低壓直流配電技術的研究綜述

摘要：文章首先對低壓直流配電技術的發展歷程做了概述，之后對低壓直流配電系統的分類、元件組成、特點、換流器理論及存在的問題進行了分析。與交流配電技術相比，低壓直流配電技術在電能輸送能力、線路損耗和輸電質量等方面具有優勢，但是其本身仍然存在諸多不足，低壓直流配電系統的設計和改進是相關專業人員今后重要的研究方向。

關鍵詞：低壓直流；配電技術；電力系統；電力電子技術；換流器；濾波器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM721 文章編號：1009-2374（2016）33-0127-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.062

1 概述

近年來，人們對電力系統的要求越來越高，電力電子技術的發展相對成熟，更多先進的、滿足人們不同需求的電力技術被應用到電力系統中。比如，相對高壓直流配電技術的廣泛運用，低壓直流配電（簡稱LVDC）也逐漸得到了國內外學者的關注和電力系統中的運用。雖然早期配電系統中的直流配電技術存在電壓過低、容量小和輸送距離短等不足，并且一度被交流技術所取代，但是隨著電力系統不斷完善和改進，直流配電技術在元器件上的改進，如降低換流器的造價成本和耐壓值、提高電流輸送量等，使本技術重新得到了廣大的關注。

從早期的研發到后期的改進，重新得到重視，可以看出低壓直流配電技術一直是人們研究的熱點，比如LDVC技術分析和問題研究等。研究的重點主要是圍繞如何提高電力系統的傳輸能力和如何最大程度降低傳輸過程中造成的損耗等。相對交流電來說，后期得到廣泛應用的直流配電擁有的優勢包括：（1）直流電流不受輸電線路電感的影響，從而提高電能輸送；（2）直流配電電壓要比交流電配電電壓高，從而延長了電能的輸送距離，保證了電能的輸送質量。

本文詳細介紹了低壓直流配電技術，包括低壓直流配電技術的類型、主要元器件和理論基礎等，并對此技術中存在的問題加以分析研究。低壓直流配電技術一直都是電力領域討論的重點，在其取得可觀成績的同時，也存在著諸多嚴重的不足，如輸電電壓、電容量和輸電距離等。隨著電力電子技術的逐漸成熟，研究人員只有不斷對低壓直流配電技術的研究和改進，才能保證電力系統的可靠度和高效運行，滿足現代人對電力系統更高的要求。

2 低壓直流配電技術的綜述

電力系統中，隨著高壓直流輸電技術的不斷成熟，其應用范圍不斷擴大。2009年12月，世界第一個達到±800kV特高壓的直流輸電工程建成，其起始點是云南，終點為廣東，此直流輸電線路電壓從0kV成功升至800kV。直流配電從此以后便成為在更換線路成本較高時首要的替代選擇。相較高壓直流配電技術，低壓直流配電技術在電力系統的運用較晚，究其原因，低壓直流配電技術有其自身的不足，同時人們對這些問題的研究還不夠深入，尚未妥善解決，這跟低壓直流配電系統分類復雜有一定的關系。因此，相關研究人員有必要進行更深層次的鉆研并且解決相應問題是推動整個電力系統安全高效運行的基礎。本文在此對低壓直流配電技術的分類、主要組成元器件、特點及基本原理做了詳細的介紹。

2.1 低壓直流配電技術的分類

2.1.1 按拓撲分類。（1）高壓輸電型。此類型的配電技術系統中的兩個交流系統通過連接一條直流線路而相通。用電用戶可以與直流系統連接，并且多個用戶可從一個變流器中獲取電能；（2）輻射型。此類型的低壓直流輸電系統中與高壓輸電型有明顯不同的是，本系統中的用戶與直流系統不直接相連，并且每一個用戶對應唯一的變流器。

2.1.2 按直流輸電系統中連接方式分類。（1）單極型。單極型的低壓直流配電系統是利用一條導線來連接，通常情況以大地或水作為返回回路，顯示負極特性。但是，在強的干擾情況下，如電阻率太高或者其他金融結構性干擾等，用金屬代替大地作為返回回路，并且使金屬回路在低電壓下運行。更特別的是，必須用額定電壓器來測量每端的直流電源，兩級結構的運行可獨立開來。（2）雙極型。顧名思義，雙極型的低壓直流配電系統是用正負兩條導線連接的，是比較常見的配電系統類型。系統兩端在直流側串接兩個換流器，這兩個換流器額定電壓相同，同樣兩極運行可獨立。需要特別注意的是，接地電流對附近的煤氣或天然氣管道可產生局部影響，由于管道可作為導體，從而有可能對金屬造成腐蝕，因此用大地作為回路時需要妥善解決此類問題。

2.2 低壓直流配電系統的組成元件

2.2.1 換流器。換流器是完成交流/直流（AC/DC）和直流/交流（DC/AC）之間變換的元件，由閥橋和帶負載調分接頭的變壓器組成，其中閥橋是由電力電子元件的六脈或十二脈電路組成。

2.2.2 平波電抗器。平波電抗器串聯在換流器的每個極上，其規模和規模相對都較大，用途是減小直流線路內的諧波電壓和電流、保證輕載電流的連續、防止逆變器的性能降低和一旦發生短路時能夠限制整流器的峰值電流等。

2.2.3 濾波器。濾波器就是一個過濾掉交流電與直流電運行中產生的諧波形式的元件，從而避免或降低干擾因素對電力電子元件的影響。

2.2.4 無功源。換流器在工作過程中離不開無功功率，因此換流器周圍需要安裝無功功率裝備，同時交流濾波器在運行過程中也會產生部分無功功率。

2.2.5 接地。通常情況下，直流系統以大地為接地；特殊情況下，如大地電流過大或電阻率過高時需要特別安裝接地極。

2.2.6 直流線路。架空線或電纜可以用來做直流線路。

2.3 直流配電技術特點

直流配電技術主要采用直流形式進行電能輸送，其相對交流配電技術有一定的優勢。

2.3.1 可靠性高。直流配電線路中需要兩根導線，其線路可靠度相對同電壓等級的交流線路要高。當其中一條線路出現故障時，另一條線路與大地構成回路，繼續輸送功率，對于處理不完全故障的反應速度相比，直流配電技術更快，修復時間更短，甚至可以通過其他手段來自動排除故障、恢復線路正常運行等。

2.3.2 效率更高。在直流配電系統中產生的損耗很小，比如相對交流電產生的損耗，直流電中除了電力電子變換器損耗外，幾乎沒有無功功率的網絡損耗和集膚效應損耗。隨著科技的不斷完善，變換器的效率也在快速提高。

2.4 換流器理論

由上述對低壓直流配電系統主要組成元件的敘述和特點的分析，本段對其中換流器理論加以分析。對換流器理論的研究就要從換流器的電路、交流電流跟相位的關系以及逆變器的工作原理等方面進行。

2.4.1 換流器電路。換流器電路主要是三相全波橋式電路形式，三相全波橋式電路形式相較其他接線模式有更高的電壓器利用率。換流變換器通常在交流側具有帶負載調分接頭用來控制電壓，通常用中性點接地的星形接線或者三角形接線。系統內部恒定電壓和頻率，是直流電流在恒定狀態下將電子器件作為安全可靠的開關。接通電源時，電阻為零；在斷開狀態下電阻無限增大。

2.4.2 交流電流和相位的關系。交流電流和相位關系的判定可通過變量和常量設置來確定。無論是整流還是逆變狀態，換流器都需要吸收無功功率來進行正常運行。在各常量達到標準時便可實現無功補償。

2.4.3 逆變器。與HVDC系統逆變側的交流輸出不同的是，低壓直流配電的交流輸出可以是單相。因為低壓配電網的形式主要是輻射型，線路多數連接用戶和電源。由于用戶一般情況下只使用單相交流電，因此逆變單元可只利用單相逆變或者三相逆變。

3 低壓直流配電存在的問題

3.1 諧波

大量電力電子器件的廣泛運用產生了諧波。低壓直流配電系統中的變流器主要由電力電子電路組成，本節主要分析了變電器中諧波的特性，并對濾波器設計做簡要說明。

3.1.1 低壓直流配電系統交流側的諧波。低壓直流配電系統交流側產生的諧波，其波形并未有換相重疊或沒有脈動現象，可以采用設定或假定的方式對正弦換相的電壓和換流器的間隔程度加以計算等。

3.1.2 濾波器。憑借當前的研究水平，研究諧波的方法目前有兩種：設置濾波器和改造諧波源。通過改變濾波器電容來提高整流裝置相數和無功補償部分功能，這樣能同時減輕無功補償裝置負擔和降低設備運行成本。

3.2 諧波與無功補償

低壓直流配電系統主要通過無功功率來控制電壓，且低壓直流配電系統的無功功率損耗較大，因此無功補償技術在低壓直流配電系統運行中尤為重要。要實現更好地控制無功功率，可通過電容器并聯方法，將電容器并聯既節約成本、操作簡單，又方便靈活，成為控制無功功率的主要方式。

3.2.1 諧波對并聯電容器影響。諧波電流在電容器基波上的疊加使電容器的電流增加了利用價值，溫度的升高容易降低電容器的壽命。

3.2.2 電容器并聯對諧波影響。電容器并聯后參與到低壓直流配電系統的運行，造成系統諧波阻抗感性或者容性的變化。另外，針對特定的諧波來說，電容器并聯可能還會與低壓直流配電系統發生并聯諧振等現象。

3.3 電力電子元件可靠性

變流器被運用到低壓直流配電系統中是影響電力電子元器件壽命、干擾系統電路可靠度和引發電力電子元件故障的因素。壽命問題繼而影響到了元件的維護成本和整個系統中換流器的運行成本。

3.4 低壓直流配電的電能質量標準

低壓直流配電系統連接了用戶和電力系統，用戶側交流用電系統和整流變壓器一側電能質量的評價考核應與交流系統的要求一致。低壓直流配電系統的完善是為了更加高效地進行電能輸送，因此保證換流器的效率、線路的可靠性和電力電子元件的壽命是電力系統正常、高效運行的基礎。

參考文獻

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[2] 曲林.低壓直流配電技術分析和存在的問題[J].科技 與企業，2015，32（3）.

作者簡介：郭長剛（1970-），男，山東禹城人，供職于國網德州供電公司開發客戶分中心業擴拓展班，研究方向：配電線路。

（責任編輯：小 燕）