面向中壓配電網(wǎng)直流代替交流的典型應(yīng)用場(chǎng)景分析

郭 沛

(國網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州 450000)

隨著我國城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，以及第二、第三產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，配電網(wǎng)中各類重要負(fù)荷、非線性負(fù)荷及敏感負(fù)荷逐步增多。傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)面臨供電走廊緊張、長距離輸電線損大、線路末端低電壓等影響用戶供電質(zhì)量的問題，因此改變傳統(tǒng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與配電方式的需求愈發(fā)強(qiáng)烈。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，相對(duì)于傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)而言，交直流混聯(lián)配電網(wǎng)在許多方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，在中低壓配電網(wǎng)應(yīng)用中具有廣闊的前景[1]。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要電網(wǎng)傳輸更大的用電容量和更遠(yuǎn)的供電距離，需要接入并要消納各類分布式電源。然而，建設(shè)新的供電走廊造價(jià)極高并且建設(shè)難度很大，如果對(duì)原有的配電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造，可以將部分交流輸電線路改為直流輸電線路，使其變?yōu)橐粋€(gè)交直流混聯(lián)系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)研究，將交流配電網(wǎng)部分線路改造成直流線路之后，將具有減少線損、提高供電容量、改善電能質(zhì)量與隔離故障等優(yōu)點(diǎn)[2]。直流網(wǎng)絡(luò)的線損僅是交流網(wǎng)絡(luò)的15%～50%[3]，而直流網(wǎng)絡(luò)的傳輸功率比交流網(wǎng)絡(luò)提升約1.5倍，因而可以有效提高輸電半徑，減少電壓的降落，提高用戶的電能質(zhì)量。我國在配電網(wǎng)直流代替交流方面也進(jìn)行了一些工程應(yīng)用與實(shí)踐探索，如蘇州吳江區(qū)多電壓等級(jí)直流配電網(wǎng)示范工程、珠海唐家灣多端交直流混合柔性配網(wǎng)互聯(lián)工程等。但現(xiàn)有研究少有深入分析中壓配電網(wǎng)直流代替交流的典型應(yīng)用場(chǎng)景，也少有對(duì)比總結(jié)直流替代交流的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

為此，本文模擬并搭建3個(gè)典型的傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)，分別對(duì)實(shí)際配電網(wǎng)中出現(xiàn)的偏遠(yuǎn)農(nóng)村輸電線路過長、城市內(nèi)重要負(fù)荷輸電走廊受限、分布式電源接入等幾個(gè)典型問題進(jìn)行仿真分析與研究。針對(duì)每個(gè)場(chǎng)景出現(xiàn)的問題，將有問題的負(fù)荷部分由交流改為直流，將兩者的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與對(duì)比，證明交直流混聯(lián)配電網(wǎng)相較于傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)能減少線損，提高電壓，擁有更好的電能質(zhì)量和更大的供電容量，并且方便接入分布式電源，減少電力電子器件的使用。

1 城市負(fù)荷中心供電走廊受限應(yīng)用場(chǎng)景

城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，致使城市供電負(fù)荷越來越集中化，而城市的供電走廊往往有限，擴(kuò)容難度大。負(fù)荷的增大與擴(kuò)容難的矛盾在當(dāng)今中國的大城市，尤其是發(fā)達(dá)的一線城市表現(xiàn)得越發(fā)顯著，特別是一線城市的醫(yī)院、商場(chǎng)以及高層辦公區(qū)等[4]。利用直流線路輸送容量大于交流線路的特點(diǎn)，在原有交流線路供電走廊的基礎(chǔ)上，進(jìn)行交流/直流改造，可以有效解決這一難題[5-6]。

1.1 案例仿真

針對(duì)供電走廊受限的這種情況，利用仿真軟件對(duì)其進(jìn)行建模。軟件中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，圈處為醫(yī)院負(fù)荷，設(shè)置為20 000 kVA，采用雙端供電結(jié)構(gòu)。在圖1中，左右兩邊AC電壓源同為220 kV，分別接到2個(gè)同樣的三繞組變壓器的高壓側(cè)，該三繞組變壓器的高中低壓側(cè)的電壓分別為220，110，10 kV，額定功率分別為140，100，40 MVA。2個(gè)三繞組變壓器的中壓側(cè)接其他負(fù)荷，設(shè)置為5 MW，低壓側(cè)10 kV接入圖中的主要電網(wǎng)。將醫(yī)院的輸電線路由交流改為直流，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。將畫圈處的線路變成交流，項(xiàng)目整體變成交直流混聯(lián)形式[7]。

圖1 城市重點(diǎn)負(fù)荷原供電線路拓?fù)鋱D

圖2 城市重點(diǎn)負(fù)荷交直流混聯(lián)線路拓?fù)?/p>

城市重點(diǎn)負(fù)荷在兩種結(jié)構(gòu)下的電壓標(biāo)幺值如圖3所示。圖3中，重點(diǎn)負(fù)荷連接在12號(hào)節(jié)點(diǎn)處，因?yàn)樨?fù)荷增大，供電走廊緊張，12號(hào)節(jié)點(diǎn)在傳統(tǒng)交流結(jié)構(gòu)下電壓標(biāo)幺值下降到接近0.6，嚴(yán)重影響到了電能質(zhì)量。因此，將連接12號(hào)節(jié)點(diǎn)的交流線路改造為直流線路(如圖2圈內(nèi)所示)。改為直流后，12號(hào)節(jié)點(diǎn)處在交直流混聯(lián)結(jié)構(gòu)下的電壓標(biāo)幺值恢復(fù)明顯，標(biāo)幺值為1.01，可以滿足電能需求。原醫(yī)院交流結(jié)構(gòu)因?yàn)樨?fù)荷增大，又由于輸電走廊的限制，所能夠承載的負(fù)荷大小受到限制；母線電壓下降明顯，無法滿足電能質(zhì)量的要求，將嚴(yán)重影響用戶各類重要設(shè)備的使用效果。將通往該重點(diǎn)負(fù)荷的部分線路改換成直流線路之后，電壓等級(jí)得到明顯回升，達(dá)到可接受的范圍，并且可以接入更大容量的負(fù)荷，這對(duì)于此處以后的發(fā)展也有重要的促進(jìn)作用。

圖3 城市重點(diǎn)負(fù)荷兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電壓標(biāo)幺值對(duì)比

1.2 交直流經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

對(duì)交流線路改造為直流線路前后的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，在改造時(shí)主要需要增加換流站的建設(shè)，而在換流站中主要有換流器、交流變壓器、交流濾波器與直流電容器等。根據(jù)現(xiàn)有研究與實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)來判斷，可以把換流站的建設(shè)成本按照1 000元/kW進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于交流變電站，主要成本按照300元/kW進(jìn)行計(jì)算。

直流電纜相較于交流電纜的絕緣要求更低，因此直流電纜的造價(jià)相對(duì)于交流電纜的更低。對(duì)于向中壓交流負(fù)荷供電的線路，交流電纜的價(jià)格約為330元/m，7.5 kV直流電纜的價(jià)格約為150元/m，15 kV直流電纜的造價(jià)約為100元/m；對(duì)于向中壓直流負(fù)荷供電的網(wǎng)絡(luò)，交流電纜的造價(jià)約是400元/m，7.5 kV直流電纜的造價(jià)約是220元/m，15 kV直流電纜的造價(jià)約是100元/m；對(duì)于向低壓側(cè)負(fù)荷供電的線路，交流電纜的造價(jià)約是200元/m，7.5 kV直流電纜的造價(jià)約是100元/m，15 kV直流電纜的造價(jià)約是100元/m。

在7.5 kV與15 kV電壓等級(jí)的直流斷路器價(jià)格約為45萬元/臺(tái)和70萬元/臺(tái)，而交流斷路器約為2萬元/臺(tái)。7.5 kV 及15 kV直流變壓器造價(jià)約為50萬元/臺(tái)和85萬元/臺(tái)，而交流變壓器在容量為1 MW時(shí)，價(jià)格約為15萬元/臺(tái)。應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)的逆變器與斷路器，價(jià)格約為800元/kW。該城市重點(diǎn)負(fù)荷場(chǎng)景的投資成本比較如表1所示[8]。

表1 城市重點(diǎn)負(fù)荷場(chǎng)景投資成本統(tǒng)計(jì)

2 改善長線路末端低電壓的應(yīng)用場(chǎng)景

我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程迅速，但是依然擁有大量農(nóng)村人口，偏遠(yuǎn)農(nóng)村雖然平常用電較少，但是夏天用電高峰或者節(jié)假日用電量急劇上漲，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)往往無法保證用戶的用電質(zhì)量。對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)長距離輸電進(jìn)行直流改造，對(duì)改善居民生活，提高人民幸福感具有現(xiàn)實(shí)意義[9]。

2.1 案例仿真

偏遠(yuǎn)地區(qū)長距離交流供電線路的主要問題為輸電距離過長導(dǎo)致電壓跌落過大，并且輸送容量受限，因此將部分線路改為直流線路。原有交流拓?fù)鋱D中的AC電源為110 kV，經(jīng)過變壓器降壓為10 kV，線路長度原為15 km，改造后變?yōu)?0 km，用戶的負(fù)荷設(shè)為8 000 kVA。交流供電線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。將劃圈部分線路改為直流，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 偏遠(yuǎn)地區(qū)長距離交流供電線路拓?fù)鋱D

圖5 偏遠(yuǎn)地區(qū)交直流混聯(lián)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

將連接偏遠(yuǎn)地區(qū)的負(fù)荷線路改換成直流之后，電壓等級(jí)得到明顯回升，在可允許的偏差內(nèi)，可以接入更大的負(fù)荷，改善了村民的用電質(zhì)量。

偏遠(yuǎn)地區(qū)場(chǎng)景下兩種供電結(jié)構(gòu)電壓標(biāo)幺值對(duì)比圖如圖6所示。如果要使原有純交流配電網(wǎng)在遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)處的電壓水平達(dá)到電能要求，則該節(jié)點(diǎn)所接負(fù)荷最多為1 500 kVA，而改用交直流混聯(lián)結(jié)構(gòu)后，負(fù)荷可以達(dá)到10 000 kVA。

圖6 偏遠(yuǎn)地區(qū)場(chǎng)景下兩種結(jié)構(gòu)電壓標(biāo)幺值對(duì)比圖

偏遠(yuǎn)地區(qū)場(chǎng)景下兩種結(jié)構(gòu)所能承載負(fù)荷功率對(duì)比如圖7所示，此時(shí)所承載的負(fù)荷容量也得到了大幅提升，從1 500 kVA提升到了10 000 kVA，極大地改善了偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶的用電質(zhì)量，并提高了供電容量。

圖7 偏遠(yuǎn)地區(qū)場(chǎng)景下兩種結(jié)構(gòu)所能承載負(fù)荷功率對(duì)比

2.2 交直流經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

該場(chǎng)景的各類設(shè)備單價(jià)與表1一致，而設(shè)備數(shù)量、線纜長度、負(fù)荷功率等不一致，其經(jīng)濟(jì)性比較如表2所示。

表2 長距離輸電場(chǎng)景投資成本統(tǒng)計(jì)

3 促進(jìn)分布式新能源消納的應(yīng)用場(chǎng)景

綠色經(jīng)濟(jì)的提出，促使了各類新能源發(fā)電快速發(fā)展，部分地區(qū)安裝了大量分布式新能源裝置，包括風(fēng)電、光伏發(fā)電與蓄電池等。這些新能源設(shè)備有的是交流，有的是直流，并且都需要接入配電網(wǎng)。如果接入傳統(tǒng)的交流網(wǎng)絡(luò)則需要大量的電力電子設(shè)備，不僅控制復(fù)雜、維修不便且會(huì)造成建設(shè)成本過高。將交流配電網(wǎng)進(jìn)行直流改造后，將大大改善這些問題[10]。

3.1 案例仿真

針對(duì)含有大量分布式電源接入的情形，本文采用一種典型的手拉手式兩端配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

在圖8中，左右兩個(gè)交流電源采用110 kV電壓等級(jí)，通過變壓器降壓到10 kV交流電，再通過整流器變?yōu)?.5 kV的直流電，左右兩側(cè)的電壓源、變壓器、整流器，以及母線參數(shù)均保持一致。在此場(chǎng)景下，有直流負(fù)荷與交流負(fù)荷交替出現(xiàn)的情況，同時(shí)分布式電源也有交流與直流兩種模式同時(shí)存在。在此種結(jié)構(gòu)下，直流負(fù)荷和直流式的分布式電源接入電網(wǎng)將更加方便，可以省去大量電力電子器件，從而節(jié)省大量設(shè)備成本。同時(shí)，通過換流裝置接入的交流負(fù)荷雖然增加了一些換流設(shè)備，但是負(fù)荷的電能質(zhì)量可以得到提升，所能承載的負(fù)荷功率也能得到大幅提高。綜合整個(gè)配電網(wǎng)而言，會(huì)比傳統(tǒng)的純交流配電網(wǎng)擁有更好的電能質(zhì)量，也可提升用戶的用電可靠度[11-14]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，該方案的經(jīng)濟(jì)性也能得到進(jìn)一步提高。

圖8 有分布式電源大量接入的交直流混聯(lián)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

各個(gè)設(shè)備的成本單價(jià)與表1一致，該結(jié)構(gòu)的建設(shè)投資成本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。在線路拓?fù)浜碗娔軅鬏斎萘炕鞠嗤瑫r(shí)，由于各類電力電子設(shè)備的造價(jià)比較貴，交直流混聯(lián)配網(wǎng)的投資成本高于傳統(tǒng)的純交流配電網(wǎng)，并且隨著電壓等級(jí)的提升，交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的投資成本也會(huì)隨之提高[7]。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各類設(shè)備價(jià)格將持續(xù)降低，使得交直流混聯(lián)配電網(wǎng)具有比較大的降價(jià)空間。

表3 促進(jìn)新能源消納場(chǎng)景投資成本統(tǒng)計(jì)

4 直流代替交流的綜合性分析

對(duì)于配電網(wǎng)整體而言，直流配電網(wǎng)傳輸電能的能力明顯高于交流網(wǎng)絡(luò)，用戶側(cè)所獲得的整體電能質(zhì)量更高。雖然交直流混聯(lián)配電網(wǎng)前期投資成本更高，但是長期而言具有更大的經(jīng)濟(jì)效益、更好的供電性能，并且具有巨大的發(fā)展?jié)摿脱芯績r(jià)值。純交流模式與進(jìn)行直流改造后幾種模式的5種性能對(duì)比如圖9和圖10所示。直流改造過后的配電網(wǎng)在新能源消納、可靠性等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

圖9 兩種結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

圖10 4種結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

5 結(jié)語

本文著眼于對(duì)交直流混聯(lián)配電網(wǎng)和傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比，交流部分為10 kV，直流部分為7.5 kV，依據(jù)潮流數(shù)據(jù)對(duì)兩種配電網(wǎng)模式進(jìn)行比對(duì)，得出以下結(jié)論。

(1)交直流混聯(lián)配電網(wǎng)可以明顯提升遠(yuǎn)距離負(fù)荷處的電壓，并且可以縮短線纜長度，降低線損。

(2)將直流改造為交流之后，可以提高電網(wǎng)所能承載的負(fù)荷容量，提升電網(wǎng)的傳輸效率。

(3)交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)有利于接入各類直流或是交流形式的分布式電源，對(duì)于分布式電源較多的地區(qū)，可以減少大量電力電子設(shè)備的使用，降低配電網(wǎng)的設(shè)備成本，并且對(duì)于新能源的利用也有促進(jìn)效果。

綜上，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，用電負(fù)荷逐年升高，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也逐漸提高，對(duì)現(xiàn)有配電網(wǎng)的升級(jí)改造變成了一項(xiàng)必然的要求。隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備造價(jià)會(huì)逐漸降低，交直流混聯(lián)配電網(wǎng)將擁有良好的綜合優(yōu)勢(shì)、經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展前景。