Flexible Interconnection Strategy of Distribution Network Based on IGCT

配电网作为电力资源从生产者到消费者的关键环节和最终环节^[1]，是电力系统的重要组成部分，保障着电网的供电质量和供电能力。为了限制系统的短路电流，避免出现电磁环网，同一个地区的中压配电网通常采用“闭环设计、开环运行”^[2]的方式，正常运行时断开配电线路间的联络开关，当其中一个回路电源检修或故障时，闭合联络开关进行转供电。

随着社会经济发展，配电网在不断更新和完善，同时也面临着一系列问题：社会经济的不均衡发展导致的负荷增长不一致，各馈线负荷分流不均；“新基建”发展驱动下的数据中心园区大规模建设，配电网结构不断变化，负荷特性逐渐多样化^[3-4]；开环运行影响了中压配电网供电可靠性。统计表明，80%以上的用户停电是由配电网侧引起。即使经配电自动化改造的开环配电网，在倒闸操作时仍会短时停电；随着中国“碳达峰、碳中和”目标的提出，构建以新能源为主体的新型电力系统是中国实现双碳目标的关键途径^[5]，大量分布式电源、储能等接入配电网，以及高新产业的发展，用户对于供电可靠性和供电质量的要求也日益提高^[6-7]，配电网呈现运行方式多样、潮流转供形式复杂等特点，传统配电网及其运行方式已无法适应建设新型电力系统的要求。配电网不同电源间的合环互联会显著增加系统的短路电流，同时，由于不同变电站馈线出口处电位差及回路阻抗差的影响，系统中可能出现很大的环流，严重影响电网的安全稳定运行。基于此，有着众多技术优势的柔性直流输电技术^[8]在配电网的应用也越来越受到关注。

柔性互联是柔性直流输电技术在配电网中的应用之一，也称为柔性软开关（Soft Open Point，SOP）^[9-10]，有端口间功率连续调节能力，正常运行时可进行有功无功调节、潮流方向控制和电压调节，事故情况下可进行故障隔离及供电恢复^[11]，可提高对分布式能源的消纳能力，提升供电可靠性和运行稳定性。目前国内已建的具有代表性的中压柔性直流配网工程包括杭州江东新城智能柔性直流配电网示范工程^[12]、贵州中压五端柔性直流配电工程^[13]、珠海唐家湾三端柔性直流配电网项目^[14]、北京延庆多端柔性闭环中压配电网示范工程^[15]等，以上项目基本情况如表1所示。

同时，现有工程中，柔直系统所使用较多的开关器件是工艺成熟的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）。与此同时，IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor，集成门极换流晶闸管）器件是一种电流控制型器件，有着通流能力强、阻断电压高、开关损耗低、可靠性高及成本较低等优点^[16]，也越来越多的受到关注并应用于实际工程中。

文章介绍一种适用于土地资源紧张、负荷密集且不均匀地区基于IGCT器件的中压配网柔性直流背靠背互联方案，重点对比分析系统接线、关键设备选型以及站区整体布置，为后续工程提供参考。

柔性直流系统的接线型式主要有以下3种：不对称单极接线、对称单极接线（也称伪双极接线）和对称双极接线（也称真双极接线），如图1所示，图中联接变仅为示意。

Figure 1.  Three configurations of flexible DC system

不对称单极接线型式中直流侧仅有1条极线，通过大地或金属回线构成直流回路，极线对地电压为直流极间电压。这种接线方式结构简单，造价较低，但可靠性较差。此外，对于采用大地回线的单极不对称接线，直流系统正常工作时，大地会流过直流电流，需设计专用接地极，入地电流还会在周围设备上产生直流偏置，影响设备运行。这种接线方式多用于容量较小的低压直流配电系统。

对称单极接线型式中直流侧为对称的两条极线，极线对地电压仅为直流极间电压的一半，降低了直流设备的工作电压；同时联接变阀侧交流设备工作在对称条件下，不承受直流偏置电压，降低了对设备绝缘的要求。

对称双极接线方式由两个不对称单极接线系统组成，正常工作时，正、负极线对称运行，金属回线或大地回线仅流过不平衡电流，数值通常只有数安培。当一极因故障或检修退出运行，另一极仍可正常工作，系统可继续输送一半的额定容量。对称双极接线方的极线对地电压同样为直流极间电压的一半，但正、负极需要配置两套独立的换流系统，设备和建设成本较高，多用于大容量远距离输电场景。

3种接线方式的比较如表2所示。考虑到项目建设在土地资源紧张区域，且配网柔直互联系统对于传输容量的需求较小，通常为10 MVA级别，同时从降低项目投资的角度，推荐采用对称单极接线。

配置联接变压器的方案为：两侧交流系统经联接变压器连接MMC（Multiple Modular Converter，模块化多电平换流器）换流器，经MMC换流器变换到直流后互联，其接线方式如图1（b）所示。正常运行时，一侧换流器工作在定直流电压模式，稳定直流极线电压，另一侧换流器工作在定电流或定功率状态，控制柔直互联系统输送的功率。

中压配电系统一般采取非有效接地方式，联接变压器网侧采用△接线，联接变压器阀侧采用Y型接线，中性点采取大电阻接地形式为柔直系统提供可靠的零电位参考。Y/△接线变压器零序等值网络如图2所示^[17]。图中X_I、X_II为变压器各绕组的正序电抗，X_u0为变压器的零序励磁电抗。

Figure 2.  Equivalent circuit of transformer with Y/Δ connection

可以看出，联接变压器的这一接线形式切断了联接变网侧至阀侧系统的零序通路，可以有效阻断三相电压不平衡、3k（k=1,2,3$ \cdots $）次谐波及零序分量在交、直流系统间乃至互联的两侧交流系统之间的传递，提升柔直互联供电的电能质量。由于联接变压器的隔离，一侧交流馈线的三相电压不平衡不会影响直流电压和电流的平衡，从而不会经柔直互联系统传递到另一侧交流馈线中。在一侧交流馈线发生不对称故障的暂态过程中，联接变压器也可以阻断不对称故障的传播。

10 MVA容量级别的联接变压器多采用油浸式变压器，其设备体积大，占地面积多，设备含油量较大，消防问题突出，在土地资源紧张地区使用并不占优势。也有工程采用12 MVA的干式联接变压器，但其体积和重量较一般的变压器大，且工作时振动和噪声较大，在负荷密集区域使用会对周围居民产生影响，需采取抑制措施。

直流变压器（DC Transformer，DCT）是一种电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET），通常由电力电子电路和高频变压器组成的，具有类似于传统工频变压器电压等级变换和电气隔离功能^[18]。配置直流变压器的电气接线如图3所示。

Figure 3.  Configuration of flexible interconnected system with DCT

DCT基于电力电子技术，将变压器原方的直流量变换为高频量，再经高频变压器和电力电子器件变换成需要的直流量后输出，高频变压器主要起隔离和变压作用。由于变压器的铁心体积与其工作频率成反比，因此高频变压器整体体积较工频变压器小得多，转换效率也更高^[19]。两种常用的DCT拓扑为DAB电路拓扑和LC谐振性电路拓扑。

采用直流变压器方案，可减小柔直系统的重量和体积，同时可实现互联两侧交流系统的电气隔离。并且与传统的联接变压器相比，直流变压器灵活性更高，具有调节电能质量的能力和多端口运行功能，方便分布式能源和储能设施直接以直流型式接入。两端换流器均可以构造出中压直流母线段供远期扩展接口。

根据以上分析，直流变压器主要以电力电子器件组成，隔离变压器采用高频变压器，为干式结构，不含油，消防问题相比于含油变压器小，整体体积更小，是土地资源紧张地区是一个较好的解决方案。

柔直系统中的开关器件需采用全控型开关器件，常用的有IGBT、IGCT和IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor，注入增强门极晶体管）。3种开关器件的图片如图4所示。

Figure 4.  Three kinds of semiconductor switches

IGBT在中高压领域应用广泛，工艺成熟，但其导通压降和损耗较高，阻断电压有一定的限制。IEGT是一种改进型的IGBT，具有导通压降低、工作频率高、易于串联使用等优点，但成熟度不够高，在中高压领域应用很少。IGCT具有通流能力强、导通和关断损耗低、阻断电压高等特点^[20]，近年来已有较多的工程应用^[21]。这3种器件的主要优缺点如下表3所示^[22]。

换流器是柔直互联系统的重要组成部分，完成AC/DC和DC/AC变换，其主要组成部分为全控型功率开关器件和直流电容。为了节省成本，在高压输电领域，柔直换流器多采用半桥拓扑结构。由于半桥结构不具备直流故障自清除能力，通常需要配置直流断路器或者跳开交流测断路器以隔离故障。截至目前，直流断路器的造价仍然较高。“全桥+半桥”混合拓扑的柔直换流器有故障自清除能力^[23]，当直流系统发生故障时，可快速闭锁柔直换流器以隔离故障。在中压领域，由于电压等级较低，子模块的数量较少，采用全桥+半桥拓扑的换流器相比于半桥拓扑换流器+直流断路器方案可降低成本，推荐采用“全桥+半桥”拓扑的换流器。

开关器件选择时，需考虑电容电压波动及器件开通和关断时产生的电压尖峰，工程实际中选择开关器件时，其额定电压一般为工作电压的1.5～2倍。珠海唐家湾柔直配网项目直流电压为±10 kV，IGBT器件额定电压选择为1 700 V，单桥臂子模块数量为28个，其中3个冗余模块^[21]。为了使柔直互联系统更加紧凑，可使用阻断电压更高的IGCT器件，减少子模块数量。同样，直流电压为±10 kV，IGCT器件标称电压可选4 500 V，子模块额定工作电压2 500 V，每桥臂子模块数量为8个，另设2个冗余模块。相比于IGBT器件，子模块数量大大减少，相应的换流阀的体积和重量也大大减少，整体的造价也降低。结合前文的分析，IGCT有着较多的优点和应用前景，开关器件推荐采用IGCT。

直流变压器一般分为隔离型直流变压器和非隔离型直流变压器两种。为了对柔直互联两侧进行电气隔离，推荐采用隔离型直流变压器。

隔离型直流变压器又可分为移相型和谐振型两种^[24]。移相型又以DAB（Dual Active Bridge，双有源桥）为主，基本结构如下图5所示。LC谐振型电路拓扑如图6所示。

Figure 5.  The topology of DAB

Figure 6.  The topology of LC resonant circuit

移相型电路拓扑是通过原副边H桥电路的移相，实现类似梯形波的电流波形，其特点是导通损耗小，可实现双向功率流动，控制较简单，电压范围和容量较大。谐振型电路拓扑利用内部谐振电感和谐振电容形成类似于正弦波的谐振，其特点是开关损耗小，控制较复杂，且只能实现功率单相流动，输送的容量也较小。根据其特点，推荐柔性直流互联系统DCT采用移相型DAB拓扑。

直流变压器采用基于DAB中频功率模块的模块化设计，可有效阻断交、直流系统中的零序分量。直流变压器的存在使得原有的单一直流母线分离成两段独立的直流母线。同上文所述，直流变压器仍采用“全桥+半桥”混合拓扑，具备故障自清除能力。通过闭锁直流变压器，一侧直流母线故障情况下另一侧直流母线可以继续正常工作，非故障侧柔直换流器仍可继续为系统提供无功支撑。

同前文，推荐开关器件采用IGCT，器件选型及桥臂子模块数量与柔直换流器相同。

桥臂电抗器位于换流器上下两个桥臂上，其主要作用为：（1）起着联接电抗的作用；（2）抑制桥臂环流；（3）限制故障电流上升率。增大桥臂电抗器阻值也可减缓故障电流的增长速度，限制故障电流的峰值。但是放电回路中桥臂电抗器的等效值仅为原来值的1/3，因此其限制效果有限，一般可增加直流限流电抗器的阻值来实现保护配合。实际工程应用时还需要考虑电抗器本身的体积、价格等因素，过大的电抗阻值可能给系统稳定性带来一定影响。

常用的电抗器有铁芯和空心两种。与空心电抗器相比，铁芯电抗器体积小，但重量重，且存在铁芯饱和的可能。空心电抗器漏磁较大，对钢筋混凝土建筑物以及控制保护设备均有一定的影响。预制舱内空间有限，桥臂电抗器推荐采用体积更小的铁芯电抗器。

配网项目一般规模较小，常采用开关房内布置或者户外箱式布置。对于柔直互联项目，柔直换流器、直流变压器等均是模块化设计，电抗器采用干式电抗器，均便于采用集装箱式布置。而采用集装箱式布置占地面积小，布置灵活，可采用工厂组装、现场整体吊装就位的方式，现场施工周期短，被越来越多的工程所采用。

根据功能分区，对于双端柔直互联项目，一般可分为4个集装箱（舱室），分别为#1 MMC舱、DCT舱、#2MMC舱及二次设备舱，MMC舱布置有交流进线设备、交流启动柜、柔直换流器及部分直流设备，DCT舱布置有直流启动柜及DCT，二次设备室布置有控制保护设备及站用电屏柜。舱体的尺寸可根据实际需要进行标准化设计，各舱室也可根据用地情况灵活布置，各舱室之间采用电缆沟连通，用于敷设连接电缆。对于MMC舱和DCT舱，可在舱壁开门，用于设备检修维护，不考虑舱内的维护通道，减小舱体大小。各舱之间的距离满足设备检修用叉车通行即可，满足转运距离，一般情况下3 m即可满足要求。常见的布置如图7和图8所示。

Figure 7.  Single-row parallel arrangement for the containers

Figure 8.  Double-row parallel arrangement for the containers

实际工程中也可根据场地情况将舱体一字型布置。在用地特别紧张的地区，也可采用多层布置的型式，若冷却设备、空调等辅助设施不布置在舱顶，设备舱可直接叠装；若辅助设施布置在舱顶，增加钢构架即可，具体可根据工程需要进行。一种冷却设备、空调外机等布置在设备舱顶的两层布置方案如图9所示。

Figure 9.  Double-layer arrangement for the containers

文章介绍了一种适用于负荷密集、土地资源紧张区域的配电网柔性直流互联策略，主要结论如下：

1）对于配电网柔性直流互联系统，推荐采用对称单极接线，采用直流变压器代替传统的联接变压器，运行灵活性更高，也可减小柔直互联系统的体积和重量；同时，不采用含油的联接变压器，可降低消防风险。

2）柔直换流器和直流变压器推荐采用全桥+半桥混合拓扑，相比于直流断路器方案经济性更优，柔直系统更紧凑；对于±10 kV系统，功率器件采用额定电压为4500 V IGCT，相比于额定电压1700 V IGBT器件功率模块数量大幅减少，总体体积、重量及工程造价也大幅降低；直流变压器采用基于DAB中频功率模块的模块化设计，可有效阻断交、直流系统中的零序分量，其开关器件也推荐采用IGCT；桥臂电抗器推荐采用铁芯电抗器，体积小，可减少占地。

3）换流站布置推荐采用集装箱式，可根据实际需要进行标准化设计，占地面积小，布置灵活。