低壓直流配電技術分析及存在的問題

夏志雄

摘要： 近年來，隨著我國現(xiàn)代化電力建設體系的不斷發(fā)展及完善，在輸配電的可靠性、安全性及穩(wěn)定性方面都取得了顯著成效。尤其是電力電子技術領域的飛速進步，各種電子元件在配電網(wǎng)中的應用，進一步降低了線損，提升了配電質(zhì)量與效率，使得經(jīng)濟效益得到大幅提升。目前，低壓直流配電技術是全世界各國電力技術研究的主要方向與趨勢。本文針對低壓直流配電技術在實際應用過程中存在的技術問題作出了分析，然后探討了相應的技術，同時結(jié)合實例闡述了低壓直流配電技術的應用效果。

Abstract： In recent years， with the continuous development and improvement of China's modern power construction system， the reliability， security and stability of the transmission and distribution have made remarkable achievements. Especially the rapid development of the power electronic technology， and the application of various electronic components in the distribution network， further reduce the line loss， improve power quality and efficiency， and the economic efficiency has been greatly improved. At present， the low voltage and DC distribution technology is the main direction and trend of the power technology research in the world. This paper analyzes the technical problems in the practical application of low voltage and DC distribution technology， and then discusses the corresponding technology， and combines with an example to illustrate its application effect.

關鍵詞： 低壓；直流配電技術；問題

Key words： low voltage；DC distribution technology；problem

中圖分類號：TM721.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）36-0111-03

0 引言

相較于傳統(tǒng)的交流配電技術，低壓直流配電技術可為用戶的設備直接提供電源，電網(wǎng)與發(fā)電系統(tǒng)連接無需通過換流器，從而使換流次數(shù)減少，降低線損率。同時低壓直流配電技術可防止電壓出現(xiàn)閃變，利用儲能與分布式技術使電能質(zhì)量大大提升。應用低壓直流配電技術可避免換相失敗，對功率因數(shù)的控制更加的靈活。此外單線發(fā)生故障時，不影響回路運行，確保配電的穩(wěn)定性。低壓直流配電技術具備的諸多優(yōu)勢，使其成為電力技術未來發(fā)展的主要方向。

1 當前低壓直流配電技術運用中存在的問題

1.1 諧波

由于低壓直流配電技術需采用大量的電力電子元件，這導致了諧波問題。諧波不僅會使電纜、變壓器等設備容量降低，同時還會使設備老化速度的加快，降低設備使用年限，甚至直接損壞。諧波極大地影響了低壓直流配電技術應用的可靠性與安全性。此外，諧波還會造成電能浪費，增加不必要的經(jīng)濟損失。因而諧波必須被充分濾除。目前而言，濾除諧波的方式主要有諧波源改造，如將整流裝置的相數(shù)提高；以及設置濾波器，即補償法。目前較為常用的方式是設置濾波器，既能夠在一定程度緩解無功補償設備的壓力，又能夠節(jié)省成本。

1.2 無功補償

低壓直流配電系統(tǒng)無功功率損耗較大，且需通過控制無功功率實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓的控制，因而無功補償技術至關重要。目前，在低壓直流配電系統(tǒng)中，由于經(jīng)濟性高、操作靈活、維護簡單等優(yōu)勢，通常是采用并聯(lián)電容器控制無功功率。但是并聯(lián)電容器與諧波會互相影響。

電容器上基波電流被疊加諧波電流后，會增加電容器有效電流值，造成電容器溫度過高，縮短其正常使用年限。同理，電容器基波電壓上被疊加諧波電壓，會增加電壓峰值，影響正常使用。

低壓直流配電系統(tǒng)中使用并聯(lián)電容器后，會使諧波阻抗既可能為容性也可能為感性。對于特定的諧波而言，可能會引起系統(tǒng)與電容器的并聯(lián)諧振。

2 低壓直流配電技術

2.1 分類

低壓直流配電根據(jù)輸電連接可被分為雙極型與單極型。雙極型是目前應用最廣泛的配電系統(tǒng)類型。單極型配電系統(tǒng)的連接主要通過一條導線完成，回路在外界干擾因素多且大時，通常采用金屬結(jié)構(gòu)。任意端的直流電壓的測定都需由電壓器（額定）完成。

2.2 系統(tǒng)元件

①換流器。換流器（電壓源）是由IGBT等開關器件（全控半導體）六脈或十二脈波組成電路，負責變換直流/直流（DC/DC）、直流/交流（DC/AC）及交流/直流（AC/DC）。

②聯(lián)接變壓器。聯(lián)接變壓器負責從換流器接收交流功率，或是將交流功率提供給換流器，同時變換電壓（交流電網(wǎng)側(cè)）到符合配電需求的范圍內(nèi)。在低壓直流配電系統(tǒng)中為對三相或單相變壓器調(diào)分接頭，通常采用Dy接法，這一接法不僅能夠增強無功狀態(tài)與有功狀態(tài)下的輸送能力，同時還能夠避免交流系統(tǒng)受零序分量（由調(diào)制模式引起）影響。

③相電抗器。相電抗器即可對短路電流與開關頻率諧波量（電流與電壓由換流器輸出）進行抑制，同時還能夠?qū)o功和有功功率的控制產(chǎn)生影響。簡而言之，功率輸送（換流器）能力由相電抗器決定。

④濾波器。電力電子元件構(gòu)成的換流器，諧波會在交流側(cè)產(chǎn)生，濾波器可對高次諧波（直流側(cè)電壓）、較低次特征諧波（交流側(cè)）進行濾除，從而使總諧波畸變率滿足諧波要求標準。在對開關進行高頻快速動作時，可降低對周邊環(huán)境、通信線路以及設備的電磁干擾。

⑤直流測電容。換流站的支撐電壓主要由直流側(cè)電容提供，同時可對直流電壓的波動起到抑制作用，使沖擊電流（橋臂開端）得到緩沖，從而降低電壓諧波在直流側(cè)的影響。

⑥直流線路。電纜或是架空線都可作為直流線路，現(xiàn)階段而言，電纜輸電是直流輸電系統(tǒng)（柔性）中的主要方式。采用這一方式，可有效防止直流側(cè)故障電流出現(xiàn)不可控問題，使穩(wěn)定性與可靠性得到提升。地埋式直流電纜在城市配電網(wǎng)中的應用，不僅不會對城市市容造成不良影響，同時還能夠有效增加城市電網(wǎng)電容。

⑦接地。低壓直流配電系統(tǒng)的回線通常采用單極搭地的方式，在大地電阻率偏高或是大地電流過大時，需安裝接地極防止出現(xiàn)接地電壓過大問題。在無法采用大地作為回線，或者地極的選擇較為困難時，可采用雙極兩端中心點接線或者單極金屬回線的方式。

2.3 特性

①運行方式。低壓直流配電系統(tǒng)的運行方式受交流側(cè)接線方式和直流側(cè)接線方式有關，接線方式的選擇應視系統(tǒng)及其負荷而定。

交流濾波器接線、相電抗器聯(lián)接、變壓器聯(lián)接等都屬于交流側(cè)接線。相電抗器與變壓器的聯(lián)接可提供等效電抗，為直流與交流系統(tǒng)之間傳輸功率的搭建橋梁。同時還可對電流和電壓（有換流站輸出）的諧波分量起到抑制作用，從而實現(xiàn)對短路電流上升速度的控制。

直流側(cè)線接線主要有雙極接線和單極接線兩種方式。雙極接線通過接地系統(tǒng)，可確保每一換流站直流側(cè)中點接地的可靠性，在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，兩級電流一致，方向相反，諧波電流僅少量出現(xiàn)在對地回路中，如圖1。

單極極限只需采用一根極導線在直流側(cè)，返回線則采用金屬線或是利用大地，從而組成一個閉環(huán)回路在直流側(cè)。在傳輸功率小、直流電壓低時一般采用單極接線的方式。

②調(diào)節(jié)方式。換流器輸出電壓與交流母線之間的夾角決定了低壓直流配電系統(tǒng)有功功率傳輸大小。換流器輸電電壓則決定了系統(tǒng)無功功率傳輸?shù)拇笮　５蛪褐绷髋潆娤到y(tǒng)中的換流器可視作一個發(fā)電機（無轉(zhuǎn)動慣量），并具備瞬時實現(xiàn)且獨立調(diào)節(jié)有功與無功功率的效果。交流系統(tǒng)的電壓相位及其電流的幅值，可通過對相位角和電壓UC幅值的控制，進行調(diào)節(jié)。進而控制無功功率和有功功率在交流系統(tǒng)與換流站之間交換的方向與大小。

3 低壓直流配電技術應用實例及效果

配電網(wǎng)全直流在當前技術水平下還無法實現(xiàn)，但小區(qū)樓棟供電系統(tǒng)、家庭供電系統(tǒng)等低壓配電系統(tǒng)處于配電網(wǎng)末端，是能夠利用現(xiàn)有技術實現(xiàn)低壓直流配電的。

圖2為家庭低壓直流配電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)設計圖，在該系統(tǒng)設計光伏發(fā)電（PV）接入電源容量為3kW，采用蓄電池作為儲能單元，以保證供電的穩(wěn)定性與可靠性。該設計能夠滿足1.5kW直流負荷與最大3kW交流負荷的用電需求，同時設計中將220V交流系統(tǒng)保留。

該低壓直流配電系統(tǒng)設計的優(yōu)勢與可行性在于：①采用48V電壓等級的直流母線，安全性高；②直流母線與蓄電池直接連接，兼具效率與可靠性；③采用最簡單的Buck變換器將PV電源接入系統(tǒng)，變換效率有保障；④48V直流母線實現(xiàn)了電位隔離220V交流母線，且采用負極接地方式，接地可靠性高；⑤功率在交流母線與直流母線間可實現(xiàn)雙向流動，使PV電源能量得到充分利用，同時提升直流負荷與交流負荷供電效率及可靠性。

基于該設計進行模擬運行實驗后，得到結(jié)果如圖3所示。

從實驗結(jié)果可看出，作為唯一電源的PV電源供電時，直流負載為1.5kW，蓄電池可緩沖多余電能；3kW交流負載在0.1s時投入，系統(tǒng)在0.5s時并入電網(wǎng)；PV電源在1.0s時輸出最大，功率開始減小。分析結(jié)果后可知，在最初PV電源產(chǎn)生功率超過負荷需要時，蓄電池會將多余電能用于自身充電，在交流負荷投入后，功率輸出不足的部分由蓄電池進行補充。并入電網(wǎng)后，功率輸出不足部分則由直流負荷提供。通過這一微型案例模擬實驗表明，低壓直流配電技術的應用可對供電的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性及可靠性起到顯著的提升作用。

4 結(jié)束語

我國的低壓直流配電技術及其應用還需要與時俱進，根據(jù)社會經(jīng)濟與科學技術的發(fā)展趨勢，不斷創(chuàng)新技術，探索更多的應用可能。這樣才能夠真正使低壓直流配電技術得到推廣和普及，從而全面提升我國現(xiàn)代化電網(wǎng)建設水平，為我國現(xiàn)代化經(jīng)濟轉(zhuǎn)型提供堅實的基礎和有力的支持。

參考文獻：

[1]吳鳴，劉海濤，陳文波，等.中低壓直流配電系統(tǒng)的主動保護研究[J].中國電機工程學報，2016（04）：891-899.

[2]朱童，余占清，曾嶸，等.全固態(tài)直流斷路器在低壓直流配電系統(tǒng)中的應用[J].南方電網(wǎng)技術，2016（04）：50-56.

[3]王振浩，成龍.低壓直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析[J].電氣自動化，2016（05）：74-78.

[4]曲林.低壓直流配電技術分析及存在的問題[J].科技與企業(yè)，2015（18）：246.