低壓直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

王振浩， 成龍

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

低壓直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

王振浩， 成龍

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外直流配電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，對(duì)配電系統(tǒng)構(gòu)架所包含的高壓配電母線(xiàn)的供電方式，低壓直流配電母線(xiàn)的構(gòu)成形式，高壓配電母線(xiàn)到低壓配電母線(xiàn)的連接方式，分布式電源的組織形式及分布式電源和負(fù)荷到低壓配電母線(xiàn)的連接方式等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，并探討了適合城市低壓直流配電網(wǎng)發(fā)展的合理電壓等級(jí)。最后，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有電網(wǎng)條件，針對(duì)城市直流配網(wǎng)的發(fā)展方向提出了建議。

直流配電；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；分布式電源；功率變換；分壓器

0 引 言

近年來(lái)，隨著電力負(fù)荷迅速增長(zhǎng)，新能源、新材料、信息技術(shù)和電力電子技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，用戶(hù)對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量等方面的要求不斷提高，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)已逐步暴露出其不可避免的諸多弊端[1]。

(1)伴隨著新型工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，用戶(hù)對(duì)滿(mǎn)足用電需求、提高供電質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)的要求逐步提高，而有限的供電走廊加大了對(duì)實(shí)現(xiàn)城市配電網(wǎng)高供電容量、遠(yuǎn)距離供電的難度，傳統(tǒng)配電系統(tǒng)已成為阻礙城市化發(fā)展的一個(gè)重要因素[2]；

(2)從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始，世界電力工業(yè)已由傳統(tǒng)的集中供電模式向集中和分散相結(jié)合的供電模式過(guò)渡。在全球能源、環(huán)境危機(jī)的大形勢(shì)下，分布式發(fā)電、大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)及微電網(wǎng)技術(shù)得以加速發(fā)展，總裝機(jī)容量不斷提升[3]。而如何將這些直流電源、變頻交流電源與傳統(tǒng)工頻交流電源高效、可靠、安全互聯(lián)，如何提高對(duì)新能源的接納能力，已成為亟待攻克的技術(shù)難題[4-5]82,62；

(3)隨著科技的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的快速發(fā)展，家庭用電模式發(fā)生了巨大變化，各種主流家庭用電設(shè)備更新?lián)Q代，這些直流負(fù)載和含有直流環(huán)節(jié)的負(fù)載直接或間接接入傳統(tǒng)配電系統(tǒng)時(shí)需要AC/DC變換，降低了系統(tǒng)效率，并使大量諧波注入電網(wǎng)，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。

在電力電子器件和技術(shù)高速發(fā)展的今天，研究和發(fā)展城市直流配電網(wǎng)，為我們解決上述問(wèn)題找到了一條新的途徑，并將對(duì)直流配網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的形成具有重要意義。

1 直流配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 高壓配電母線(xiàn)的供電方式

近年來(lái)，高壓直流輸電技術(shù)[6-8]、柔性直流輸電技術(shù)[9-10]得到廣泛發(fā)展和應(yīng)用，參考國(guó)內(nèi)外微電網(wǎng)示范工程實(shí)例[11]，相關(guān)研究主要集中在以直流微網(wǎng)為核心的低壓直流配電網(wǎng)方面，國(guó)際上普遍認(rèn)可以AC 6 kV以上作為配網(wǎng)高壓母線(xiàn)的電壓等級(jí)，鮮有對(duì)直流形式高壓配電母線(xiàn)的研究報(bào)導(dǎo)[12]。

1.2 低壓直流配電母線(xiàn)的構(gòu)成形式

1.2.1 單母線(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖1所示單母線(xiàn)結(jié)構(gòu)[13-16]易與現(xiàn)有工頻轉(zhuǎn)接設(shè)備兼容，但在給低壓設(shè)備供電時(shí)，變流器電壓應(yīng)力較大，需配備一定體積的電源適配器。

圖1 單母線(xiàn)結(jié)構(gòu)的直流配電系統(tǒng)

圖2 FREEDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2所示為美國(guó)北卡羅萊納大學(xué)于2011年提出的“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management (FREEDM)”系統(tǒng)[17]，實(shí)現(xiàn)了交、直流共存。該系統(tǒng)旨在用于構(gòu)建未來(lái)自動(dòng)靈活的配電網(wǎng)，其核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：(1)含有DC 400 V和AC 120 V母線(xiàn)的即插即用接口，可以通過(guò)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，采集各類(lèi)負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)并網(wǎng)信息。(2)連接AC 12 kV和DC 400 V、AC 120 V配電母線(xiàn)的智能能量管理(intelligent energy management, IEM)裝置，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集，并為各設(shè)備提供運(yùn)行控制依據(jù)。(3)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的分布式電網(wǎng)操作系統(tǒng)，可以借助通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多級(jí)IEM協(xié)調(diào)控制。

1.2.2 分層母線(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖3 分層母線(xiàn)結(jié)構(gòu)的直流配電系統(tǒng)

2010年，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)CPES中心提出了SBN(Sustainable Building and Nanogrids)計(jì)劃，旨在為未來(lái)新興住宅和商業(yè)樓盤(pán)提供電力，這就是典型的分層母線(xiàn)結(jié)構(gòu)，如圖3所示[18]。系統(tǒng)中，DC 380 V和DC 48 V低壓直流配電母線(xiàn)共存，分別為不同等級(jí)負(fù)載提供電力。

DC 380 V母線(xiàn)主要與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)相匹配，它依靠前端整流器和功率因數(shù)校正(Power Factor Correction,簡(jiǎn)稱(chēng)PFC)電路接入主網(wǎng)。DC 48 V母線(xiàn)主要與通信標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)相匹配，它依靠斬波變換器接入DC 380 V母線(xiàn)。與單母線(xiàn)結(jié)構(gòu)相比，分層母線(xiàn)結(jié)構(gòu)提高了為低壓設(shè)備供電的安全性，可省去一定體積的電源適配器[19]102，但它不易與現(xiàn)有工頻轉(zhuǎn)接設(shè)備兼容。

1.2.3 雙母線(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖4所示的直流配電系統(tǒng)[20-21]，整流器輸出±170 V電壓。此結(jié)構(gòu)可根據(jù)負(fù)荷需求由不同母線(xiàn)提供供電電壓，并實(shí)現(xiàn)交、直流側(cè)共地，并且變壓器交流側(cè)宜采用Yn0y或Ynd接法，以避免構(gòu)成零序回路[22]。這種雙母線(xiàn)結(jié)構(gòu)的直流配網(wǎng)方便與現(xiàn)有轉(zhuǎn)接設(shè)備兼容，但負(fù)荷的不確定性會(huì)導(dǎo)致每條母線(xiàn)的負(fù)載不完全平衡，源側(cè)換流器需加裝均壓裝置，因此，連接主網(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和分布式電源(Distribution Energy Resource，簡(jiǎn)稱(chēng)DER)單元的換流器拓?fù)渑c傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)有所差異。文獻(xiàn)[23-25]都以虛擬空間矢量法探討了帶旋轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)載的直流系統(tǒng)變流器控制方法，搭建了與之對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ⅱ?yàn)證了其可行性。

圖4 雙極結(jié)構(gòu)的直流配電系統(tǒng)

文獻(xiàn)[19]103提出一種基于TN型接地方式的直流配網(wǎng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。這種雙母線(xiàn)結(jié)構(gòu)的配網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)分壓器實(shí)現(xiàn)用戶(hù)側(cè)DC 380 V和DC 220 V共存，且對(duì)主網(wǎng)而言，推薦直流側(cè)是一個(gè)“阻性負(fù)載[15]44-45”系統(tǒng)，不但實(shí)現(xiàn)了“綠色”經(jīng)濟(jì)型配電網(wǎng)，還促進(jìn)了新型節(jié)能直流家電及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

圖5 雙母線(xiàn)結(jié)構(gòu)的直流配電系統(tǒng)

本文針對(duì)圖5所示拓?fù)?，提出一種基于電阻元件的直流分壓器結(jié)構(gòu)，如圖6所示。分壓器高壓端輸入電壓為：

(1)

分壓器理想分壓比，即輸入電壓和輸出電壓之比為：

(2)

(3)

其中RX為高壓臂電阻；R1、R2為低壓臂等效電阻；U1、U2為分壓器低壓端輸出電壓。

圖6 直流分壓器 結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.4 冗余式母線(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖7是帶有交替供電電源的直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[26-27]，由羅馬尼亞布加勒斯特理工大學(xué)提出。該結(jié)構(gòu)將風(fēng)光儲(chǔ)、沼氣等生物能發(fā)電及負(fù)載分別接入不同母線(xiàn)，在一條母線(xiàn)故障時(shí)，還可通過(guò)另一條母線(xiàn)給負(fù)載供電，保證了供電的連續(xù)性，故該系統(tǒng)也可看作冗余式母線(xiàn)結(jié)構(gòu)。 冗余式母線(xiàn)結(jié)構(gòu)，適合為對(duì)電能質(zhì)量和供電可靠性要求較高的配電區(qū)域供電。

圖7 帶有交替供電電源的直流配電系統(tǒng)

1.3 高、低壓配電母線(xiàn)的連接方式

由于直流配電系統(tǒng)中接納了各種DER，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行管理方式的不同，高低壓配電母線(xiàn)間能量的雙向交互功能成為了現(xiàn)代柔性直流配電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)[12]13。同時(shí)，高壓配電母線(xiàn)與低壓直流配電母線(xiàn)間的連接電路既可以采用傳統(tǒng)工頻連接方式，也可以通過(guò)高頻鏈?zhǔn)竭B接技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.3.1 傳統(tǒng)工頻連接方式

傳統(tǒng)工頻連接方式通過(guò)工頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓匹配和電氣隔離[28-29]，通過(guò)電力電子變換器實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換，其工頻變壓器體積、質(zhì)量、占地面積、損耗和噪聲都較大，難以實(shí)現(xiàn)高功率密度、高效率的智能功率變換[30]。

1.3.2 高頻連接方式

高頻連接方式通過(guò)變換器中的高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓匹配和電氣隔離[31]。本文借鑒文獻(xiàn)[32]中新型并網(wǎng)UPS(Uninterruptible Power System)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出一種基于高頻隔離的交直流連接電路，如圖8所示：uAB是對(duì)uC進(jìn)行正弦脈沖寬度調(diào)制(Sine Pulse Width Modulation, 簡(jiǎn)稱(chēng)SPWM)調(diào)制后產(chǎn)生的電壓基波分量，其幅值、相位可控。通過(guò)控制uAB的幅值和相位就可控制LS兩端的電壓uL，進(jìn)而控制交流側(cè)輸入電流iS的幅值和相位。通過(guò)PWM 整流饋電模塊，保證較高的功率因數(shù)和較低的輸入電流諧波含量[33-34]。

圖8 基于高頻隔的功率變換方案

通過(guò)控制uTH和uTL間的移相角φ，就能在連接電抗LT和隔離變壓器T上產(chǎn)生近似于梯形波的高頻交變電流，進(jìn)而控制傳輸功率的大小和方向，達(dá)到電容C兩端電壓uC、低壓直流配電母線(xiàn)電壓uCD間的電壓變換以及功率的雙向傳輸。

若將n個(gè)圖8所示結(jié)構(gòu)在交流側(cè)串聯(lián)、直流側(cè)并連接入系統(tǒng)，則交流側(cè)輸入電壓提高n-1倍，直流側(cè)輸出電流提高n-1倍。因此，圖8所示結(jié)構(gòu)給將來(lái)直流配電系統(tǒng)的擴(kuò)容提供了重要的參考依據(jù)[35]。

采用高頻連接方式的功率變換系統(tǒng)(Power Conversion System，簡(jiǎn)稱(chēng)PCS)體積小、重量輕、成本低，便于系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)容[36]；并可避免傳統(tǒng)工頻變壓器由于鐵心磁飽和造成的系統(tǒng)電壓、電流畸變問(wèn)題；若將開(kāi)關(guān)頻率提高到20 kHz以上，更可極大降低PCS的運(yùn)行噪聲[37]。同時(shí)，隔離變壓器的使用，使交直流母線(xiàn)間存在電氣隔離，提高了直流配電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，利于直流部分的孤島運(yùn)行[38]?；贖FI的智能功率變換技術(shù)被普遍認(rèn)為是下一代的電力電子電壓和功率變換首選方案[39-40]。

1.4 分布式電源的組織形式

DER通常并聯(lián)接入中、低壓配電網(wǎng)，或在微網(wǎng)中獨(dú)立運(yùn)行，彌補(bǔ)了大規(guī)模發(fā)、輸電的不足。不同種類(lèi)的DER在容量、電壓等級(jí)、可控程度、輸出電源性質(zhì)等方面存在差異，同時(shí)DER與母線(xiàn)間的接口電路也不盡相同，要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)DER進(jìn)行合理的優(yōu)化選擇與配置[41-46]。我國(guó)對(duì)DER的研究與應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展很快，出臺(tái)了DER并網(wǎng)的Q/GDW480-2010標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)接入容量、接入電壓等級(jí)做出了具體規(guī)定，但沒(méi)有直接規(guī)定DER接入后允許引起的系統(tǒng)電壓變化范圍[47]。

1.5 分布式電源及負(fù)載到低壓配電母線(xiàn)的連接方式

與傳統(tǒng)工頻配電方式相比，雖然直流配電方式可以減少部分電力電子接口電路[48-49]的中間環(huán)節(jié)，但也不能完全省略，部分DER和負(fù)載與低壓直流配電母線(xiàn)之間必要的電氣隔離對(duì)保證系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行至關(guān)重要。因此，分布式電源及負(fù)載到低壓直流配電母線(xiàn)間的具體連接方式還有待產(chǎn)學(xué)研各界深入研究。

2 直流配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)

如何科學(xué)、合理地選取和評(píng)價(jià)直流配電系統(tǒng)的電壓等級(jí)[50-51]，是構(gòu)建未來(lái)直流配網(wǎng)，以及保證直流配網(wǎng)健康、穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)展的重要研究課題。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)直流配網(wǎng)電壓等級(jí)的研究主要集中在低電壓序列，文獻(xiàn)[52]以瑞典哥德堡市查爾姆斯理工大學(xué)電氣工程學(xué)院現(xiàn)有配電系統(tǒng)為例，對(duì)以下四種直流電壓等級(jí)進(jìn)行了分析論證： DC 326 V是電力電子類(lèi)用電設(shè)備的整流二極管輸出電壓，對(duì)應(yīng)AC 230 V電壓峰值；DC 230 V與AC 230 V具有相同的有效值，能匹配現(xiàn)有阻性負(fù)載；DC 120 V不需要間接電擊防護(hù)裝置，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；而DC 48 V基本上不需要任何保護(hù)措施[15]49。

為匹配我國(guó)現(xiàn)有電器設(shè)備的電壓等級(jí)和工業(yè)用電標(biāo)準(zhǔn)，直流系統(tǒng)可從10 kV或市電380 V配網(wǎng)接入，采用DC 380 V和DC 220 V為負(fù)載供電，符合我國(guó)配電網(wǎng)現(xiàn)狀，在將來(lái)配電網(wǎng)的規(guī)劃、改造和建設(shè)中有著更大的發(fā)展、應(yīng)用前景[11]24-25。事實(shí)上，DC 380 V標(biāo)準(zhǔn)已由日本學(xué)者于2009年12月提出，現(xiàn)已被美國(guó)電力科學(xué)研究院認(rèn)可，并逐漸被業(yè)內(nèi)接受[19]103。

3 對(duì)我國(guó)城市直流配網(wǎng)發(fā)展的建議

未來(lái)的城市配電網(wǎng)的發(fā)展將經(jīng)過(guò)交直流混合配網(wǎng)共存的中間階段，最終達(dá)到以純直流環(huán)網(wǎng)為主體的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[53]，本文就目前我國(guó)低壓直流配電網(wǎng)發(fā)展建議如下：

(1)針對(duì)人口密度較大的城市中心區(qū)域，以現(xiàn)有交流配電網(wǎng)為載體，采用交直流同線(xiàn)饋送方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)改造，在保證全網(wǎng)功率平衡的前提下，在特定區(qū)域分別為交、直流負(fù)載供電[54-56]。

(2)針對(duì)城市周邊新興住宅區(qū)和新建高新工業(yè)園區(qū)，建設(shè)以直流微網(wǎng)為核心的低壓直流配電示范工程。分布式電源采用建筑一體化PV發(fā)電設(shè)備，通過(guò)升壓變壓器接入直流系統(tǒng)。主網(wǎng)停電時(shí)，在儲(chǔ)能裝置和柴油發(fā)電機(jī)的配合、輔助下，保證對(duì)用戶(hù)的供電連續(xù)性[15]43。

4 結(jié)束語(yǔ)

由傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)向直流配電系統(tǒng)過(guò)渡[57]是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。目前，低壓直流配電系統(tǒng)仍有很大的研究及探索空間。研究面向工程應(yīng)用的商業(yè)化大功率直流開(kāi)關(guān)設(shè)備和智能功率變換系統(tǒng)對(duì)低壓直流配電網(wǎng)的推廣、普及影響深遠(yuǎn)。選擇合理的系統(tǒng)運(yùn)行電壓等級(jí)和接地方式，開(kāi)發(fā)靈活的控制、保護(hù)和故障診斷方法能夠更好地保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。2015年9月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局先后印發(fā)《加快配電網(wǎng)建設(shè)改造的指導(dǎo)意見(jiàn)》[58]及《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動(dòng)計(jì)劃(2015-2020年)》[59]，頂層設(shè)計(jì)和行動(dòng)目標(biāo)明確，僅2015年配電網(wǎng)建設(shè)、改造配套投資就將達(dá)到3 000億元。本次配電網(wǎng)建設(shè)、改造力度空前，政策與資金支持超過(guò)以往，這將極大促進(jìn)配電系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，促進(jìn)整個(gè)配電系統(tǒng)格局的轉(zhuǎn)型升級(jí)，同時(shí)也為直流配電系統(tǒng)的科學(xué)研究提供了巨大的政策支持和物質(zhì)保障。

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An Analysis on the Structure of the Low-voltage DC Power Distribution System

Wang Zhenhao, Cheng Long

(College of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin Jilin 132012, China)

With regards to research status of DC power distribution networks in China and other countries, this paper analyzes in detail the power supply method of the high-voltage distribution bus contained in the structure of the power distribution system, the constitution form of the low-voltage DC power distribution bus, the connection type from the high-voltage to the low-voltage distribution bus, the organizational form of distributed generation, as well as the connection method between the distribution power source/load and the low-voltage distribution bus. Furthermore, it discusses the rational voltage grades suitable to the development of urban low-voltage DC distribution networks. Finally, under consideration of current grid conditions in China, it offers proposals for development directions of urban DC power distribution networks.

DC distribution; system structure; distributed generation; power conversion; voltage divider

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.024

TM76

A

1000-3886(2016)05-0074-05

王振浩(1964-)，男，山東濰坊人，教授，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化的教學(xué)和科研工作。 成龍(1988-)，男，吉林吉林人，碩士生，主要研究方向?yàn)榻恢绷骰旌吓潆娋W(wǎng)。

定稿日期: 2016-03-02