Reliability and Economy Assessment of Multi-terminal Flexible DC Distribution Network

近几年来，随着国内经济产业结构的调整和转型，高新技术产业的占比越来越大，不少工业城和科技园区用能需求不断增长，对可靠性的也有相对高的标准。目前对于有着较多的分布式电源规划，存在较多敏感负荷用户和直流负荷的一些新型科技园区，现有的配电网拓扑结构不能满足其运行要求。因此为适应新型科技园园区的规划发展，在珠海唐家湾建设了电压等级为±10 kV、换流容量为40 MW的多端柔性直流配电网，包括唐家（20 MW）、鸡山I（10 MW）、鸡山II（10 MW）换流站与科技园降压换流站（2 MW）^［7］。通过该多端柔性直流混合配网系统既可以将光伏等分布式能源就近消纳，也可以通过该柔直配网将清洁能源送出并网。同时工业园区内也规划建设了光伏，电动汽车充电站及储能电站。电动汽车充电桩连接的双向DC/DC变换器，不仅可以在需要充电时从直流母线为电动汽车充电，也可以在两端电源故障后电动汽车接入充电站通过DC/DC换流器为区域内负荷供电。光伏电站在白天既可以将发出的能量通过直流变压器配送到直流母线为园区内负荷供电，也可将多余的电能存储到储能电站中。同时在系统不能为工业园区供电时，该工业园区通过光伏电站、储能电站及系统内负荷等形成一个直流微电网，为系统内的负荷供电，相当程度上可提高系统的供电可靠性。

三端中低压柔性直流配电系统以110 kV鸡山变电站中两段10 kV母线和110 kV唐家变电站其中一段母线作为主电源，分别新建10 kVAC/ VAC kVDC柔性换流站——鸡山换流站I、II和唐家换流站III，从而建立三端直流系统，其中鸡山换流站II至±10 kV科技园开关站的±10 kV线路T接一回 ±10 kV线路至±10 kV科技园降压站。在科技园降压站配置一台±10 kV/±375 V//±110 V三端口直流变压器，±375 V直流微电网接入0.2 MW屋顶光伏、1 MW/1 MWh电化学储能、1 MW直流充电桩等灵活性资源。±110 V直流端口接入直流空调、直流照明形成多端柔直配网典型网络，如图1所示。

Figure 1.  Diagram of flexible DC distribution network

可靠性研究与网络架构设计是柔直配网技术研究的基础内容。具体研究内容包括如下两个方面：一方面，制定具有针对性的配网三层可靠性评价指标体系（元件—负荷点—系统），提出相应的可靠性评价方法并进行完善；另一方面，针对典型应用场景，提出合理的网络拓扑结构，采用上述可靠性评价指标体系和方法对拓扑结构进行分析比较，研究步骤如图2所示。

Figure 2.  Reliability research steps of flexible DC distribution system

由于柔性直流配网与传统交流配电网在可靠性评估上并无太大区别，因此多端柔直配网的可靠性评价指标体系可参照交流配网中的各项评价指标建立，通过供电的充裕度和安全性这两方面反映系统满足持续工作的能力。目前，交流配电系统可靠性指标主要依据的标准为IEEE Std 1366—2003及我国采用的DL/T 836—2003，可以分为系统侧指标和用户指标两类^［8］。

系统侧指标能够反映系统的重要性和停运的严重程度；用户侧可靠性指标侧重描述不同负荷量受停电影响的大小。已有的研究主要用ASAI、SAIFI、SAIDI和CAIDI等指标来衡量配电网的可靠性。目前，影响直流配电系统可靠性的因素主要包括：网络的拓扑结构、敏感负荷的接入位置、主接线方式、关键设备的可靠性等^［9］。对应的常用的评价指标如下：

年故障率λa、年检修率λb、平均故障修复时间ra，平均检修持续时间rb等可作为柔直配网可靠性评估的初始数据。

年平均停电率：

年平均停电时间：

平均停电持续时间：

上述式中研究对象为能造成负荷点c停电的元件集合。

式中：Nc为用户数（户）；Lc为系统中的平均负荷（MW）。

相比较于交流配网，柔直配网具有换流阀、直流断路器、直流变压器等新型设备。直流断路器与直流变压器虽然原理上完全不同于交流配网的对应设备（交流断路器和交流变压器），但在可靠性建模方面仍是一个简单的两状态模型（两个状态分别为运行和故障）。考虑到现中低压等级的直流断路器与直流变压器尚处于早期应用阶段，其可靠性参数有待更多实际工程的总结，可采用元件计数法（PCRP）对直流变压器和直流断路器的故障率进行预测^［9］。换流阀作为柔性直流配电系统的核心单元，由于目前柔直配网的工程尚少，难以得到足够的柔直换流阀运行数据。因此可借鉴已投运的换流站统计数据，对柔直换流阀进行建模。交流器件的可靠性参数参考根据已有文献^［2-4］，同时要考虑一些器件无修复时间，需选用其更换备用时间。

在珠海柔直配网示范工程中，直流变压器包括±10 kV、±375 V、±110 V三个端口。三端直流变压器基于模块化级联拓扑结构，采用多个功率模块低压并联、高压串联的方式，如图3所示。通过PCRP预测直流变压器的年故障率为0.320 6次/a^［9］。

Figure 3.  Diagram of DC transformer

可靠性预测模型如图4所示：

Figure 4.  Reliability prediction model of DC transformer

柔直换流阀作为柔性直流配电系统的核心单元，包括交流设备、换流阀、直流设备、控保系统和其他等多个部分组成，如图5所示^［10］。通过PCRP预测VSC的年故障率值为2.363 2次/a。

Figure 5.  Reliability prediction model of VSC

直流断路器拓扑结构如图6所示，主要包括：快速机械开关支路（A）、电力电子开关支路（B）、耦合负压电路（C）和系统能量吸收支路（D）。除此之外，还包括控制保护系统（E）及外部电源高压隔离供电电路（F）^［10］。如图6所示。通过PCRP预测直流断路器的年故障率值为0.281 6次/a。

Figure 6.  The diagram of DC circuit breaker

可靠性模型如图7所示：

Figure 7.  Reliability prediction model of DC circuit breaker

目前直流配电系统的电压等级和拓扑结构缺少统一的标准，因此可以借鉴交流配电网的研究思路和方法对柔性直流配电网拓扑结构进行分析。交流配电网已经投运多年，相应设备和线路的可靠性参数可以基于历史统计数据和运行经验来计算，得到的结果相对可靠。而柔性直流配电网缺少运行实例，已有的示范工程投运时间不长，运行数据积累尚不充分。此外，项目中使用的部分示范性电气设备也不一定具有工程推广价值，因此缺少设备的可靠性数据。这个问题在短期内仍然难以解决，但是计算时可以参考相应参数的大致范围，从而得到系统各项指标，并且计算结果一般具有统计规律，可以为实际直流配电系统提供参考。

交流配网分析可靠性的方法有模拟法和解析法等^［10］。解析法是通过枚举系统元件状态计算系统设备的整体可靠性，结果取决于单一设备的可靠性和各个设备之间的连接方式，该方法能够真实反映系统结构，模型精确，但计算量随着系统元件个数的增加呈现指数增长，复杂网络的分析必须借助计算机才能实现，因此适用于简单小系统；为了减小计算难度在此基础上提出了若干改进算法，如最小路法基本思路是对系统拓扑进行简化处理，通过处理算例的系统和简单系统时验证了方法的可行性^［9］。

根据1.2节中多端柔性直流配电典型网络架构的特点，可采用解析法中计算较为精确的最小路法计算拓扑结构的可靠性。首先以网络拓扑中各个负荷点为研究对象，找出负荷点至不同电源点的供电路径，然后将柔直配网的关键元件的可靠性参数代入至通过简化后的串并联网络，进而计算出负荷点的指标，再通过串并联网络的计算公式可以迅速计算出系统的可靠性指标。其具体流程如图8所示：

Figure 8.  Reliability evaluation process of flexible DC distribution system

通过对典型应用场景拓扑结构图进行化简，对同一支路的元件进行集合，可直观地求解出负荷点的所有供电线路。假设负荷点的用户数为100，鸡山换流站I和II到科技园开关站线路长度为0.6 km，唐家换流站到开关站线路长度为5.15 km。通过最小路分析计算，可得系统的可靠性参数如表1。

典型应用场景拓扑图如图9所示。无直流断路器情况为只去除拓扑中与直流负载相连的直流断路器；无VSC情况为去除拓扑中的换流站；相同拓扑的交流情况为去除拓扑中的换流站，同时将拓扑中的直流断路器换为相同电压等级的交流断路器。

Figure 9.  Topology of typical project

系统无直流断路器情况、无换流站情况及相同拓扑的交流情况下得到系统的可靠性数据如表2，不同情况的可靠性参数对比如图10~图13所示。

Figure 10.  Comparison of SAIFI of different topology systems

Figure 11.  Comparison of SAIDI of different topology systems

Figure 12.  Comparison of CAIDI of different topology systems

Figure 13.  Comparison of ASAI of different topology systems

通过图10可知，无直流断路器拓扑去除与负荷直接相连的直流断路器后，整个系统的故障率有明显的下降。其原因在于去除掉与负荷直接相连的直流断路器后会直接影响到用户侧负荷的故障率，而无VSC换流站拓扑，由于本项目的拓扑结构是多端供电，负荷的供电可靠性与其直接相连的器件故障率关联较大，故无VSC换流站拓扑下降较小。相同结构的交流拓扑中由于交流各元器件技术成熟，故障率较直流的各元件低，因此其平均停电频率较低。虽然无直流断路器的拓扑结构系统平均停电频率是最低，但其拓扑结构中去除直流断路器后不易于控制电路，发生故障时难以切除故障，会使事故扩大等。因此对正常直流拓扑而言，改善邻近负荷点的直流器件的可靠性参数或及时检修此处器件，可起到降低系统平均停电频率的作用。

通过图11可知，无直流断路器拓扑和交流拓扑结构的系统平均停电时间较低，且较为接近，无VSC换流站拓扑结构的时间和正常直流拓扑结构的系统平均停电时间较为接近。是因为该拓扑结构中有三个VSC的换流站，各个换流站一端连接电源，另一端通过直流断路器和直流电缆等器件连接至负载，换流站故障率虽然较高，但从多端柔直配网的拓扑结构来看，三个换流站同时发生故障的概率是较小的，因此无VSC直流拓扑结构和正常直流拓扑的系统平均停电时间几乎相等。而无直流断路器拓扑和交流拓扑结构是由于其系统平均停电频率较低，且其元器件修复时间相差不多，因此使得无直流断路器拓扑和交流拓扑结构的系统平均停电时间较低。

通过图12可知，正常直流拓扑和无VSC直流拓扑停电用户的平均停电持续时间较为接近，而无直流断路器拓扑和交流拓扑的停电用户的平均停电持续时间较高。是因为无直流断路器拓扑中去除了与负荷直接相连的直流断路器，而直流断路器的修复时间相较于其他元器件修复时间较短，因此会使停电时停电用户的停电时间增长。而交流拓扑中一些交流器件的元件修复时间较长，使用户的平均停电持续时间较长。

由图13可知，正常直流拓扑在不同情况下系统平均供电可用率供较为接近。是由于正常直流拓扑在不同情况下系统的平均停电时间较为接近，因此使得拓扑在不同情况下平均供电可用率都较为接近。

综合以上分析可知，通过降低拓扑中直接与负荷相连器件的故障率可明显提升系统各项可靠性指标，因此，随着直流技术的不断进步，直流断路器、直流变压器等器件故障率将会下降，从而提升柔直配网系统的可靠性。

柔性直流配电网让潮流灵活可控，集合了故障切除速度快，电能质量更好，可靠性高，功率密度高，输送距离更远，节省输电走廊，方便新能源接入减少转换环节损耗等多种优点，其带来的经济技术价值是可观的^［11］。由于网络拓扑和负载类型会影响经济性评估的结论。因此，现阶段对比柔性直流配电网的经济性需根据不同项目情况进行分析。本文将以珠海唐家湾多端柔性直流典型网络为例，对典型应用场景的经济性进行评估，得出以下效果评估：

1）利用柔性直流配电网的可控性，实现鸡山唐家站间20 MW的功率互济，解决交流系统的负载不平衡问题，将唐家站主变负载率由70%降低到47.7%，延缓唐家站扩建主变与相应的110 kV及10 kV线路建设，延缓投资500万元以上。同时可以提高鸡山站变压器容量利用率20%，降低变压器损耗比50%。

2）柔性直流换流阀的发出无功能力高达±柔性直，可以大幅度提升区域电网的无功与电压控制能力，可减少对该区域系统的无功补偿设备的投资。

3）柔性直流配电网方便新能源接入，通过对产品化的光伏、储能AC/DC PCS装置、AC/DC充电桩等进行较小改造，并接入直流空调和直流灯具等电器设备，实现了直流电源与用电设备直接接入直流微电网的功能，减少了交直流转换环节，减少损耗约3%以上。

到目前为止，柔性直流配网的成套与工程设计技术尚处于示范验证阶段，部分的核心器件需要进口，国产器件需要自主研制开发，导致设备商研发的成本较高。但随着国内柔直配网技术的进一步发展和同类工程项目量的增长，产业链将成熟与完善，投资成本与整体传输损耗将不断降低。从这一角度来看，柔性直流配电网的经济性具有巨大的发展潜力。

本文以珠海唐家湾多端柔直配网示范工程拓扑为基础，采用最小路法对柔性直流配电系统网络架构进行可靠性评估计算，对比了不同拓扑的可靠性，并评估了柔直配网典型工程的经济性，得出如下结论：

1）由于柔性直流配电网的关键设备直流断路器、直流变压器和VSC技术研究尚不成熟，故障率对直流配电网可靠性的影响比较大。

2）在现有关键设备制造水平下，相对于传统的交流配网，柔直配网的可靠性仍然较低，但随着IGBT和IGCT等器件国产化和成熟化，柔直配网的可靠性将逐步提高。

3）现阶段柔直配网投资成本仍高于交流配电网，但随着智能电网的建设，柔直配网建设将带动相关设备制增长，柔性直流配电网仍存在较大的降价空间。

随着城市配电网的不断发展的，柔性直流技术在提升配网互联互动、灵活可控，促进分布式能源建设发展等方面的独特优势，将成为配电网未来发展的新技术方向。对柔直配网的可靠性和经济性评估是推动直流配电发展的重要环节，是柔性直流配电网普遍化之前必须解决的问题。