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ISSN 1000-7229 CN 11-2583/TM
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传统10 kV等级供电区域为开环运行，并且区域之间联络开关都处于冷备用状态，一旦发生变压器故障，在联络开关闭合前负荷供电中断。同时变电站的主变设备设计容量大，主变压器平均负载率较低。一种好的解决方法是在传统10 kV交流配网中加入多端柔性直流互联装置建立交直流混联配电网。根据交直流混联配电网的特点，提出了一种适合于交直流混联配电网的可靠性评估方法，在保证系统可靠性的基础上，研究是否可以减小变压器容量冗余。建立了考虑备用元件的多端柔性直流互联系统的可靠性模型，采用支路交换法在变压器故障时进行配电网重构为负荷恢复供电。通过对加入多端柔性直流互联装置的10 kV配电网算例进行可靠性评估，结果证明了多端柔性直流互联装置接入配电网后，可以提高系统可靠性，同时根据系统配网重构的结果证明系统主变压器的设计容量可以减小。
在城市电网分区间，利用柔性直流电力电子装置，实现柔性互联，有可能解决现有交流型城市电网分区运行中存在的难题。介绍了国内外首个城市电网分区柔性互联示范工程的选址，并提出一种实用的选址方法。首先，建立了分区间柔性互联装置选址模型，计及了静态安全性、供电能力、短路电流、电压稳定等7项指标。由于电压稳定等指标计算需要逐个case模拟故障仿真，对于大型城市电网柔性互联选址的计算量很大，模型很难直接求解，因此提出一种实用的选址方法：先给出分区有功需求及无功需求初筛指标，依据其进行方案初筛；再进一步详细仿真分析得到7项细筛指标；然后采用层次分析法确定最优方案，最后介绍了示范工程的选址论证。结果表明，所提方法确定的选址方案具有很好的互联效果，发现了除示范工程外更多效果良好的位置，为后续柔性互联提供了选择。同时，研究发现不是所有分区柔性互联后都具有明显效果，故进一步归纳了适合柔性互联的分区特征。所提方法和实践对城市电网分区柔性互联的发展具有重要意义。
当前，电力系统经济性评估大多采用确定性方法。由于经济性评估中的技术经济变量是不确定的，确定性算法的计算结果很难提供充分的决策信息。针对交直流混合配电网，提出了基于概率方法的全寿命周期评估方法。首先建立概率全寿命周期成本模型；然后利用概率方法进行经济性效益评估，提出经济性评价指标的概率分析方法；最后通过算例仿真结果验证了该评估方法的可行性和有效性。
为了解决在直流配电网下平抑风电场出力波动的混合储能系统容量优化配置问题，提出了一种以钒电池-超级电容混合储能系统为研究对象的多目标容量配置模型。首先，以风电场实际输出功率和储能设备荷电状态为指标构建了风电场目标功率输出曲线；然后，分别建立了以计及直流配电效益的最小年均成本和最大风电场输出功率合格率为目标函数，以荷电状态、功率出力等为约束条件的多目标容量优化配置模型；最后，采用自适应遗传算法求解所建模型。结果表明，直流配电效益主要体现在降低传输损耗带来的收益，而节省的换流成本和增加的直流换流站成本影响有限。
为解决分布式电源高渗透率的交直流主动配电网因分布式电源出力波动及负荷变化等造成的电压越限问题，提出了利用柔性直流装置、分布式电源及离散无功设备等多无功源构建的主动配电网电压控制策略。将配电网电压运行状态划分为3种：（1）正常状态下进行全局优化，通过离散无功设备的静态无功功率置换出柔性直流装置的动态无功功率，提高配电网动态无功储备容量；（2）预警状态下通过多无功源就地控制与集中控制相互协调，实现轻度电压越限节点的校正控制；（3）紧急状态下利用柔性直流装置对电压越限节点快速紧急支援，实现配电网过渡到预警状态或恢复到正常状态。利用IEEE 33节点系统进行了仿真和实验验证，仿真和实验结果表明该策略提高了系统的动态无功储备容量，实现了配电网电压的有效控制。
随着分布式电源、储能和柔性负荷等新型元素的接入，含柔性直流装置的主动配电网（active distribution network, ADN）成为未来配电网发展的重要方向。含柔性直流装置的主动配电网可实现潮流的灵活控制、区域间功率的相互支援以及更大范围内资源的优化配置等。该文针对含柔性直流装置的主动配电网，建立了考虑分布式电源就地充分消纳的“区域自治-全局协调优化”的分层优化调度架构。区域自治以区域调度费用最低为目标，采用分布式模型预测控制（distributed model predictive control，DMPC）对区域内可控分布式电源、储能和柔性负荷等可控资源进行优化控制。全局协调优化在区域自治的基础上，以全网运行成本最低为优化目标，利用柔性直流装置灵活调节区域间功率，使分布式电源在更大范围内得到充分消纳。最后通过仿真验证了DMPC对区域内可控资源有功出力控制的高效性；多场景仿真结果表明，全局协调优化可通过柔性直流装置在更大范围实现区域间功率的相互支援，促进分布式电源的最大消纳，提高主动配电网运行的经济性与安全性。
针对交直流混合微电网，提出一种接口换流器与直流侧电网储能DC/DC换流器的协调控制策略。不管系统工作在何种状态，储能DC/DC换流器始终进行电压控制以实现直流侧电压的零偏差，而接口换流器通过检测交直流混合微电网状态调节自身工作方式，实现微电网系统在并网及孤网模式下的稳定运行和2种模式稳定、快速的切换。通过计算机软件仿真及物理实验的验证，可以证明这种控制策略可以实现交直流混合微电网直流侧电压在孤网状态下的零偏差，并且运行与模式切换的稳定性良好。
分布式电源高渗透率交直流主动配电网运行控制策略是实现分布式电源充分消纳，保证电网安全可靠运行的关键。把交直流混合主动配电网的运行状态分为正常态、预警态和紧急态3种运行状态。正常态进行周期全局优化，优化模型考虑分布式电源消纳、负载均衡和有功网损最小；预警态包括实时预警和态势感知预警，利用协调校正控制策略提高电网安全裕度；紧急态是利用柔性直流装置进行紧急功率支援，使电网恢复到正常态或者过渡到预警态。最后，通过算例验证了所提运行控制策略的正确性与有效性。
用户负荷特性的改变和电力电子技术的发展使得直流配电网重新得到重视。构建了一种含分布式风电的新型交直流混合配电网，分析了传统配电网中风电场母线电压波动的原因，提出了适合交直流混合配电网特性且能够稳定风电场母线电压的控制策略。在PSCAD/EMTDC中建立了风电场交直流混合配电网的仿真模型，对所提出的控制方法进行验证。结果表明，与传统配电网相比，新型交直流混合配电网能更好地消纳风电波动功率，且风电场母线电压稳定性更好。
中压直流配电网与直流负荷、直流微电网的互联是实现直流配电网的关键，这将迫切需要一种适应于中压和低压大跨度变比的直流变压器（即DC/DC换流器）。三相双主动全桥(dual-active bridge, DAB)换流器具备可隔离、可实现双向功率流动、滤波器体积小等优点，该文基于三相DAB换流器拓扑，结合中压直流配电网DC/DC换流器高压侧电压应力大、低压侧电流应力大等特性，设计了一种基于三电平方式的DC/DC换流器模块，进而采用输入串联、输出并联的模块化级联方式设计了中压直流配网DC/DC换流器。最后，提出了换流器模块高、低压侧协调控制方式以及模块化DC/DC换流器的输入电压均分、输出电流均分控制方式，并在MATLAB/Simulink里验证了其可行性。
针对直流微网中Boost变流器带恒功率负荷时系统不稳定的问题，提出一种基于滑模控制的变流器稳定控制策略。首先，通过系统传递函数，从机理上分析指出当变流器带恒功率负荷时，恒功率负荷的负阻抗特性会导致系统不稳定；基于此，利用滑模控制构造切换函数并求解控制律，其中切换函数为变流器输出功率参考值与实际值之差，选取指数趋近律以提高收敛速度，采用PWM控制削弱由于开关频率不固定造成的抖振问题；最后，仿真实验验证了该文控制策略能有效地保证系统的稳定性，同时响应速度快，为工程实践提供了理论指导。
传统的交直流潮流计算方法主要用于输电网计算，而交直流配电网需要考虑交流网侧三相不平衡和直流网侧分布式电源低压多端直流接入等问题。针对这一问题，提出了一种考虑三相不平衡的含多端直流的交直流配电网交替求解算法。（1）对交流系统和换流站三相不平衡建模；（2）计及换流站不同控制方式，推导了直流潮流方程，在其基础上，推导了含DC/DC变换器的直流潮流计算修正方程式，根据DC/DC变换器和换流站控制方式的不同，在交直流潮流计算中提出不同的等效处理方式；（3）通过改进的IEEE 34节点算例进行了仿真验证。仿真结果表明，在多端直流不同控制模式下，所述交直流配电网潮流计算方法处理三相不平衡、分布式电源直流接入等问题具有较好的收敛性能。
交直流混联微电网是分布式发电(distributed generation, DG)装置并网的良好解决方式，因此，含DG的交直流混联微电网状态估计研究具有现实意义。针对换流器控制特性多样化及直流网络接入，该文提出适用于多种运行模式的交直流混联微电网状态估计模型。首先，针对微电网的孤岛运行特性，建立DG的Droop型节点模型。接着，根据交直流混联微电网状态估计的特点，配置相应的伪量测，以提高系统可观测性；同时采用了支路电流幅值量测转换法，以减少雅可比矩阵的求解难度。最后，采用最小二乘估计求解所提出的交直流混联微电网状态估计模型。通过IEEE13节点算例进行验证，结果表明，所提模型能够适用于并网和孤岛两种运行方式，具有良好的工程实用价值。
为了探究交直流混合配电网的节能潜力，并满足用户对供电可靠性和电压质量的要求，提出了一种交直流混合配电网能效综合评价方法。首先，分析了交直流混合配电网中影响能效的传统因子和新型因子，并推导出了各影响因子的量化模型；其次，从中压配电网、配电变压器、低压直流配电网和低压交流配电网4个方面构建了交直流混合配电网能效评估指标体系；最后，以某地区配电网为案例，对改造前的交流配电网和改造后的交直流混合配电网进行了能效评估。结果表明，交直流混合配电网的能效等级高于传统交流配电网，且性能指标方面也有明显优势。
直流配电网以其传输容量大，适合分布式电源接入等优势引起国内外广泛关注，而目前其研究重点主要在结构、能效、控制、保护等方面。针对直流配电网潮流计算问题，建立考虑开关损耗及电感电容寄生参数的非理想变换器稳态模型，给出Buck，Boost等6种变换器在连续电流模式（continuous current mode，CCM）下的稳态模型参数。考虑直流配网中只有有功功率与电压幅值，直流变换器可采用不同控制策略的特点，建立了含变换器直流配网的牛顿拉夫逊法雅克比矩阵各元素等潮流计算模型。通过对典型14节点直流配电网的算例测试，运用本文建立的模型和方法进行了潮流计算并与PSCAD仿真结果对比分析，验证了所提模型和算法的正确性。
小容量高密度的分布式电源（distributed resources，DR）接入配电网将显著改变配电网的短路电流分布。传统的短路电流计算要求获取系统无源网络的节点导纳矩阵，而小容量分布式电源数量的大幅增加将使得节点导纳矩阵维数剧增，导致矩阵的存储空间与求逆计算时间增加，从而降低效率。针对该问题，基于二阶变系数差分方程，提出了含小容量高密度分布式电源的配电网短路电流计算方法。该方法的优点在于使得系统无源网络节点导纳矩阵的维数不随着分布式电源接入数量的增加而增加，从而显著降低了存储空间与计算时间。在IEEE测试系统中仿真算例验证了所提方法的正确性与高效性。
随着低压直流供电系统的发展以及电力用户对电能质量的要求越来越严格，对直流供电系统的电能质量进行综合评估越来越重要。现有的电能质量综合评估研究主要针对交流系统，并不能很好地适用于直流供电系统。为做好低压直流供电系统的研究工作并有效地改善电能质量问题，需要提出一种适用于低压直流供电系统的电能质量综合评估方法。该文构建一套低压直流供电系统综合评估指标体系，采用熵权系数法与层次分析法相结合的综合赋权法，同时采用灰色关联法对电能质量进行综合评估。最后，算例表明，采用所提出的综合评估方法可以有效地对比评估对象电能质量的优劣。
随着大城市负荷密度的不断增加，配电网的规模不断扩大，受制于短路容量、电磁环网等问题，城市配电网通常按照高压分区、中压开环的方式运行，导致系统设备利用率降低，可靠性下降。利用柔性直流技术对分割的高压配电网和中压配电网进行互联形成交直流混合配电网，有助于提升电网的可靠性和设备利用率，缓解城市电网站点走廊有限与负荷密度高的矛盾，同时在负荷中心提供动态无功支持。研究了柔性直流背靠背装置在大型城市高压配电网和中压配电网中的应用模式和系统设计方案，并以北京高压配电网为实例，从降低短路电流和提供动态无功支撑两个角度，定量分析了应用柔性直流背靠背装置实现高压配电网分区互联的优势。
电压等级是直流配电系统众多研究内容的基础，关系到电网结构和布局、电气设备与设施的设计与制造、电力系统的运行与管理等方面。以柔性直流配电网电压等级选取方法为目标，研究影响电压等级序列选择的内外部因素，分析了设备、直流配电系统的输送能力和输送距离等相关约束条件，确立了直流电压等级的选取原则及中低压直流电压等级选择过程。根据上述研究结果，基于数据中心负荷位置距离、负荷容量、负荷电压等级、分布式电源接入要求等因素，通过计算确立了实例工程电压等级为中压±10 kV，低压750 V和240 V。结合数据中心供配电可靠性等级要求，提出了数据中心交直流配电网拓扑结构。研究成果可为直流配电网电压等级选择和直流配电系统规划建设提供参考。
中性点经消弧线圈接地系统采用无连接变压器接线方式的柔性环网控制装置与交流系统共用接地支路，装置的接地故障特性不同于常规有连接变压器的换流装置，需要对其接地故障特性进行分析，为装置故障诊断、保护的设计提供依据。分析了基于模块化多电平换流器的柔性环网控制装置交流侧单相接地故障时的故障机理，阐述了故障后装置故障侧和非故障侧换流器的电气量特征，分析了柔性环网控制装置直流单极接地故障特性，推导了故障后换流器在不同工作模式下故障电流的解析方程，指出在消弧线圈接地支路增加阻尼电阻可以加快故障电流衰减。通过建立的基于模块化多电平换流器的柔性环网控制装置PSCAD/EMTDC仿真模型，验证了本文故障特性分析的正确性和有效性。
