证了所提保护方案的可行性,结果表明该方案识别准确度高、耐受过渡电阻能力强。

    • 基于全电流方向特征的柔性直流配电网纵联保护

      2019, 43(23):116-122. DOI: 10.7500/AEPS20190319003

      摘要 (447) HTML (0) PDF 1.47 M (1051) 评论 (0) 收藏

      摘要:为保证柔性直流配电网安全可靠运行,提出了一种线路主保护方法。在分析双极短路故障各阶段电流方向特征的基础上,提出了基于全电流方向特征的纵联保护方法,给出了动作判据以及定值整定方法,分析了各种因素对所提保护的影响。保护方法不受电压源型换流器闭锁以及线路分布电容暂态电流的影响。物理实验与仿真结果验证了所提保护方法的可行性,其动作速度快,具有良好的耐受噪声和过渡电阻的能力。所提保护方法能较好地满足柔性直流配电网对保护速动性与选择性的需求。

    • 柔性直流配电网保护方案及设备研制

      2019, 43(23):123-130. DOI: 10.7500/AEPS20190428004

      摘要 (783) HTML (0) PDF 811.96 K (1241) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对典型柔性直流配电网开展了保护分区及保护配置策略研究;根据直流线路的故障特性,分析了直流极间短路故障、单极接地故障以及断线故障的保护方案。对于直流电网快速故障定位和隔离的要求,提出一种基于差动保护和多点方向信息的综合故障定位方法。基于所提出的保护和故障定位方案,研制了高采样率且具备多类型模拟量接口的直流配电网保护设备。经实时数字仿真(RTDS)系统仿真和动模试验,验证了保护方案的可行性和故障定位方法的正确性,所研制的保护设备动作行为、性能指标满足直流配电网安全运行需求。

    • 中压直流配电网中直流变压器工程化应用

      2019, 43(23):131-140. DOI: 10.7500/AEPS20190429020

      摘要 (467) HTML (0) PDF 1.40 M (1150) 评论 (0) 收藏

      摘要:文中针对中压直流配电网中直流变压器(DCT)的工程化应用问题,首先归纳实际工程对DCT故障快速恢复、高可靠供电及灵活控制的需求,采用带有隔离半桥的改进型子模块结构,分析其故障阻断、在线冗余、有载调压及均压控制功能。然后,讨论子模块取电方式、整机启动策略及绝缘设计等典型工程问题,比较多种解决方案并进行适应性分析。进一步,重点研究能效提升方法这一工程核心问题,分析硬件及软件上的能效提升措施,并分别从材料选型、高频变压器设计、控制策略改进、系统用能优化等方面提出相应优化策略。最后,探索小型化应用的工程推广前景,从特定场景设计、模块拓扑改进、新型材料应用3个角度分别提出一种小型化方案,阐明现有技术瓶颈并提出相应解决思路。

    • 三端口混合式直流断路器的工程应用

      2019, 43(23):141-146. DOI: 10.7500/AEPS20190509005

      摘要 (661) HTML (0) PDF 1.81 M (1155) 评论 (0) 收藏

      摘要:唐家湾三端柔性直流配电网工程成功应用了世界首套±10 kV三端口混合式直流断路器,可实现多端换流站的联络及故障快速隔离,从而保障系统安全可靠运行。文中针对唐家湾三端柔性直流配电网故障隔离需求,提出三端口混合式直流断路器的拓扑结构、工作原理和技术参数。进而进行三端口直流断路器工程样机研制,开展电流开断试验,试验结果表明,三端口混合式直流断路器工程样机可在2.7 ms内开断10 kA故障电流。最后,将三端口直流断路器工程样机安装在唐家湾三端柔性直流配电网工程,并进行三端系统在线投入、三端系统在线退出和三端系统电流开断试验共3个关键试验,试验结果表明,三端口直流断路器运行状况良好,功能和性能满足工程设计和运行要求。

    • 新一代低压直流供用电系统关键技术及发展展望

      2019, 43(23):12-22. DOI: 10.7500/AEPS20190905007

      摘要 (995) HTML (0) PDF 1.78 M (1430) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对当今社会能源变革现状及电力系统发展新趋势,探索了新一代低压直流供用电系统的主要特征、典型应用场景、关键技术及未来研究方向。分析了现代社会的能源变革特点及电力系统的未来发展趋势,指出了发、储、用一体化的新一代低压直流供用电系统的发展需求;分析了新一代低压直流供用电系统的主要特征和典型应用场景,介绍了低压直流供用电系统的电压等级、国际标准及国内外示范工程的进展情况;分析了低压直流供用电系统的关键技术并展望了低压直流供用电系统的发展趋势。最后,对新一代低压直流供用电领域的未来研究方向进行了总结和建议。

    • 考虑不同软开关模式的双有源桥变换器电流应力优化方法

      2019, 43(23):58-64. DOI: 10.7500/AEPS20190429004

      摘要 (415) HTML (0) PDF 2.69 M (987) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了全面提高双有源桥(DAB)变换器的整体性能,在基于双重移相实现电流应力最小化的同时,对是否要确保所有开关管实现零电压开通(ZVS)进行了研究。首先建立了以传输功率为输入量的线性化大信号模型,基于该模型,可通过传输功率的直接调节实现输出电压的精准控制。以该模型为基础,通过分析4种功率模态中的软开关特性及电流应力特性,分别实现了基于完全ZVS的电流应力优化方法和基于自然软开关的电流应力优化方法。并完成了2种优化方法对于效率影响的分析和对比。结果表明,当采用开通损耗和关断损耗相近的开关器件时,确保所有开关管实现ZVS会使DAB变换器的电流应力大幅增加,进而对效率产生严重的负面影响。理论分析和实验结果均表明,自然软开关模式的电流应力优化算法能够最大程度地降低电流应力,减小损耗,提高变换器的性能。

    • 考虑功率裕度和电压偏差的多端直流配电网自组织下垂控制

      2019, 43(23):81-89. DOI: 10.7500/AEPS20190419005

      摘要 (444) HTML (0) PDF 1.63 M (980) 评论 (0) 收藏

      摘要:为实现系统受扰后不平衡功率的优化分配及直流电压的稳定控制,在多端柔性直流配电网传统电压—功率下垂控制的基础上,提出考虑功率裕度并附加定直流电压控制的自组织下垂特性优化方法。所提方法打破了采用传统下垂控制时换流站承担不平衡功率按其容量成比例分配的固有约束,实现不平衡功率的合理转移,降低了小容量换流站的过载风险;引入功率偏差因子,在下垂特性曲线中适当设定“死区”,一定程度上放宽换流站的运行区间。类比弹性力学概念,设计基于元胞自动机的换流站运行状态自组织更新规则,建立对应的五端柔性直流配电网MATLAB仿真模型,并与传统下垂控制的电磁暂态模型进行对比分析。最后,仿真结果验证了所提控制方法的有效性和控制效果。

    • 直流配电系统控制与保护协同关键技术及展望

      2019, 43(23):23-30. DOI: 10.7500/AEPS20190506005

      摘要 (942) HTML (0) PDF 1.43 M (1311) 评论 (0) 收藏

      摘要:直流配电系统中电力电子装置众多。一方面,电力电子装置的脆弱性提高了对保护的要求;另一方面,依靠灵活可控的电力电子装置,通过直流配电系统控制与保护协同实现故障快速恢复成为直流配电系统控制与保护研究的重要思路。文中首先归纳了直流配电系统保护与控制协同的整体思路;其次总结了换流阀子模块结构和控制策略对直流配电系统故障特性的影响,归纳了基于保护与控制协同思想的直流配电系统保护原理,分析了其协同配合过程;最后,对直流配电系统控制与保护协同研究进行了总结和展望。

    • 主动配电网多场景直流改造经济性评估方法

      2019, 43(23):50-57. DOI: 10.7500/AEPS20190513003

      摘要 (517) HTML (0) PDF 1.70 M (1157) 评论 (0) 收藏

      摘要:直流配电方式具有高供电能力、低损耗、控制灵活等优势,随着电力电子技术的不断成熟,交直流混合配电网逐渐成为新的研究热点和发展趋势。提出了考虑高密度负荷与分布式电源接入下城市配电网直流改造经济性评估模型,并采用换流器最小安装容量计算模型及其优化控制策略优化投资成本和运行成本。在模型中考虑了改造前后弃风弃光、切负荷成本以及运行成本变化产生的减损收益。在多场景下,将直流改造与其他改造方式进行了技术性对比,并分析了分布式电源渗透率、直流负荷占比对直流改造投资经济性的影响。仿真结果验证了所提经济性评估方法的有效性,并表明当配电网对供电能力和分布式电源消纳能力有较高需求时,直流改造方案具有一定的技术及经济可行性。

    • 直流配电系统的组网技术及其应用

      2019, 43(23):39-49. DOI: 10.7500/AEPS20190529001

      摘要 (572) HTML (0) PDF 1.35 M (1297) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着能源清洁化转型以及智慧能源建设的推进,直流配电系统因便于接纳分布式清洁能源、功率易于控制等优点受到密切关注。对直流配电系统的组网技术及其应用技术的研究现状和发展趋势进行了综述,首先对直流配电系统的主要性能特点进行了总结,其次对直流配电系统中典型的拓扑结构和供电模式进行了全面的分析,进而研究了模块化多电平换流器、直流变压器和低压换流器接入直流配电系统时的控制方式,最后结合交直流混合配电网、直流能量路由器、能源互联网及泛在电力物联网等智慧能源应用场景与发展趋势的分析,总结和展望了柔性直流配电系统关键技术的主要研究方向。

    • 三相不平衡下交直流配电网状态估计

      2019, 43(23):65-71. DOI: 10.7500/AEPS20190424006

      摘要 (483) HTML (0) PDF 1.36 M (1128) 评论 (0) 收藏

      摘要:基于电压源型换流器(VSC)的柔性直流技术被越来越多地运用到配电网中,需要对含VSC的三相不平衡交直流配电网进行准确的状态估计,而配置相量测量单元(PMU)的测量数据是实现配电网准确状态估计的有效手段。首先,提出了考虑配电网三相不平衡特性的交直流配电网状态估计模型,采用加权最小绝对值法进行状态估计;其次,进行PMU测量数据的线性描述,给出了PMU及数据采集与监控(SCADA)系统的混合测量方程,并将多种交直流设备在测量方程中统一描述;最后,在三相不平衡的IEEE 33节点交直流配电网算例上,验证了所提方法的有效性和实用性。

    • 中低压直流配电电压层级配置方法

      2019, 43(23):31-38. DOI: 10.7500/AEPS20190115009

      摘要 (522) HTML (0) PDF 1.97 M (1038) 评论 (0) 收藏

      摘要:随着直流配电系统的发展,中低压直流电压等级的确定,在直流配电典型应用场景中,如何合理地选取电压序列确定直流电压层级,是直流配电发展初期的基础问题。首先,针对中低压直流配电系统提出了电压层级选取方法。该方法根据综合费用最低原则,分析了影响直流配电电压层级的关键因素,并建立了直流配电电压评估模型。然后,通过该模型对每一级电压值的综合费用进行对比,从而选取出完整的电压序列。最后,以负荷密度近似均匀的供电区域为例,验证了所提方法的有效性,为直流配电系统建设提供了参考。