采用柔性直流技术的智能配电网接入交流电网方式：韩永霞，何秋萍，郭子轩，赵宇明，姚森敬，李立浧。
一、研究背景
基于柔性直流技术的智能配电网具有供电容量大、线路损耗小、电能质量高、无需无功补偿、有利于新能源和储能装置接入等优点，逐渐成为国内外研究热点和能源互联网发展的关键技术之一。目前相关的研究主要集中在系统控制、保护策略及关键设备研制等方面，对其接入交流电网的方式未开展专门的研究。基于柔性直流技术的智能配电网接入交流电网方式是系统设计的基础，也是直流配电中的关键技术之一，其研究可为直流配电技术的发展和示范工程的建设提供参考。
本文对±10kV基于柔性直流技术的智能配电网与10kV交流电网之间的连接方式，结合理论分析和仿真计算分析交直流侧故障之间的相互影响，并从系统运行可靠性和经济性角度提出基于柔性直流技术的智能配电系统与交流电网之间的推荐的连接方式。
二、交直流系统之间的
连接方式
典型的±10kV基于柔性直流技术的智能配电网主回路结构图如图1，交流侧接入10kV交流配电网，交直流侧不存在电压匹配的问题，交直流系统之间的连接方式存在配置联接变压器和不配置联接变压器两种情况。
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系统主回路接线是理论分析和仿真建模的基础，不同的连接方式下，交直流侧接地方式不同，对应系统主回路接线就存在不同的结构，具体如下：
1）配置联接变压器
直流配电系统换流器通过Dyn联结的10kV/10kV联接变压器与10kV交流母线或线路连接，10kV交流系统通过Z型接地变压器经小电阻或消弧线圈接地。
2）不配置联接变压器
换流器通过交流电抗器直接与10kV交流母线或线路连接。根据10kV交流配电系统接地方式，直流系统的接地方式有三种可能，对应的主回路接线也有三种情况。其中，当10kV交流系统经小电阻或消弧线圈接地时，该接地点可作为直流侧的地电位参考点；当10kV交流系统不接地时，直流配电系统可通过直流变压器高压侧电容中点经高电阻接地方式，为直流侧提供地电位参考点。
三、交直流系统相互
影响理论分析
结合交流配电系统的接地方式，从理论上分析了交流侧故障对直流侧电压和电流的影响，及直流侧故障对交流侧电压和电流的影响。其中，交流系统故障考虑单相接地故障和三相短路故障，直流系统故障考虑单极接地故障和双极短路故障。分析结果表明：配置独立的联接变压器时，交流系统单相接地故障对直流侧单极对地电压及极间电压均不产生影响；而不配置联接变压器时，单相接地故障下直流单极对地电压将会出现基频共模振荡而产生过电压。配置联接变压器时，交流系统三相短路故障产生并传递到换流阀和直流线路的故障电流小于不配置联接变压器的情况，且故障电流对换流阀、桥臂电抗器的冲击也较不配置联接变压器时小。
直流侧单极接地故障下，配置联接变压器时，交直流系统接地点相互独立，交流系统电压和电流几乎不受影响；不配置联接变压器时，交直流系统共用接地点，单极接地时交流母线对地电压也将出现持续直流分量而产生过电压，对交流系统设备绝缘造成较大影响。直流双极短路时，系统中将出现很大的故障电流，电流通过换流阀中的反并联二极管传到交流侧，从而对交流系统造成影响。
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四、建模与仿真分析
根据系统配置联接变压器和不配置联接变压器时的系统主回路接线图，在PSCAD中搭建了不同连接方式下±10kV基于柔性直流技术的智能配电网仿真模型，仿真计算各种连接方式下交流侧单相接地故障、三相短路故障、直流侧单极接地故障和双极短路故障四种故障工况下，直流配电系统关键位置的过电压和过电流。仿真结果表明：
1）配置联接变压器时，交流系统单相接地故障下，接地电阻两端最大电压为5kV，直流侧电压和电流倍数均为1；交流系统三相短路故障下，交流母线上流过的短路电流最大值为11.22kA，该电流在桥臂电抗器两端产生的过电压为正常运行时的5.7倍；直流侧单极接地故障下，交流母线对地电压受影响较小；直流侧双极短路故障下，直流电抗器和桥臂电抗器上会产生很大的过电压，交流母线电压也升高到较高水平。
2）不配置联接变压器时，交流系统经小电阻接地、经消弧线圈接地和不接地三种接线情况：交流单相接地故障下，直流系统地电位参考点的最大过电压值分别为5.2kV、42.8kV、10.3kV，直流侧电压/电流倍数分别为2.98/1.17、6.92/1.2、2.04/1.2；交流系统三相短路故障下，桥臂电抗器两端过电压倍数分别为7.9、11.5、11.5；直流侧单极接地故障下，交流系统经消弧线圈接地时直流侧极间电压无法维持稳定，而交流系统其他两种接线情况下交流系统中都将出现持续的直流分量，从而产生过电压，交流母线对地电压过电压倍数分别为2.53、2.72、2.2；直流侧双极短路故障下，直流电抗器和桥臂电抗器上均会产生很大的过电压，交流母线电压均升高到较高水平。
不同接线形式下通过换流阀的电流和桥臂电抗器两端的电压波形分别如图2中的(a)和(b)所示。其中，曲线1为配置联接变压器的情况，曲线2、3、4分别为不配置联接变压器交流系统经小电阻接地、经消弧线圈接地、不接地时的情况。
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由此可知，配置联接变压器时，可以选择通流能力更小的换流阀和绝缘水平较低的桥臂电抗器，从而大大提高系统运行可靠性，并节约成本。
上述理论分析及仿真结果均表明配置联接变压器能有效隔离交直流系统之间的故障，减小交直流侧故障对彼此关键设备的冲击，提高交直流配电系统运行的可靠性。因此，建议±10kV柔性直流配电系统通过联接变压器与10kV交流配电网连接。
五、结论
本文结合理论与仿真分析，得出配置联接变压器时，交流系统单相接地故障下，直流侧电压和电流基本不受影响；直流单极接地故障下，交流母线电压几乎不受影响，系统可持续运行，从而大大提高了直流配电系统的可靠性，且配置联接变压器时，交流侧三相短路故障对换流阀电流冲击和对桥臂电抗器的电压冲击，明显小于不配置联接变压器的情况，可降低对关键设备的要求，从而大大节约成本。
因此，建议基于柔性直流技术的智能配电网通过联接变压器与交流配电网连接。同时，本文的研究思路可为不同电压等级的直流配电网与交流电网的连接方式的研究提供借鉴和参考。
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