中壓交、直流配網供電能力比較

裘 鵬，陸 翌，黃曉明，高一波，徐習東

（1.浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江大學電氣工程學院，杭州 310027）

隨著柔性直流輸電技術（VSC-HVDC）在風電場并網等高壓直流輸電領域的成功應用，以及多端柔性直流輸電系統、交直流混合輸電系統相關研究的深入開展［1－5］，柔性直流系統在控制特性、電能質量、可靠性等方面的突出優點引起了學者們的關注。眾多學者開始將其引入配電技術領域，展開了柔性直流配電技術的研究［6－11］。

在國民經濟持續快速發展的背景下，城市供電系統的發展速度跟不上負荷的增長速度，尤其是大型中心城市的配網正面臨著供電能力不足、供電走廊緊缺、短路容量超過斷路器開斷能力等突出問題。城市的快速擴張也對配電網的供電半徑提出更高要求。而且城市土地資源緊張，新建變電站或者增加新的供電走廊的土地征用成本巨大。通過對現有交流配網進行改造，引入直流配電技術，在原有交流配網電纜線路的基礎上建設直流配網，增加現有供電走廊的供電能力成為極具吸引力的一個選擇。

總結現有的關于交、直流配電方式下供電能力比較方面的文獻，文獻［12］從電壓穩定的角度出發分析了直流配電系統的功率傳輸極限問題；文獻［13］同樣從電壓穩定的角度出發，用數值計算的方法比較了交、直流配網的最大傳輸容量；文獻［14］和文獻［15］基于各自的配網模型對不同結構的交、直流配網的損耗與運行效率進行了分析比較。但尚未有文獻針對中壓等級的交、直流配網，從線路損耗、電壓損失、供電半徑、最大供電容量等多個方面進行系統性的供電能力分析比較。

本文在原有中壓交流配網電纜線路保持繼續使用的前提下，對中壓交、直流配網的供電能力進行比較。首先考慮電纜線路絕緣要求，結合直流配網相比于交流配網的運行特點對直流配網運行電壓的選擇進行討論，建立對比的基礎。然后，在電纜線路的導線截面、電流密度與絕緣水平相當的前提下，從線路損耗、沿線電壓損失、供電半徑、最大供電容量等方面就交、直流配網的供電能力進行理論推導和分析比較，并結合實際電纜參數對10 k V交流配網與±7.5 k V直流配網進行計算比較。最后對文章中未能充分考慮到的幾個因素進行說明，指出進一步研究的方向。

1 直流配網電壓的對比選擇

電壓等級是影響交流配網與直流配網供電能力的主要因素，在交流配電方式與直流配電方式之間確定一個具有可比性的電壓等級對應關系是所有比較的基礎。本文進行比較的前提條件是原有交流配電電纜線路保持繼續使用，在其上運行直流配網，所以選擇線路絕緣要求作為比較的基礎。以交、直流配電運行方式下滿足相同的電纜線路絕緣要求作為電壓選擇的依據，進而開展其他方面的比較。

中壓交流配網一般以三相三線制運行，在單相接地故障下要求保持運行2 h，此時正常相的相電壓上升為線電壓的大小，即電纜線路要滿足線電壓峰值的絕緣要求。

基于以上分析，對于10 k V電壓等級的交流配網，選擇直流配網電壓等級為極間電壓±7.5 k V，是具有可比性的。本文的計算比較針對交流配網線電壓有效值Uac＝10 k V，與直流配網極間電壓Udc＝±7.5 k V的電壓等級展開。

2 線路損耗比較

采用三相三線制結構的中壓交流配網，根據交流網絡潮流計算公式，在配送功率P一定的情況下，電纜線路上的功率損耗為

式中 Uac——電纜線路末端電壓，可近似取為線路額定電壓；cosφ——負載的功率因數；rac——單位長度電纜的交流有效電阻；l——電纜線路長度。

考慮中壓直流配網采用雙極雙線結構，根據直流網絡潮流計算公式，在配送功率P一定的情況下，電纜線路上的功率損耗為：

式中 Udc——電纜線路末端電壓，可近似取為線路額定電壓；rdc——單位長度電纜的直流電阻；l——電纜線路長度。

根據1中的分析取Udc＝2··Uac，近似取rac＝rdc，由式（4）比式（1）、式（6）比（式3）可得：

3 線路電壓損失比較

線路的電壓損失是指線路首、末端電壓的代數差［21］。帶對稱負荷的電力線路及其相量圖如圖1所示。末端帶一個集中三相對稱負荷的其中一相線路，如圖1（a）所示［22］，r和x為線路阻抗，（P＋j Q）／3為負荷節點的一相功率。

圖1 帶對稱負荷的電力線路及其相量圖

其中

ΔU為相電壓降落的縱分量，δU為相電壓降落的橫分量。由于配電線路兩端電壓相角差一般都不大，可近似用相電壓降落的縱分量ΔU來表示相電壓損失，則線電壓損失公式為：

直流配電方式下的直流電壓損失為：

式中 r——電纜單位長度電阻；x——電纜單位長度電抗；l——線路長度。

以單芯XLPE絕緣電纜YJV22為例，額定線電壓10 k V，截面積800 mm2，單位長度電阻與電抗r≈0.034 2Ω／km，x≈0.090 1Ω／km（平行排列），Uac＝10 k V，Udc＝±7.5 k V，配送功率P＝15 MW時，ΔUdc、ΔUac與線路長度l的關系如圖2所示。只有當負荷功率因數非常接近1（大于0.99）時交流電壓損失才低于直流電壓損失，當負荷功率因數小于0.9時交流電壓損失遠大于直流電壓損失。

圖2 不同功率因數下ΔU dc和ΔU ac與線路長度l的關系

由式（13）比式（12）可得：

4 供電容量比較

在運行電壓確定的條件下，最大供電電流直接決定了最大供電容量。不考慮電壓損失的約束，假定交、直流配電運行方式下電纜的長期運行允許工作溫度相同，則電纜線路的最大載流量相同。當電纜線路長度超過一定值時，對電壓損失的要求開始決定最大供電電流的大小，進而對最大供電容量產生影響。

首先考慮最基本的情況，交、直流配網都以最大載流量運行，并有Iac＝Idc。由式（5）比式（2）得

進一步考慮電壓損失對供電容量的影響，當傳輸距離大于某一值時，由于受負載端允許電壓偏差（± 5%）限制，導線傳輸最大功率的能力急劇減小［10］。

對于交流配網，在不考慮線路補償裝置的情況下，由（12）式可得，

式中 l——線路長度。

對于直流配網，由（13）式可得

仍以單芯XLPE絕緣電纜YJV22為例，額定線電壓10 k V，截面積800 mm2，單位長度電阻與電抗r≈0.034 2Ω／km，x≈0.090 1Ω／km（平行排列），取Uac＝10 k V，cosφ＝0.9，Udc＝±7.5 k V。交流配網與直流配網最大供電容量與供電距離的關系如圖3所示。

圖3 交、直流配網最大供電容量與供電距離的關系

圖3中，交、直流配網最大供電容量各有一段為定值，這是因為在供電距離較短時最大供電電流受長期運行允許工作溫度的限制，故在該段最大供電容量為一定值［17，23］。當供電距離大于某個值時，由電壓損失決定的最大供電電流開始小于由長期運行允許工作溫度決定的最大供電電流，故最大供電容量開始隨著供電距離的增加而顯著下降。由圖3可見，10 k V交流配網在不安裝補償裝置的情況下，當供電距離大于4 km時最大供電容量開始顯著下降，當供電距離超過8 km時供電容量已下降為直線段的一半；而15 k V直流配網在供電距離超過22 km時最大供電容量才開始下降，在供電距離超過44 km時最大供電容量才下降為直線段的一半。可見在長距離供電方面直流配網比交流配網有更大的供電容量，當供電距離超過22 km時，直流配網供電容量能達到交流供電容量的5倍多。

5 結語

在原有中壓交流配網電纜線路保持繼續使用的前提下，本文從線路損耗、沿線電壓損失、供電容量三個方面對交流配網與直流配網的供電能力進行了理論推導和分析比較，并結合實際電纜參數對10 k V交流配網與±7.5 k V直流配網進行了計算比較。

（1）配送相同大小的功率，采用直流配網能在電纜載流量基本不變的情況下大幅度降低配電線路損耗。

（2）滿足相同的電壓損失要求，采用直流配網能有效擴大城市配電網的供電半徑。

（3）在供電距離較短時，最大供電電流取決于電纜線路長期運行允許溫度，此時雙極直流線路與三相交流線路的供電容量大致相等，采用直流配網供電能節省一條電纜線路的供電走廊，或者在相同供電走廊占用情況下提高50%的供電容量。

（4）在供電距離超過一定值時，最大供電電流開始由電壓損失要求來決定，此時直流配網的最大供電容量開始超過交流配網，最高能達到交流配網的5倍多。

這些結論是在電纜線路的導線截面、電流密度與絕緣水平相當的前提下得到的，具體計算結果與交、直流配網的電壓等級、電纜線路的阻抗參數、負荷的功率因數等參數有關。本文在確定直流配網運行電壓時是基于同樣的電纜絕緣考慮，認為直流絕緣要求與交流絕緣要求相同，這一假設是否成立尚需對電纜絕緣做進一步的研究和實驗驗證。對于直流配網的整體損耗分析除了線路損耗外還應包括換流器損耗。從高壓柔性直流輸電系統中使用的電壓源換流器來看，其損耗要高于交流變壓器，但用于配電網的配電換流器尚無成型的標準化產品，而且電力電子技術的發展正在逐漸降低電壓源換流器的損耗，對于這方面的內容本文不做進一步的展開。

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