直流配電網(wǎng)關鍵技術及展望

康青，馬曉春，葉衛(wèi)華，袁蒙

(1.北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044;2.智研院中電普瑞科技有限公司，北京 102200)

0 引言

配電網(wǎng)是指從輸電網(wǎng)到用戶之間的網(wǎng)絡結構，由配電線路、配電變壓器及附屬設施組成，在電力網(wǎng)中起分配電能的作用。傳統(tǒng)配電網(wǎng)采用交流配電方式，利用變壓器的電磁感應原理改變電壓?，F(xiàn)代電網(wǎng)面臨大量分布式發(fā)電并網(wǎng)等挑戰(zhàn)，采用傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)方式無論對于分布式發(fā)電，還是對于現(xiàn)代化的直流用電設備，都必須經(jīng)過多級變流環(huán)節(jié)，這勢必增加系統(tǒng)的復雜程度和設備損耗，同時提高了設備制造成本。而直流配電網(wǎng)采用直直變換技術，利用晶閘管和自關斷器件來實現(xiàn)通斷控制，將直流電壓斷續(xù)加到負載上，通過通、斷的時間變化來改變負載平均電壓[1]。直流配電網(wǎng)與分布式電源接入靈活、設備投資低、電能質(zhì)量高及供電可靠性好，已引起國內(nèi)外學者的關注。

直流配電技術涉及電網(wǎng)規(guī)劃、工程經(jīng)濟、經(jīng)濟運行等一系列技術問題，本文從直流配電網(wǎng)的拓撲結構著手，以放射狀低壓直流配電網(wǎng)為例分析并歸納總結了直流配電網(wǎng)的拓撲特點;提出了采取配電網(wǎng)交直流同線饋送方式，有利于分布式電源的接入;分析了專家PID控制，為直直變換的控制方法提出了新思路;針對發(fā)生故障時配電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運行問題進行了研究;最后，以無中央控制單元的工業(yè)低壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)及適用于居民住宅帶熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的低壓雙極型直流微網(wǎng)為例，詳盡地說明了直流配電網(wǎng)技術的可行性與應用前景。

1 直流配電網(wǎng)的拓撲結構

直流配電網(wǎng)系統(tǒng)的接線方式主要有放射狀、環(huán)狀與兩端配電。通常放射狀配電網(wǎng)供電可靠性相對較低，但一次投資少，繼電保護配合簡單，故障識別及保護控制配合等相對容易;環(huán)狀與兩端配電網(wǎng)供電可靠性相對較高，但一次投資高，繼電保護整定復雜，故障識別和保護控制配合等也相對困難。因此，直流配電網(wǎng)應根據(jù)供電可靠性、供電范圍及投資等實際工程的需要，采用不同的電壓等級和拓撲結構[2]。直流入戶的實現(xiàn)涉及多級直流配電網(wǎng)，所選接線需保證供電可靠、電能質(zhì)量高、經(jīng)濟性、運行靈活、操作安全等指標[3]。中壓直流配電網(wǎng)的部分電能需經(jīng)直流降壓裝置送到低壓直流配電網(wǎng)再供用戶使用，以放射狀低壓直流配電網(wǎng)為例，如圖1所示。

2 技術特點和應用領域

2.1 技術特點

與傳統(tǒng)交流配網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)主要有以下特點:

圖1 放射狀低壓直流配電網(wǎng)示意圖

1)提高電能質(zhì)量

直流系統(tǒng)用戶側(cè)電能質(zhì)量主要考量電壓偏差和波動。直流母線的存在隔離了用戶側(cè)頻率偏差對更高電壓等級配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)的影響，電能質(zhì)量也可相應地進行區(qū)域化管理。柔性直流配電網(wǎng)中的換流器可以靈活發(fā)出或吸收無功功率，從而動態(tài)補償交流母線和用戶負載的無功功率，并穩(wěn)定交流母線和用戶側(cè)交流電壓[4]。

2)有利于電網(wǎng)設備的優(yōu)化設計

直流配電網(wǎng)只有正負兩極，能節(jié)省大量的線路建設費用。兩條極性相反的架空線通常采取相鄰排布，對外界產(chǎn)生的磁場幾乎可以完全抵消，故可與煤氣、水管敷設在同一管道，節(jié)省空間資源。相同有效值的直流電壓的峰值約比交流電壓小40%，減少電纜絕緣介質(zhì)的投資。

在直流配電網(wǎng)的情況下，分布式電源及儲能裝置的接口設備與控制技術相對簡單，且分布式電源通過直流方式集中并網(wǎng)，較交流分布式并網(wǎng)接入方式對交流電網(wǎng)影響更小，設備投資更低。

3)滿足負荷特性的要求

我國用電量的70%左右都由動力負荷消耗，通過直流供電可省去變頻器中的整流器部分，傳統(tǒng)電機負荷采用變頻調(diào)速技術可以節(jié)能降耗并有效提升電機的工作性能和運行效率。同時，多數(shù)家電可以采用直流供電，運行時產(chǎn)生的電壓和電流紋波大幅降低，電能損耗可相對減少15%以上[5－7]。

2.2 應用領域

1)分布式電源并網(wǎng)及微網(wǎng)建設

微網(wǎng)中的光伏電池、燃料電池等新能源發(fā)電為直流電，風力發(fā)電所提供的交流電通常先通過整流器變換為直流電，故直流配電網(wǎng)更有利于分布式電源并網(wǎng)。同時，低壓直流配電網(wǎng)將是未來微網(wǎng)發(fā)展的新方向。

2)構成城市直流輸配電網(wǎng)

大中型城市的空中輸電走廊余地已經(jīng)很小，采用電纜輸電是滿足電力增容的合理方法。直流電纜比交流電纜占有空間小、輸送有功多。隨著技術的進步，直流用電有望成為提高生活質(zhì)量、節(jié)能降耗的主要用電形式。因此，在直流電纜的基礎上配以直流配電網(wǎng)，有望成為未來城市增容的最佳途徑。

3)工業(yè)用戶低壓直流配電網(wǎng)

工業(yè)用戶通常安裝有直流電動機負荷，多數(shù)用電設備都可以使用或很容易改造成直流用電方式。直流配電網(wǎng)方式可以有效降低工業(yè)用戶的投資，避免電能質(zhì)量問題對生產(chǎn)造成的不良影響。

4)不同連接方式的非同步運行

連接不同額定頻率或相同額定頻率的交流系統(tǒng)的非同步運行。直流配電網(wǎng)不存在頻率偏差、三相電壓不平衡、諧波污染等問題，用于連接不同額定頻率或相同額定頻率的交流系統(tǒng)的非同步運行非常有利。

3 直流配電網(wǎng)的關鍵技術

3.1 交直流同線饋送方式

配電網(wǎng)交直流同線饋送方式是針對分布式電源的發(fā)展提出的一種新型配電網(wǎng)電源饋送方式。在滿足饋電線路電氣特性要求的前提下，讓直流電和交流電一同在配電網(wǎng)相關線路上傳輸。

相對純交流饋送方式，交直流一同在配電網(wǎng)相關線路上傳輸可以使線路的功率損耗顯著降低、線路的電壓分布更均衡。在有直流負載或倍頻負載的地方，直接的或通過簡單的變換供給相應負載，總體投資水平明顯低于交流。直流部分的有功功率可以和交流配電網(wǎng)進行盈虧調(diào)劑，從而實現(xiàn)全網(wǎng)的功率平衡。交直流同線饋送方式為直流配電網(wǎng)提供了新思路[8]。

文獻[9]提出了基于分布式直流電源配電網(wǎng)的交直流同線饋送方案，借助于現(xiàn)有的交流配電網(wǎng)線路實現(xiàn)分布式直流電源電能的傳輸。該方式下疊加的電壓只與交流電壓和負荷有關，與饋電線路參數(shù)無關，其大小可根據(jù)設置有功功率損耗比例系數(shù)和絕緣要求配合給定。并從對環(huán)境的影響、穩(wěn)態(tài)性能和短路暫態(tài)電流三個方面論證了方案的可行性。

3.2 DC-DC變換器的控制技術

傳統(tǒng)的DC－DC變換器控制多用模擬系統(tǒng)實現(xiàn)，一般采用經(jīng)典的PID控制或改進型PID控制。為滿足不同偏差e和偏差的變化ec對PID參數(shù)自整定的要求，利用自適應規(guī)則控制在線對PID參數(shù)進行修改，便構成了參數(shù)自整定PID控制器，即專家PID控制器，控制框圖如圖2所示[10]。

圖2 專家PID控制框圖

目前直流變壓設備價格相對昂貴，自身功耗較高，且運行維護復雜，這些都限制了直流配電網(wǎng)技術的進一步發(fā)展。隨著計算機技術和控制理論研究的發(fā)展，現(xiàn)代控制技術中的一些理論和方法已應用到DC－DC變換器的研究中來。一些文獻提出了狀態(tài)反饋控制，非線性控制，自適應控制，滑模變結構控制，函數(shù)控制以及智能控制(包括模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法)等。這些研究工作尚處于理論分析和仿真研究的階段，如何結合直流配電網(wǎng)設計的實際要求應用現(xiàn)代控制理論的最新研究成果則顯得尤為關鍵。

3.3 直流配電網(wǎng)保護研究

直流配電網(wǎng)系統(tǒng)故障類型較多，消除每種故障或異常狀態(tài)的方法有所區(qū)別，大多數(shù)直流保護動作都配合控制系統(tǒng)來進行故障隔離和消除。采用保護、控制集成方案可以降低保護系統(tǒng)的復雜性，降低系統(tǒng)成本，減少保護動作時間，是未來直流配電系統(tǒng)保護技術的發(fā)展方向之一[11－13]。

直流配電網(wǎng)保護系統(tǒng)設計時需要考慮電力電子設備特性和系統(tǒng)結構特性之間的影響。保護需要在直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中設計增加額外設備，該額外設備可以整合到逆變器中。部分保護設備可與傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)中廣泛應用的保護設備整合，如直流連接采用用戶網(wǎng)絡中過流保護已有的斷路器。

單控制器控制單逆變器的直流配電網(wǎng)結構如圖3所示。每個負載連接到有電流測量或簡單過流保護的跳閘控制器，圖中的單個逆變器可以替換成多個逆變器，通過斷路器的負載供電不變。單個逆變器系統(tǒng)中，跳閘控制器可以實現(xiàn)逆變器的控制，但是在多個逆變器系統(tǒng)中，控制結構決定于逆變器類型:獨立型或者主從型。

圖3 單控制器控制單逆變器

常用的單控制器控制多個逆變器的直流配電網(wǎng)結構如圖4所示。多個逆變器可以為多個負載組供電，每個逆變器可以是獨立的單元，也可以由外部控制設備統(tǒng)一控制[14]。

圖4 單控制器控制多個逆變器

4 直流配電網(wǎng)案例分析

4.1 無中央控制單元的工業(yè)低壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)

該配電網(wǎng)系統(tǒng)采用直流環(huán)形母線結構，確保通過平行路徑向每個逆變器供電。整流器中的一個或者兩個通過專用線路連接至交流系統(tǒng)，降低子系統(tǒng)之間的互相影響。該系統(tǒng)具有UPS特性，為高優(yōu)先級負載連續(xù)供電。這種控制的好處是增強了系統(tǒng)可靠性，盡量減小故障范圍。整流器的分布電壓控制允許整流站之間電流共享，降低系統(tǒng)運行費用。通過選擇電壓降落斜率，很容易控制直流母線電壓水平[15]。

圖5 工業(yè)低壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)

4.2 適用于居民住宅帶熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的的低壓雙極型直流微網(wǎng)

2007年，日本提出了適用于居民住宅帶熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的低壓雙極型直流微網(wǎng)，對其基礎特性進行了研究，通過直流母線在住宅間分配功率，并在實驗室搭建了物理模型。實驗結果表明該系統(tǒng)能提供高質(zhì)量的電能，當主系統(tǒng)出現(xiàn)電壓下降時，該系統(tǒng)能繼續(xù)提供高質(zhì)量的電能，即使在負荷側(cè)發(fā)生短路，也不會影響對其他負荷的供電[16]。

5 結束語

直流電機、電力半導體、電能儲存、可再生能源發(fā)電等的快速發(fā)展，標志著直流供電的優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)。直流輸電技術在工程中的成功投運，也預示著直流領域廣闊的應用前景。國內(nèi)外學者正在努力探索直流配電網(wǎng)領域，隨著電力電子器件、計算機控制等技術的不斷發(fā)展，直流配電網(wǎng)的各種技術難題必將一一攻克。這一技術將由理論研究到仿真模擬，逐步進行試驗驗證，相信在不久的將來，直流配電網(wǎng)技術會逐步服務于我們的生活，實現(xiàn)智能電網(wǎng)的跨越式發(fā)展，為人類的用電史增添輝煌的篇章。

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