直流配電系統技術分析及設計構想

龔發虎

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展現狀和技術優勢，并給出了一種直流配電系統設計方案構想。

關鍵詞：直流配電系統；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

電力系統快速發展，傳統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，研究直流配電系統技術和設計策略是配電技術發展的必然方向。

1 直流配電技術

核電、水電、火電等傳統發電技術在提供豐富電能資源的同時以消耗自然資源和環境污染為代價，清潔能源如風力發電、太陽能發電更加得到重視，但是風力發電和太陽能發電輸出容量低，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，隨著電力系統規模的不斷擴大，交流配電技術的不足逐漸凸顯。

1.1 直流配電技術現狀

直流電力傳輸技術經過多年發展已經逐漸成熟，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展和應用。而近些年，新型半導體材料發展迅速，尤其是碳化硅、氮化鎵等半導體材料，顯著降低傳統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技術開發機構也組織相關企業、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，為城市規模的直流配電技術應用提供了優秀模板。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境，電力電子變換器還能夠將直流配電系統劃分為若干獨立區域，區域內故障不會影響其他區域的正常運行。

1.2.2 不存在頻率穩定問題

交流配電系統配電運行需要考慮到頻率、相位、電壓幅值等多個技術參數，相比之下，直流配電系統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等技術優勢。

1.2.3 配電效率高

直流配電系統線路損耗比交流配電系統低，因為直流配電系統不會產生趨膚效應，也不會產生無功功率。直流配電系統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 直流配電系統設計構想

2.1 直流配電運行控制

變壓器在交流配電系統和直流配電系統中都不可或缺，直流配電系統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。直流配電系統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。直流配電系統變換器控制的基本要求有穩定性、容量、可靠性、冗余度、自動化、電壓平穩以及優秀系統模塊性能等方面。電壓是直流配電系統的核心參數，是直流配電系統控制和運作的基本，直流配電系統控制的首要問題就是暫態與穩態工作狀態下保持電壓穩定。

2.2 網絡結構優化

直流配電系統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有較大的差別，建設并優化線路網絡結構，是直流配電系統廣泛應用和發展的關鍵。直流配電系統有著和交流配電系統類似的多級配電網絡，彼此之間協調合作，其基本結構形式有閉環、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模合理選擇。我國交流配電網覆蓋十分廣泛，發展完善，拆除原有的交流配電網，大規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

開關在電力系統中的主要功能是分離故障線路區域，避免故障擴大，威脅其他區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，現階段中低壓直流配電開關已經能夠實現數十千大容量直流開閉，但是設備造價十分昂貴，成本高，大規模應用難度很大。直流配電系統的故障類型和故障后果和交流配電系統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的安全保護工作帶來巨大挑戰，如何充分發揮利用變換器快速通斷能力，保護直流配電系統是直流配電系統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同，根據不同區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電、太陽能發電大型分布式電源。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如進戶線、樓宇供電系統已經能夠直流傳輸。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

直流配電系統能夠進一步簡化配電系統中的變換環節，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，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

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