直流配電系統(tǒng)技術(shù)分析及設(shè)計(jì)構(gòu)想

龔發(fā)虎

摘 要：文章主要研究直流配電技術(shù)及其設(shè)計(jì)構(gòu)想，分析了直流配電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并給出了一種直流配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案構(gòu)想。

關(guān)鍵詞：直流配電系統(tǒng)；技術(shù)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）35-193-2

0 引言

電力系統(tǒng)快速發(fā)展，傳統(tǒng)的交流配電技術(shù)不再滿足需求，為了進(jìn)一步提高配電運(yùn)作效率、安全性和可靠性，為用戶輸送更高質(zhì)量的電能，關(guān)于直流配電技術(shù)的研究逐漸增多，研究直流配電系統(tǒng)技術(shù)和設(shè)計(jì)策略是配電技術(shù)發(fā)展的必然方向。

1 直流配電技術(shù)

核電、水電、火電等傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)在提供豐富電能資源的同時(shí)以消耗自然資源和環(huán)境污染為代價(jià)，清潔能源如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電更加得到重視，但是風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電輸出容量低，分布分散，接入電網(wǎng)面臨著較多的技術(shù)問(wèn)題，使用架空線路輸送交流配電網(wǎng)故障率比較高，供電范圍的限制比較大，可控性不強(qiáng)，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，交流配電技術(shù)的不足逐漸凸顯。

1.1 直流配電技術(shù)現(xiàn)狀

直流電力傳輸技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，積累了豐富的建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外電力輸送中都有著較為廣泛的應(yīng)用，很多場(chǎng)合甚至只能使用直流傳輸技術(shù)。而配電方面，早期直流換流器功耗大，造價(jià)高，限制了直流技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。而近些年，新型半導(dǎo)體材料發(fā)展迅速，尤其是碳化硅、氮化鎵等半導(dǎo)體材料，顯著降低傳統(tǒng)半導(dǎo)體換流器件的功耗，為直流配電技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供了技術(shù)基礎(chǔ)。荷蘭能源研究中心在1997年就提出了住宅建筑的直流配電技術(shù)方案，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)和美國(guó)電力研究學(xué)會(huì)都表示高度重視，歐洲已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)300V直流體育場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目，日本政府和新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)也組織相關(guān)企業(yè)、大學(xué)，積極開(kāi)展住宅直流電技術(shù)的研究，建設(shè)了許多直流配電技術(shù)示范住宅項(xiàng)目。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)能源研究機(jī)構(gòu)推出的“智慧型直流電力屋”功能使用了360V額定電壓直流電作為電力來(lái)源，德國(guó)亞琛大學(xué)的“City of Tomorrow”城市供電方案城市配電骨干線路為中低壓直流環(huán)網(wǎng)，使用大功率AC/DC、DC/DC獲取交流輸電網(wǎng)、直流輸電網(wǎng)電能，為城市規(guī)模的直流配電技術(shù)應(yīng)用提供了優(yōu)秀模板。韓國(guó)有關(guān)低壓直流微電網(wǎng)的研究集中在能量管理控制系統(tǒng)方面，使用PSCAD模擬仿真，得出了一個(gè)科學(xué)的控制策略。國(guó)內(nèi)關(guān)于直流配電技術(shù)的研究和應(yīng)用主要包括大型發(fā)電廠升壓變電站、高壓變電站一次設(shè)備操作以及二次設(shè)備、通信設(shè)備電源等，除此之外，電信部門大型通信機(jī)房、船舶供電以及城市軌道交通供電也利用了直流供電技術(shù)。

1.2 直流配電技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.2.1 可靠性更高

直流配電技術(shù)可靠性高于相同電壓等級(jí)的交流線路，雙導(dǎo)線直流電路在直流配電系統(tǒng)正極線路故障時(shí)，負(fù)極會(huì)和大地形成閉合回路，將部分甚至全部功率輸出，從而有效保護(hù)線路上的電氣設(shè)備。單極、單相接地故障在所有故障中占據(jù)比例超過(guò)80%，相比之下，直流配電系統(tǒng)的故障響應(yīng)速度更快，故障處理和恢復(fù)速度快，時(shí)間短，通過(guò)重復(fù)再啟動(dòng)、降壓操作能夠?yàn)樘幚砉收咸峁┝己玫牟僮鳝h(huán)境，電力電子變換器還能夠?qū)⒅绷髋潆娤到y(tǒng)劃分為若干獨(dú)立區(qū)域，區(qū)域內(nèi)故障不會(huì)影響其他區(qū)域的正常運(yùn)行。

1.2.2 不存在頻率穩(wěn)定問(wèn)題

交流配電系統(tǒng)配電運(yùn)行需要考慮到頻率、相位、電壓幅值等多個(gè)技術(shù)參數(shù)，相比之下，直流配電系統(tǒng)只需要考慮電壓幅值，配電運(yùn)行操作更加簡(jiǎn)單直觀。交流配電系統(tǒng)大電容電纜電能配送存在著電纜電容的充電情況，增加線路損耗，而影響線路輸電容量。直流配電系統(tǒng)則無(wú)須考慮這些問(wèn)題，同時(shí)還具有供電輻射范圍廣泛、電能質(zhì)量高以及電源分布式互聯(lián)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1.2.3 配電效率高

直流配電系統(tǒng)線路損耗比交流配電系統(tǒng)低，因?yàn)橹绷髋潆娤到y(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，也不會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率。直流配電系統(tǒng)的線路損耗集中在電力電子變換器上，而最新型號(hào)的直流變換器效率已經(jīng)達(dá)到99%，并且隨著半導(dǎo)體寬禁帶電力電子器件的應(yīng)用與快速發(fā)展，變換器效率還可以進(jìn)一步提高。近些年，直流電負(fù)載越來(lái)越多，旋轉(zhuǎn)式負(fù)荷、變頻調(diào)速設(shè)備一同使用，為直流電技術(shù)提供了良好的使用需求。

2 直流配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想

2.1 直流配電運(yùn)行控制

變壓器在交流配電系統(tǒng)和直流配電系統(tǒng)中都不可或缺，直流配電系統(tǒng)的內(nèi)部電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換同樣依賴變壓器等電能變換裝置實(shí)現(xiàn)。直流配電系統(tǒng)電力電子變換裝置結(jié)構(gòu)形式多樣，不同電壓等級(jí)配電網(wǎng)、儲(chǔ)能裝置、分布式電源都需要借助變換器接入直連母線。直流配電系統(tǒng)變換器控制的基本要求有穩(wěn)定性、容量、可靠性、冗余度、自動(dòng)化、電壓平穩(wěn)以及優(yōu)秀系統(tǒng)模塊性能等方面。電壓是直流配電系統(tǒng)的核心參數(shù)，是直流配電系統(tǒng)控制和運(yùn)作的基本，直流配電系統(tǒng)控制的首要問(wèn)題就是暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下保持電壓穩(wěn)定。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

直流配電系統(tǒng)因?yàn)椴捎昧瞬煌碾娔芘渌托问?，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也和交流配電系統(tǒng)有較大的差別，建設(shè)并優(yōu)化線路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是直流配電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵。直流配電系統(tǒng)有著和交流配電系統(tǒng)類似的多級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)，彼此之間協(xié)調(diào)合作，其基本結(jié)構(gòu)形式有閉環(huán)、輻射狀和網(wǎng)狀三種，不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有著不同的建設(shè)成本和控制難易程度，需要根據(jù)應(yīng)用情境和建設(shè)投資規(guī)模合理選擇。我國(guó)交流配電網(wǎng)覆蓋十分廣泛，發(fā)展完善，拆除原有的交流配電網(wǎng)，大規(guī)模建設(shè)直流配電網(wǎng)是否值得還有待研究，理論上，應(yīng)該首先積極建設(shè)交直流混合網(wǎng)，之后逐漸增加直流配電網(wǎng)規(guī)模，最后徹底取代交流配電網(wǎng)，這樣的建設(shè)方式更加貼合實(shí)際。

2.3 直流配電開(kāi)關(guān)/保護(hù)

開(kāi)關(guān)在電力系統(tǒng)中的主要功能是分離故障線路區(qū)域，避免故障擴(kuò)大，威脅其他區(qū)域正常線路和關(guān)鍵設(shè)備。直流電流沒(méi)有自然過(guò)零點(diǎn)，因此分段難度大，導(dǎo)致直流開(kāi)關(guān)設(shè)備技術(shù)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流系統(tǒng)，現(xiàn)階段中低壓直流配電開(kāi)關(guān)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)十千大容量直流開(kāi)閉，但是設(shè)備造價(jià)十分昂貴，成本高，大規(guī)模應(yīng)用難度很大。直流配電系統(tǒng)的故障類型和故障后果和交流配電系統(tǒng)相比都有著較大的不同，缺少相關(guān)研究資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以肯定的是大量的電力電子裝置會(huì)給直流配電系統(tǒng)的安全保護(hù)工作帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，如何充分發(fā)揮利用變換器快速通斷能力，保護(hù)直流配電系統(tǒng)是直流配電系統(tǒng)需要首先解決的問(wèn)題。

2.4 多級(jí)直流配電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

直流配電系統(tǒng)同樣需要設(shè)置多個(gè)電壓等級(jí)控制線損，進(jìn)行電能的遠(yuǎn)距離傳輸。多級(jí)直流配電網(wǎng)中多個(gè)不同電壓等級(jí)的直流網(wǎng)之間相互協(xié)同，根據(jù)不同區(qū)域電能輸送和分配需求進(jìn)行電力調(diào)度，同時(shí)接入用戶側(cè)小型分布式電源和風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電大型分布式電源。直流網(wǎng)絡(luò)不同級(jí)別直流電網(wǎng)相互解耦，故障電流能夠利用電子電力變壓器快速調(diào)節(jié)有效控制，從而進(jìn)一步降低了直流配電網(wǎng)對(duì)開(kāi)關(guān)的技術(shù)要求。當(dāng)然現(xiàn)階段全直流配電網(wǎng)技術(shù)不允許，但是配電網(wǎng)末端低壓配電系統(tǒng)如進(jìn)戶線、樓宇供電系統(tǒng)已經(jīng)能夠直流傳輸。滯留多級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)直流母線電壓等級(jí)更加安全，直接接在母線上的蓄電池效率更高，可靠性更好，而通過(guò)簡(jiǎn)單Buck變化器接入系統(tǒng)的PV電源變換效率更高，負(fù)極接地直流母線和220V交流母線之間形成了有效的電位隔離，且直流母線和交流母線之間支持雙向功率流動(dòng)，PV電源能量利用更加充分，交直流電負(fù)荷與供電可靠性都比較理想。

3 結(jié)語(yǔ)

直流配電系統(tǒng)能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化配電系統(tǒng)中的變換環(huán)節(jié)，從而進(jìn)一步降低線損，獲得更高的能源利用效率，研究直流配電系統(tǒng)，對(duì)全面提高配電運(yùn)行效率、安全性、可靠性，降低故障率有著重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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