直流配電系統(tǒng)技術分析及設計構想

龔發(fā)虎

摘 要：文章主要研究直流配電技術及其設計構想，分析了直流配電技術的發(fā)展現(xiàn)狀和技術優(yōu)勢，并給出了一種直流配電系統(tǒng)設計方案構想。

關鍵詞：直流配電系統(tǒng)；技術；設計

中圖分類號： TM72 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）35-193-2

0 引言

電力系統(tǒng)快速發(fā)展，傳統(tǒng)的交流配電技術不再滿足需求，為了進一步提高配電運作效率、安全性和可靠性，為用戶輸送更高質量的電能，關于直流配電技術的研究逐漸增多，研究直流配電系統(tǒng)技術和設計策略是配電技術發(fā)展的必然方向。

1 直流配電技術

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

1.1 直流配電技術現(xiàn)狀

直流電力傳輸技術經過多年發(fā)展已經逐漸成熟，積累了豐富的建設和運行經驗，國內外電力輸送中都有著較為廣泛的應用，很多場合甚至只能使用直流傳輸技術。而配電方面，早期直流換流器功耗大，造價高，限制了直流技術的發(fā)展和應用。而近些年，新型半導體材料發(fā)展迅速，尤其是碳化硅、氮化鎵等半導體材料，顯著降低傳統(tǒng)半導體換流器件的功耗，為直流配電技術的應用和推廣提供了技術基礎。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方案，國際能源機構和美國電力研究學會都表示高度重視，歐洲已經開始建設300V直流體育場試驗項目，日本政府和新能源產業(yè)技術開發(fā)機構也組織相關企業(yè)、大學，積極開展住宅直流電技術的研究，建設了許多直流配電技術示范住宅項目。我國臺灣地區(qū)能源研究機構推出的“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源，德國亞琛大學的“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，使用大功率AC/DC、DC/DC獲取交流輸電網、直流輸電網電能，為城市規(guī)模的直流配電技術應用提供了優(yōu)秀模板。韓國有關低壓直流微電網的研究集中在能量管理控制系統(tǒng)方面，使用PSCAD模擬仿真，得出了一個科學的控制策略。國內關于直流配電技術的研究和應用主要包括大型發(fā)電廠升壓變電站、高壓變電站一次設備操作以及二次設備、通信設備電源等，除此之外，電信部門大型通信機房、船舶供電以及城市軌道交通供電也利用了直流供電技術。

1.2 直流配電技術優(yōu)勢

1.2.1 可靠性更高

直流配電技術可靠性高于相同電壓等級的交流線路，雙導線直流電路在直流配電系統(tǒng)正極線路故障時，負極會和大地形成閉合回路，將部分甚至全部功率輸出，從而有效保護線路上的電氣設備。單極、單相接地故障在所有故障中占據比例超過80%，相比之下，直流配電系統(tǒng)的故障響應速度更快，故障處理和恢復速度快，時間短，通過重復再啟動、降壓操作能夠為處理故障提供良好的操作環(huán)境，電力電子變換器還能夠將直流配電系統(tǒng)劃分為若干獨立區(qū)域，區(qū)域內故障不會影響其他區(qū)域的正常運行。

1.2.2 不存在頻率穩(wěn)定問題

交流配電系統(tǒng)配電運行需要考慮到頻率、相位、電壓幅值等多個技術參數(shù)，相比之下，直流配電系統(tǒng)只需要考慮電壓幅值，配電運行操作更加簡單直觀。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)則無須考慮這些問題，同時還具有供電輻射范圍廣泛、電能質量高以及電源分布式互聯(lián)等技術優(yōu)勢。

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，因為直流配電系統(tǒng)不會產生趨膚效應，也不會產生無功功率。直流配電系統(tǒng)的線路損耗集中在電力電子變換器上，而最新型號的直流變換器效率已經達到99%，并且隨著半導體寬禁帶電力電子器件的應用與快速發(fā)展，變換器效率還可以進一步提高。近些年，直流電負載越來越多，旋轉式負荷、變頻調速設備一同使用，為直流電技術提供了良好的使用需求。

2 直流配電系統(tǒng)設計構想

2.1 直流配電運行控制

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)的內部電壓等級轉換同樣依賴變壓器等電能變換裝置實現(xiàn)。直流配電系統(tǒng)電力電子變換裝置結構形式多樣，不同電壓等級配電網、儲能裝置、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)控制和運作的基本，直流配電系統(tǒng)控制的首要問題就是暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下保持電壓穩(wěn)定。

2.2 網絡結構優(yōu)化

直流配電系統(tǒng)因為采用了不同的電能配送形式，其網絡結構也和交流配電系統(tǒng)有較大的差別，建設并優(yōu)化線路網絡結構，是直流配電系統(tǒng)廣泛應用和發(fā)展的關鍵。直流配電系統(tǒng)有著和交流配電系統(tǒng)類似的多級配電網絡，彼此之間協(xié)調合作，其基本結構形式有閉環(huán)、輻射狀和網狀三種，不同的網絡結構有著不同的建設成本和控制難易程度，需要根據應用情境和建設投資規(guī)模合理選擇。我國交流配電網覆蓋十分廣泛，發(fā)展完善，拆除原有的交流配電網，大規(guī)模建設直流配電網是否值得還有待研究，理論上，應該首先積極建設交直流混合網，之后逐漸增加直流配電網規(guī)模，最后徹底取代交流配電網，這樣的建設方式更加貼合實際。

2.3 直流配電開關/保護

開關在電力系統(tǒng)中的主要功能是分離故障線路區(qū)域，避免故障擴大，威脅其他區(qū)域正常線路和關鍵設備。直流電流沒有自然過零點，因此分段難度大，導致直流開關設備技術難度遠遠高于交流系統(tǒng)，現(xiàn)階段中低壓直流配電開關已經能夠實現(xiàn)數(shù)十千大容量直流開閉，但是設備造價十分昂貴，成本高，大規(guī)模應用難度很大。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，缺少相關研究資料和實踐經驗，可以肯定的是大量的電力電子裝置會給直流配電系統(tǒng)的安全保護工作帶來巨大挑戰(zhàn)，如何充分發(fā)揮利用變換器快速通斷能力，保護直流配電系統(tǒng)是直流配電系統(tǒng)需要首先解決的問題。

2.4 多級直流配電網絡建設

直流配電系統(tǒng)同樣需要設置多個電壓等級控制線損，進行電能的遠距離傳輸。多級直流配電網中多個不同電壓等級的直流網之間相互協(xié)同，根據不同區(qū)域電能輸送和分配需求進行電力調度，同時接入用戶側小型分布式電源和風力發(fā)電、太陽能發(fā)電大型分布式電源。直流網絡不同級別直流電網相互解耦，故障電流能夠利用電子電力變壓器快速調節(jié)有效控制，從而進一步降低了直流配電網對開關的技術要求。當然現(xiàn)階段全直流配電網技術不允許，但是配電網末端低壓配電系統(tǒng)如進戶線、樓宇供電系統(tǒng)已經能夠直流傳輸。滯留多級配電網絡直流母線電壓等級更加安全，直接接在母線上的蓄電池效率更高，可靠性更好，而通過簡單Buck變化器接入系統(tǒng)的PV電源變換效率更高，負極接地直流母線和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，PV電源能量利用更加充分，交直流電負荷與供電可靠性都比較理想。

3 結語

直流配電系統(tǒng)能夠進一步簡化配電系統(tǒng)中的變換環(huán)節(jié)，從而進一步降低線損，獲得更高的能源利用效率，研究直流配電系統(tǒng)，對全面提高配電運行效率、安全性、可靠性，降低故障率有著重要意義。

參 考 文 獻

[1] 王丹，毛承雄，陸繼明，陳迅，曾杰，張俊峰.直流配電系統(tǒng)技術分析及設計構想[J].電力系統(tǒng)自動化，2013（08）.

[2] 桂銘陽.淺談直流配電系統(tǒng)技術分析及設計構想[J].中國高新技術企業(yè)，2015（04）.

[3] 王丹，柳依然，梁翔，毛承雄，陸繼明.直流配電網電壓等級序列研究[J].電力系統(tǒng)自動化，2015（09）.

[4] 李斌，何佳偉.柔性直流配電系統(tǒng)故障分析及限流方法[J].中國電機工程學報，2015（12）.

[5] 于亞男，金陽忻，江全元，徐習東.基于RT-LAB的柔性直流配電網建模與仿真分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015（19）.

[6] 馮錦星，馬向攀.直流配電系統(tǒng)技術分析及設計[J].電子技術與軟件工程，2013（20）.