直流配电网的分布式电源及储能优化配置研究

摘要：现阶段，随着环境问题和能源危机的凸显，分布式能源及具有区域自治特性的微电网近年来成为研究热点，高渗透率的可再生能源接入将极大地改变传统电力系统的运行特性，在优化用户配电网供电性能的同时，也给电网的安全可靠运行带来了新的挑战。传统交流配电网由于功率耦合、保护及运行控制器设计复杂、线路损耗大、对谐波污染敏感等缺陷并不适合分布式能源的广泛接入。直流配电网具有传输容量高、电能损耗小、对分布式新能源具有良好兼容性、降低电能多级变换频率等优势，因此直流配电网将成为未来配电网建设和发展的趋势和热点。

关键词：直流配电网；分布式电源；储能优化配置研究 引言

柔性直流输电技术凭借其在传输容量、线损、可靠性以及有功和无功的独立灵活控制等方面的巨大优势，已经广泛应用于远距离大容量输电领域。而在电压等级较低的中低压配电网领域，直流配电技术虽然也具有可靠性高、线损小、便于光伏等分布式新能源接入等优点，但应用才刚刚起步，目前还仅应用于一些大规模工业园区、船舶供电、轨道交通等领域。随着电力电子技术、储能技术、分布式电源的发展，未来直流配电技术有望广泛应用于城市供电系统，直流配电网是未来城市配电网的重要发展趋势。虽然柔性直流配电技术相较于传统的交流配电技术拥有众多优势，但其目前还处在发展阶段，依然面临着许多问题。柔性直流配电技术目前的发展瓶颈主要包括以下3点：①直流潮流控制技术；②直流变压技术；③直流故障检测、识别和隔离技术。 1概述

目前，全球面临着严峻的环境破坏与能源危机问题。提高能源使用率，加强可再生能源利用以及开发新能源技术是进行能源转型的重要发展方向。直流配电网作为配电网的一种结构形式，在清洁、绿色的环境下兼具灵活、高效的优点，且不存在无功环流及功角稳定等问题，为光伏发电、储能系统等直流输出单元的应用提供了广阔平台，是分布式电源更加理想的组网方式。但当分布式电源大量接入中低压配电网时，会破坏直流配网的功率平衡和电压稳定。因此，为解决上述问题，在可再生能源发电系统中引入储能系统。储能系统能够使分布式电源很好地被电网接纳，与此同时分布式电源发电系统的电能质量以及可靠性也能得到提升。蓄电池作为储能系统中应用最广泛的储能设备，具有技术成熟、功率密度大等特点。然而集中式大容量蓄电池供电存在能量利用率低、不利于容量扩展、可靠性差等缺点，在直流电网中将各蓄电池单元并联可有效解决上述问题。此外，蓄电池功率密度较低，易受分布式电源高频功率冲击，极大影响储能系统寿命，通过引入超级电容与各个蓄电池单元并联，从而缓解高频功率对蓄电池的影响。综上，本文提出多蓄电池单元与超级电容构成直流配电网储能系统。 2直流配电网故障检测与定位原理

直流配电网故障检测和定位是直流配电网继电保护的核心。目前直流配电网故障检测与定位方法大多都参考交流系统继电保护方法，保护原理涉及电压/电流保护、距离保护、纵联电流差动保护等多种保护原理。但相较于交流系统，直流配电网保护又具有其特殊性，表现为：①直流配电网对保护的动作速度要求极高；②“直流成网”的直流配电网对保护的选择性要求很高；③直流配电网保护原理可以充分利用直流系统的边界元件。下面将对目前国内外学者对直流配电网继电

保护方面的研究进行详细的综述。 2.1 电压/电流保护

电压/电流保护是电力系统最基础的保护原理，它一般利用电流幅值的增大、电压幅值的减小或者电压、电流变化率的变化来判断故障区间。针对含分布式电源的辐射状直流配电网提出了基于电流瞬时值的两段式过电流保护策略。利用电压突变作为保护启动判据，过电流保护Ⅰ段是快速保护段，其能够在故障电流的上升阶段发送跳闸指令；过电流保护Ⅱ段作为过电流保护Ⅰ段的后备保护，用于在电容放电阶段结束后，故障电流达到稳态时进行保护，该方案不足之处在于没有充分考虑系统运行方式的影响，其保护整定值的选取缺乏可靠的依据。同样针对辐射状直流配电网设计了一套过电流及电流变化率保护方案。文章中将故障分为近端故障和远端故障，为了兼顾速动性和选择性，文章参考交流系统阶段式保护的思想，设置了两段式的过电流保护及电流变化率保护，具体地，近端故障时电流速断保护及近端电流变化率，发出跳闸指令；远端故障时，限时电流速断保护及远端故障电流变化率保护动作，切除故障线路，两段式保护通过整定值和延时的相互配合可以实现故障线路的切除，但其缺点也很明显，动作速度较慢，不能满足未来直流配电网保护动作速度的要求。综上，电压/电流保护虽然原理简单，实现方便，但其动作速度和选择性难以满足直流配电网要求，尤其是多端柔性直流配电系统，因此电压/电流保护在直流配电网的保护中一般只用于故障检测。 2.2 边界保护

边界保护是直流电网保护所特有的保护原理，该保护原理主要利用线路边界元件两侧故障暂态特征的差异判别故障区间。目前关于边界保护的研究多在柔性高压直流输电领域展开，但其保护原理在柔性直流配电领域仍然具有适用性。因此下面关于边界保护的综述中并不局限于直流配电网领域。三端网状柔性直流电网的保护原理进行研究，提出了一套仅利用单端直流电抗器电压的大小和方向的变化特征识别故障的保护原理，该保护原理可以实现故障线路、故障类型以及故障极的判别，大量仿真验证结果表明该方案能够灵敏、可靠、快速地识别故障线路和故障极，且能够耐受一定的过渡电阻，适合用作多端柔性直流系统的主保护。利用事先设定好的直流电抗器两端电压阈值5 kV和10 kV以及电压从5 kV上升到10 kV所需要的时间Δt来进行故障线路的识别。 2.3 电力电子接口技术

含分布式电源的低压直流配电网中，分布式电源、储能设备、可再生能源设备和各种负载基本都是直接或通过各种电力电子装置与直流母线连接起来的，不同电源、不同负载需要使用不同的电力电子接口装置，可见对电力电子接口有着较高要求。

当前，电力电子接口技术主要包括网侧接口技术、负载侧接口技术、分布式电源接口技术等。第一，网侧接口技术。网络接口是一种低压直流配电网与输电线路连接的电力电子装置，主要有双向DC/DC、双向AC/DC等变换器，这两种变换器都能满足能量双向流动要求，可根据实际情况选用最适合的变换器。第二，负载侧接口技术。结合各种负载的特点，将负载直接连到直流母线上，或通过DC/AC、DC/DC变换器，以及不同功率的电源适配器连接到直流母线上。DC/AC、DC/DC变换器的技术成熟度很高，转换效率也很高，在这里建议采用这种连接方式，可降低故障率。此外，由于负载侧接口距离使用者的距离比较近，如果选用这种电力电子接口技术，不仅能保证供电质量、供电安全，还能提高供电效率和设备可操作性。第三，分布式电源接口技术。采用分布式电源接口，能够将太阳

能、风力发电等分布式电源与低压直流配电网连接起来，具有较高的集成性。但是，与直流配电网连接时仍然要采用DC/AC、DC/DC变换器，三端口变换器还在研发中。

2.4配电网保护技术和故障诊断技术

含分布式电源的低压治理配电网运行过程中，低压直流配电网保护技术和故障诊断技术是安全运行的基础。与交流配电网相比，直流配电网的保护技术与故障诊断技术还不成熟，当下没有完善的保护方案，但要持续加大接地方式、故障检测、故障诊断、故障处理、继电保护等方面的研究，不断提高低压直流配电网运行保护能力和故障排除能力，保证电网运行可靠性，放心使用含分布式电源的低压直流配电网。 结语

本文针对直流配电网提出了一种含分布式储能参与的电压调节策略。通过理论推导配电网交直流接口电压频率耦合关系以及双向直流接口级联下垂特性，控制相应节点储能单元补偿电压波动及电网频率波动，设计了其控制策略及基本参数。通过系统仿真证明了所提控制策略的有效性。研究结果表明，基于所提电压控制策略，可有效减小功率变化时直流配电网母线电压的波动及其对交流大电网的影响，提升系统鲁棒性与故障穿越能力，在保护储能单元的同时，充分利用了其功率调节裕量。本文为多端多节点直流配电网电压控制及储能单元的系统级管控提供了一种新的方法。 参考文献：

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