直流供配電系統(tǒng)在高速公路中的應(yīng)用構(gòu)想

彭曉春，和紹君

(廣西交通設(shè)計集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

近年來，隨著社會進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力負(fù)荷快速增長，直流負(fù)載和含有直流環(huán)節(jié)的負(fù)載增長迅速。交流配電網(wǎng)向直流負(fù)載供電時，需要進(jìn)行AC/DC變換，降低了用電效率。相比交流配電網(wǎng)，在同等的建造費(fèi)用及占用同等走廊寬度條件下，直流配電網(wǎng)能夠有效提高供電容量或供電半徑[1]。隨著風(fēng)能、太陽能等可再生能源的迅速發(fā)展，直流配電網(wǎng)以其靈活、便捷的并網(wǎng)條件在新能源并網(wǎng)中擁有廣闊前景。基于此，近年來一些國家陸續(xù)展開了直流配電的研究，提出了各自的發(fā)展思路，取得了很多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，并建成了一系列直流供電技術(shù)驗證項目。

隨著公路行業(yè)的不斷發(fā)展，從電力輸送角度來看，高速公路全程用電具有沿線設(shè)備多、供電點(diǎn)分散、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。而且隨著電動汽車的推廣，短時大功率充電設(shè)備的投入將使高速公路的用電負(fù)荷大為增加。公路沿線的新能源諸如風(fēng)電站、太陽能電站等有較多的并網(wǎng)需求。基于這些特點(diǎn)，本文對直流供配電系統(tǒng)在高速公路中的應(yīng)用進(jìn)行分析構(gòu)想，為今后進(jìn)一步深入研究提供參考。

1 高速公路用電情況分析

高速公路沿線用電設(shè)施設(shè)備主要有收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)房建用電、收費(fèi)及通信設(shè)備用電、監(jiān)控設(shè)備用電、電動汽車充電樁用電、隧道機(jī)電用電等。圖1為廣西某高速公路的沿線設(shè)施示意圖，由圖可見，用電點(diǎn)幾乎遍布整條公路沿線。

圖1 廣西某高速路段的沿線設(shè)施示意圖

對用電負(fù)荷性質(zhì)進(jìn)行分類研究，高速公路工程中需要負(fù)荷直流電源的設(shè)施設(shè)備有：計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(包括監(jiān)控、收費(fèi)、通信設(shè)備)，LED照明設(shè)備，房建內(nèi)的諸如變頻洗衣機(jī)、變頻空調(diào)、變頻電冰箱、充電器、電視機(jī)等設(shè)備，變頻給水泵，攝像機(jī)、可變情報板、氣象環(huán)境檢測器、車檢器等外場設(shè)備。交流負(fù)荷有消防泵、檢修電源、消防風(fēng)機(jī)等設(shè)備。經(jīng)統(tǒng)計，交通沿線設(shè)施中直流負(fù)荷約占80%，隧道機(jī)電中直流負(fù)荷約占50%，合計該段高速公路直流負(fù)荷約占總負(fù)荷的67%。

2 高速公路直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流配電網(wǎng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有環(huán)狀、放射狀與兩端式三種[4]，如圖2～4所示。放射狀網(wǎng)絡(luò)供電可靠性較低，但故障識別及保護(hù)控制配合相對容易；環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)及兩端配電網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性高，但故障識別及保護(hù)控制配合相對困難。

圖2 放射狀直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 環(huán)狀直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 兩端式直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)高速公路用電設(shè)備分布特點(diǎn)及設(shè)備對供電可靠性的需求，高速公路直流配電網(wǎng)的拓?fù)湟瞬捎脙啥耸脚潆娊Y(jié)構(gòu)(見圖5)。正常情況下，直流電網(wǎng)由兩端變流器VSC共同供電，每一用電點(diǎn)均相當(dāng)于雙電源供電，由此保證重要負(fù)荷的供電可靠性。在該運(yùn)行方式下，一端采用定直流電壓控制，另一端采用定功率或下垂控制。當(dāng)直流電網(wǎng)中某一段中壓直流母線故障斷開時，兩端交流系統(tǒng)可以通過各自的變流器形成兩個獨(dú)立的放射狀直流配電網(wǎng)，運(yùn)行方式變?yōu)閱味霜?dú)立供電。在設(shè)備供電不受影響前提下，運(yùn)維人員對故障進(jìn)行檢修，檢修完成后再投入聯(lián)網(wǎng)斷路器，系統(tǒng)再次變?yōu)殡p端供電運(yùn)行方式。目前，光伏發(fā)電、風(fēng)電等分布式電源已經(jīng)取得了一些成效，在未來其發(fā)電量會逐步提高。在此系統(tǒng)中，分布式電源的產(chǎn)能主要用于本電網(wǎng)的消耗，發(fā)電量充裕情況下可以向主電網(wǎng)反送電能。為此，變流器VSC采用全控型電壓源換流器，能量可以正反兩個方向輸送。

圖5 高速公路直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合高速公路實(shí)際情況，高速公路直流配電系統(tǒng)可分為四種接入形式：

(1)交通工程沿線收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)的房建用電、機(jī)房用電、充電樁用電、隧道LED照明用電、沿線情報板監(jiān)控設(shè)施用電等直流負(fù)荷，僅從電網(wǎng)吸收功率，此類負(fù)荷使用DC/DC變壓器進(jìn)行供電。

(2)服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站等設(shè)置的光伏發(fā)電輸出為直流電，且僅向電網(wǎng)輸送功率，此類設(shè)備使用DC/DC換流器向系統(tǒng)反送電能。

(3)公路沿線附近設(shè)置的風(fēng)力發(fā)電輸出為交流電，且僅向電網(wǎng)輸送功率，此類設(shè)備使用AC/DC整流器向系統(tǒng)反送電能。

(4)消防水泵、消防風(fēng)機(jī)等交流負(fù)荷，僅從電網(wǎng)吸收功率，此類負(fù)荷使用DC/AC逆變器進(jìn)行供電。

3 高速公路直流配電網(wǎng)的電壓序列

關(guān)于直流配電電壓等級序列的設(shè)定，國內(nèi)外學(xué)者均有相關(guān)研究，但尚未達(dá)成一致性的意見。國際上直流配電研究項目中，瑞典學(xué)者選用32 kV中壓和325 V低壓系統(tǒng)進(jìn)行了供電效率研究；美國學(xué)者選用13.8 kV電壓等級對直流配電系統(tǒng)的供電能力進(jìn)行了研究；日本學(xué)者從人體安全和設(shè)備安全角度提出了400 V的民用直流配電電壓；瑞典哥德堡市查爾斯理工大學(xué)的Sannino A.等對直流配電系統(tǒng)在商業(yè)設(shè)施中的可行性進(jìn)行了研究，最后從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮，最合適的直流配電電壓是326 V，這個電壓適用于當(dāng)前系統(tǒng)并可以使用現(xiàn)有電纜。

我國盛萬興、李蕊等學(xué)者[5]也作了相關(guān)研究，提出適用于我國國情的直流配電電壓等級序列的初步設(shè)想，如表1所示。

表1 直流配電電壓等級序列表

根據(jù)用電負(fù)荷實(shí)際情況，高速公路直流配電網(wǎng)電壓序列可選為±10 kV、400 V、110 V、48 V。具體考慮如下：

(1)±10 kV：采用雙極結(jié)構(gòu)供電，可使用現(xiàn)有交流10 kV電纜，但其供電容量(距離)比現(xiàn)有交流10 kV大一倍多；且±10 kV與現(xiàn)有的交流10 kV匹配，易于變流實(shí)現(xiàn)。

(2)400 V：與我國380 V三相交流銜接，易于逆變給交流負(fù)荷(風(fēng)機(jī)、水泵等)供電；根據(jù)國外學(xué)者研究，400 V左右的直流電壓從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全角度取得較好平衡；400 V直流電壓也能滿足電動汽車充電需求。

(3)110 V：多數(shù)家電、各類個人護(hù)理電子產(chǎn)品、移動設(shè)備充電器等均適配110 V直流電壓，故選用110 V電壓作為住宅、辦公類場所的供電電壓。

(4)48 V：用于局部需要安全電壓的部位，另外通信類設(shè)備直流負(fù)載電壓為48 V。

4 結(jié)語

關(guān)于直流供電技術(shù)，在全球范圍內(nèi)已逐步展開研究。直流配電線路的損耗低、傳輸效率高，節(jié)省線路走廊；相比于傳統(tǒng)交流配電線路，直流配電系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)容和故障隔離；直流配電系統(tǒng)理論上不需輸送無功功率，也無需進(jìn)行無功補(bǔ)償，可減少相應(yīng)的設(shè)備投資；直流配電系統(tǒng)便于新能源及儲能設(shè)備的接入，還可以與儲能技術(shù)結(jié)合提供更可靠的電源。

根據(jù)高速公路用電分布及用電性質(zhì)，可將高速公路分段建立直流供配電系統(tǒng)，選用±10 kV雙極結(jié)構(gòu)供電，電纜沿公路全線敷設(shè)，采用兩端式配電結(jié)構(gòu)，依據(jù)“遇點(diǎn)設(shè)站”原則，在沿途各服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站、隧道、互通立交等處設(shè)置變配電所。相比高速公路現(xiàn)有交流配電網(wǎng)，直流供配電系統(tǒng)提高了供電可靠性，減小了施工難度。在直流配電配套設(shè)備技術(shù)成熟情況下還能大大減小設(shè)備投資。在新能源快速發(fā)展的形勢下，建立直流供配電系統(tǒng)，便于沿途各類分布式電源的接入也是發(fā)展的必然趨勢。未來15年內(nèi)，國內(nèi)新能源新車將達(dá)到占比40%，高速公路沿途電動汽車充電樁也將達(dá)到一定規(guī)模，該類充電樁特點(diǎn)是分布范圍廣、裝機(jī)容量大，高速公路全線實(shí)現(xiàn)中壓直流系統(tǒng)供電，將使這一問題迎刃而解。

本文從高速公路用電情況及特點(diǎn)出發(fā)，提出高速公路直流供配電系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)想，對該系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式及電網(wǎng)電壓序列進(jìn)行了初步構(gòu)思，為今后進(jìn)一步深入研究提供參考。目前，直流配電網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)還存在大量問題尚未解決，仍需廣大學(xué)者進(jìn)行更廣

泛深入的研究，以期早日實(shí)現(xiàn)直流配電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

[1]江道灼，鄭 歡.直流配電網(wǎng)研究現(xiàn)狀與展望[J].電力系統(tǒng)自動化，2012，36(8)：98-104.

[2]王 丹，毛承雄，陸繼明，等.直流配電系統(tǒng)技術(shù)分析及設(shè)計構(gòu)想[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37(8)：82-88.

[3]趙 彪，趙宇明，王一振，等.基于柔性中壓直流配電的能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2015，35(19)：4843-4851.

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[5]萬盛興，李 蕊，李 躍，等.直流配電電壓等級序列與典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)初探[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2016，36(13)：3391-3403.