含電力電子變壓器的低壓直流配電網(wǎng)接線(xiàn)形式探討

鄒 晗 王 磊 梁文軍

（江蘇省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京210012）

0 引言

近年來(lái)，并網(wǎng)的各種中小型分布式直流負(fù)荷有了爆發(fā)式增長(zhǎng)，低壓直流配電網(wǎng)絡(luò)受到眾多設(shè)計(jì)單位、項(xiàng)目實(shí)施單位的廣泛關(guān)注。在該領(lǐng)域的技術(shù)研究主要包括短路電流建模計(jì)算、潮流計(jì)算、調(diào)度技術(shù)等。直流配網(wǎng)既要面向待接入的直流發(fā)電系統(tǒng)及直流負(fù)荷，又要考慮接入交流電網(wǎng)系統(tǒng)，還要考慮接地設(shè)計(jì)。本文就某省綜合能源服務(wù)項(xiàng)目，對(duì)直流配網(wǎng)的主接線(xiàn)及接地形式進(jìn)行探討。

1 直流配網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)

中、小容量應(yīng)用電子變頻技術(shù)在用電設(shè)備中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，很多設(shè)備采用直流電驅(qū)動(dòng)。小型風(fēng)光電源、儲(chǔ)能裝置及充電汽車(chē)等設(shè)備的大量接入，其AC/DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)提升了系統(tǒng)能耗，增加了諧波。通過(guò)構(gòu)建直流配電網(wǎng)，不需要AC/DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)就可以給該設(shè)備供電，縮短了供配電環(huán)節(jié)，降低了系統(tǒng)能耗，也減少了網(wǎng)絡(luò)諧波。

直流配電網(wǎng)優(yōu)勢(shì)如下[1-2]：

（1）在小型配電網(wǎng)中只需鋪設(shè)兩三條電纜通道，節(jié)約線(xiàn)路造價(jià)，提高了輸送容量，減少了損耗；

（2）無(wú)需配置無(wú)功補(bǔ)償裝置，且系統(tǒng)無(wú)頻率問(wèn)題，具有良好的穩(wěn)定性；

（3）系統(tǒng)能夠閉環(huán)運(yùn)行，具有高可靠性；

（4）對(duì)于直流供電負(fù)荷，可減少電源與負(fù)荷之間的交直流轉(zhuǎn)換裝置，節(jié)約設(shè)備投資，減少中間環(huán)節(jié)損耗。

2 直流配網(wǎng)主接線(xiàn)方式（接入側(cè)）

現(xiàn)有已實(shí)施工程的主接線(xiàn)方式有4種，分別為單極大地回線(xiàn)主接線(xiàn)、單極電纜回線(xiàn)主接線(xiàn)、偽雙極主接線(xiàn)（圖1）和雙極主接線(xiàn)（圖2）。

單極大地回線(xiàn)需設(shè)置接地極，其流過(guò)的電流可能對(duì)周邊人與物產(chǎn)生影響，故極少采用。

圖1 偽雙極接線(xiàn)方式圖

圖2 雙極接線(xiàn)方式圖

在剩余3種接線(xiàn)中，主接線(xiàn)均采用兩路直流線(xiàn)路進(jìn)行電能輸送，但偽雙極或雙極主接線(xiàn)具有相對(duì)稱(chēng)的直流電壓，在相同的極間電壓下，偽雙極或雙極主接線(xiàn)直流極線(xiàn)及變壓器所耐受電壓是單極主接線(xiàn)的1/2，且可避免不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行對(duì)變壓器的影響。

雙極主接線(xiàn)在一極出現(xiàn)故障時(shí)仍可采用單極運(yùn)行，可靠性高，但需在次級(jí)轉(zhuǎn)換回路中采用多個(gè)換流器。同時(shí)，換流站的變壓器及交流側(cè)設(shè)備需考慮直流電壓一半的直流偏置電壓，而偽雙極接線(xiàn)方式下則只承受交流電壓，因此，雙極接線(xiàn)方式下?lián)Q流站的變壓器及交流場(chǎng)的設(shè)備單價(jià)較偽雙極方案高。同時(shí)，雙極接線(xiàn)需要為直流電纜雙極短路時(shí)設(shè)置阻斷柜以達(dá)到限流的目的，增加了相關(guān)設(shè)備費(fèi)用。此外，雙極系統(tǒng)接線(xiàn)需要加入類(lèi)似常規(guī)直流的金屬回線(xiàn)轉(zhuǎn)換操作順控流程以及金屬回線(xiàn)電流均衡控制策略，因此控制保護(hù)系統(tǒng)較偽雙極系統(tǒng)接線(xiàn)要復(fù)雜得多。

綜上，雙極主接線(xiàn)通常用于可靠性要求較高的大容量場(chǎng)合。而直流配電系統(tǒng)電壓等級(jí)低、容量小，并且一般采用兩端甚至多端配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可靠性較高，采用雙極主接線(xiàn)意義不大。因此，在目前已投運(yùn)及在建的工程中，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、項(xiàng)目負(fù)荷水平及工程方案的成熟度等要素，中壓側(cè)多采用偽雙極接線(xiàn)。

本工程系統(tǒng)容量較大，同時(shí)可靠性要求相對(duì)較高，故選用雙極接線(xiàn)方式。

3 直流配網(wǎng)低壓側(cè)主接線(xiàn)

3.1 低壓交直流負(fù)荷的接入方式

從圖3（a）所示的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可見(jiàn)，低壓側(cè)接入直流負(fù)載和分布式電源。偽雙極接線(xiàn)的靈活性較雙極差距較大，同電壓等級(jí)，當(dāng)采用雙極接線(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)可提供兩種電壓等級(jí)供接入。在單極故障時(shí)，不影響另一極所接負(fù)載的運(yùn)行。對(duì)于某些非居民用電且輸入電壓差要求較高的設(shè)備，可采用接入正負(fù)極線(xiàn)的方式，如圖3（b）所示。

圖3 低壓直流負(fù)荷接入方式示意圖

本工程交流380 V網(wǎng)絡(luò)，須經(jīng)過(guò)逆變接入。對(duì)于雙極接線(xiàn)系統(tǒng)而言，三相交流負(fù)載可采用如圖4所示的方式接入。對(duì)于偽雙極系統(tǒng)，由于直流側(cè)只有單極和N線(xiàn)，逆變裝置的直流側(cè)兩極應(yīng)分別接入正極（或負(fù)極）和N線(xiàn)，導(dǎo)致交流側(cè)無(wú)法接地，引不出N線(xiàn)。因此，對(duì)于存在交流負(fù)荷的交直流混合配電網(wǎng)，采用雙極接線(xiàn)方式更優(yōu)。

圖4 低壓交負(fù)荷接入方式示意圖

3.2 低壓側(cè)主接線(xiàn)

目前，中低壓直流側(cè)雙極系統(tǒng)中線(xiàn)引出方法已經(jīng)比較統(tǒng)一，如圖5所示。高壓交流母線(xiàn)經(jīng)變壓器后與變流器相連，經(jīng)中間隔離級(jí)后輸出低壓直流，該低壓直流可按照雙極對(duì)稱(chēng)方式連接，兩極可獨(dú)立運(yùn)行，中間采用接地極形成返回電流通路。輸出級(jí)兩個(gè)DC/DC單元分別并聯(lián)在雙極低壓直流母線(xiàn)上，輸出直流可按照雙極對(duì)稱(chēng)方式連接。針對(duì)系統(tǒng)中的交流設(shè)備，輸出級(jí)的DC/AC電能變換單元通過(guò)并聯(lián)在負(fù)極低壓直流母線(xiàn)中經(jīng)換流器后可產(chǎn)生低壓工頻交流為其供電。

電力電子變壓器是連接高低壓側(cè)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)于由多個(gè)單元模塊組合而成的變壓器而言，其組合接線(xiàn)分別如圖6所示。其中，圖6（a）采用兩臺(tái)電力電子變壓器，高壓側(cè)并聯(lián)，低壓側(cè)串聯(lián)引出中線(xiàn)。圖6（b）采用調(diào)整電力電子變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法，各單元模塊高壓側(cè)串聯(lián)，低壓側(cè)兩等分各自并聯(lián)后再串聯(lián)。第一種較第二種多使用一臺(tái)直流變壓器，考慮到功率元器件散熱，對(duì)于容量較小的直流配網(wǎng)的接入，推薦使用第二種方式，而對(duì)于大容量的直流配網(wǎng)或直流微網(wǎng)則可使用第一種方式。

圖5 低壓側(cè)主接線(xiàn)

圖6 直流配網(wǎng)低壓側(cè)主接線(xiàn)

4 接地方式

4.1 高壓側(cè)接地方式

對(duì)于高壓側(cè)采用雙極接線(xiàn)的直流配電網(wǎng)，高壓側(cè)接地主要有兩種形式。當(dāng)連接變采用“Dyn”聯(lián)接時(shí)，其中性點(diǎn)可作為高壓側(cè)的接地點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)首先考慮采用交流側(cè)接地方式，直接在變壓器中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地。若PCS所連接的變壓器繞組采用非Y型繞組，或未配置連接變壓器時(shí)，須在PCS直流側(cè)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的接地點(diǎn)。當(dāng)采用直流側(cè)大電阻接地時(shí)，接地支路會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)有功損耗，且隨著直流側(cè)電壓等級(jí)的升高而愈加嚴(yán)重，因此盡量不要采用大電阻。鑒于上述原因，現(xiàn)有直流配網(wǎng)中多采用交流側(cè)接地方式。

4.2 低壓側(cè)接地方式

根據(jù)IEC 60364-1（2005-11），低壓直流配電系統(tǒng)的接地形式如下[3-5]：

（1）TT接地方式。系統(tǒng)中電源側(cè)和負(fù)載側(cè)各自接地，負(fù)載側(cè)電氣裝置的外露導(dǎo)電部分接至電氣上與電源側(cè)接地點(diǎn)無(wú)關(guān)的接地裝置。從電源側(cè)看，對(duì)于單極直流系統(tǒng)，一般將電源側(cè)負(fù)極出線(xiàn)接地；對(duì)于雙極直流系統(tǒng)，將電源側(cè)中線(xiàn)接地。

（2）IT接地方式。系統(tǒng)電源側(cè)與大地間不直接連接（經(jīng)阻抗接地或不接地），負(fù)載側(cè)電氣裝置的外露導(dǎo)電部分直接接地。該接地方式當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流較小，負(fù)載仍可正常運(yùn)行。

（3）TN接地方式。系統(tǒng)有一點(diǎn)直接接地，負(fù)載側(cè)電氣裝置的外露導(dǎo)電部分用保護(hù)線(xiàn)與該點(diǎn)連接。該接地方式當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的故障電流，影響其他負(fù)載運(yùn)行，但故障容易檢測(cè)并可快速清除。

5 結(jié)論

（1）結(jié)合示范工程的實(shí)際情況，直流配電網(wǎng)高壓側(cè)采用雙極接線(xiàn)形式。

（2）考慮到配網(wǎng)用電習(xí)慣及單相交流負(fù)荷的接入要求，直流配網(wǎng)低壓側(cè)采用雙極主接線(xiàn)方式。

（3）低壓側(cè)雙極系統(tǒng)可由兩臺(tái)直流變壓器高壓側(cè)并聯(lián)低壓側(cè)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，也可由單臺(tái)直流變壓器通過(guò)低壓側(cè)改接線(xiàn)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于大容量的低壓直流配網(wǎng)或低壓直流微網(wǎng)的接入，推薦采用前者，對(duì)于小容量，則建議采用后者。

（4）直流配網(wǎng)接地方式采用IT接地方式。