含電力電子變壓器的低壓直流配電網接線形式探討

鄒 晗 王 磊 梁文軍

（江蘇省電力設計研究院有限公司，江蘇南京210012）

0 引言

近年來，并網的各種中小型分布式直流負荷有了爆發式增長，低壓直流配電網絡受到眾多設計單位、項目實施單位的廣泛關注。在該領域的技術研究主要包括短路電流建模計算、潮流計算、調度技術等。直流配網既要面向待接入的直流發電系統及直流負荷，又要考慮接入交流電網系統，還要考慮接地設計。本文就某省綜合能源服務項目，對直流配網的主接線及接地形式進行探討。

1 直流配網的優勢

中、小容量應用電子變頻技術在用電設備中的應用越來越普遍，很多設備采用直流電驅動。小型風光電源、儲能裝置及充電汽車等設備的大量接入，其AC/DC轉換環節提升了系統能耗，增加了諧波。通過構建直流配電網，不需要AC/DC轉換環節就可以給該設備供電，縮短了供配電環節，降低了系統能耗，也減少了網絡諧波。

直流配電網優勢如下[1-2]：

（1）在小型配電網中只需鋪設兩三條電纜通道，節約線路造價，提高了輸送容量，減少了損耗；

（2）無需配置無功補償裝置，且系統無頻率問題，具有良好的穩定性；

（3）系統能夠閉環運行，具有高可靠性；

（4）對于直流供電負荷，可減少電源與負荷之間的交直流轉換裝置，節約設備投資，減少中間環節損耗。

2 直流配網主接線方式（接入側）

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

單極大地回線需設置接地極，其流過的電流可能對周邊人與物產生影響，故極少采用。

圖1 偽雙極接線方式圖

圖2 雙極接線方式圖

在剩余3種接線中，主接線均采用兩路直流線路進行電能輸送，但偽雙極或雙極主接線具有相對稱的直流電壓，在相同的極間電壓下，偽雙極或雙極主接線直流極線及變壓器所耐受電壓是單極主接線的1/2，且可避免不對稱運行對變壓器的影響。

雙極主接線在一極出現故障時仍可采用單極運行，可靠性高，但需在次級轉換回路中采用多個換流器。同時，換流站的變壓器及交流側設備需考慮直流電壓一半的直流偏置電壓，而偽雙極接線方式下則只承受交流電壓，因此，雙極接線方式下換流站的變壓器及交流場的設備單價較偽雙極方案高。同時，雙極接線需要為直流電纜雙極短路時設置阻斷柜以達到限流的目的，增加了相關設備費用。此外，雙極系統接線需要加入類似常規直流的金屬回線轉換操作順控流程以及金屬回線電流均衡控制策略，因此控制保護系統較偽雙極系統接線要復雜得多。

綜上，雙極主接線通常用于可靠性要求較高的大容量場合。而直流配電系統電壓等級低、容量小，并且一般采用兩端甚至多端配電系統結構，可靠性較高，采用雙極主接線意義不大。因此，在目前已投運及在建的工程中，綜合考慮經濟性、項目負荷水平及工程方案的成熟度等要素，中壓側多采用偽雙極接線。

本工程系統容量較大，同時可靠性要求相對較高，故選用雙極接線方式。

3 直流配網低壓側主接線

3.1 低壓交直流負荷的接入方式

從圖3（a）所示的典型拓撲結構可見，低壓側接入直流負載和分布式電源。偽雙極接線的靈活性較雙極差距較大，同電壓等級，當采用雙極接線時，系統可提供兩種電壓等級供接入。在單極故障時，不影響另一極所接負載的運行。對于某些非居民用電且輸入電壓差要求較高的設備，可采用接入正負極線的方式，如圖3（b）所示。

圖3 低壓直流負荷接入方式示意圖

本工程交流380 V網絡，須經過逆變接入。對于雙極接線系統而言，三相交流負載可采用如圖4所示的方式接入。對于偽雙極系統，由于直流側只有單極和N線，逆變裝置的直流側兩極應分別接入正極（或負極）和N線，導致交流側無法接地，引不出N線。因此，對于存在交流負荷的交直流混合配電網，采用雙極接線方式更優。

圖4 低壓交負荷接入方式示意圖

3.2 低壓側主接線

目前，中低壓直流側雙極系統中線引出方法已經比較統一，如圖5所示。高壓交流母線經變壓器后與變流器相連，經中間隔離級后輸出低壓直流，該低壓直流可按照雙極對稱方式連接，兩極可獨立運行，中間采用接地極形成返回電流通路。輸出級兩個DC/DC單元分別并聯在雙極低壓直流母線上，輸出直流可按照雙極對稱方式連接。針對系統中的交流設備，輸出級的DC/AC電能變換單元通過并聯在負極低壓直流母線中經換流器后可產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的關鍵設備，對于由多個單元模塊組合而成的變壓器而言，其組合接線分別如圖6所示。其中，圖6（a）采用兩臺電力電子變壓器，高壓側并聯，低壓側串聯引出中線。圖6（b）采用調整電力電子變壓器內部結構的方法，各單元模塊高壓側串聯，低壓側兩等分各自并聯后再串聯。第一種較第二種多使用一臺直流變壓器，考慮到功率元器件散熱，對于容量較小的直流配網的接入，推薦使用第二種方式，而對于大容量的直流配網或直流微網則可使用第一種方式。

圖5 低壓側主接線

圖6 直流配網低壓側主接線

4 接地方式

4.1 高壓側接地方式

對于高壓側采用雙極接線的直流配電網，高壓側接地主要有兩種形式。當連接變采用“Dyn”聯接時，其中性點可作為高壓側的接地點，此時應首先考慮采用交流側接地方式，直接在變壓器中性點經大電阻接地。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，須在PCS直流側設置專門的接地點。當采用直流側大電阻接地時，接地支路會產生穩態有功損耗，且隨著直流側電壓等級的升高而愈加嚴重，因此盡量不要采用大電阻。鑒于上述原因，現有直流配網中多采用交流側接地方式。

4.2 低壓側接地方式

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

（1）TT接地方式。系統中電源側和負載側各自接地，負載側電氣裝置的外露導電部分接至電氣上與電源側接地點無關的接地裝置。從電源側看，對于單極直流系統，一般將電源側負極出線接地；對于雙極直流系統，將電源側中線接地。

（2）IT接地方式。系統電源側與大地間不直接連接（經阻抗接地或不接地），負載側電氣裝置的外露導電部分直接接地。該接地方式當發生接地故障時，故障電流較小，負載仍可正常運行。

（3）TN接地方式。系統有一點直接接地，負載側電氣裝置的外露導電部分用保護線與該點連接。該接地方式當發生接地故障時，會產生較大的故障電流，影響其他負載運行，但故障容易檢測并可快速清除。

5 結論

（1）結合示范工程的實際情況，直流配電網高壓側采用雙極接線形式。

（2）考慮到配網用電習慣及單相交流負荷的接入要求，直流配網低壓側采用雙極主接線方式。

（3）低壓側雙極系統可由兩臺直流變壓器高壓側并聯低壓側串聯實現，也可由單臺直流變壓器通過低壓側改接線實現。對于大容量的低壓直流配網或低壓直流微網的接入，推薦采用前者，對于小容量，則建議采用后者。

（4）直流配網接地方式采用IT接地方式。