直流配電網(wǎng)在智慧城市中的研究

唐京瑞，段勛興，湯 東，陳 勇

(1.重慶化工職業(yè)學(xué)院 機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)院，重慶 401220；2.國(guó)家電網(wǎng)公司廣安供電局，四川 廣安 638500)

0 引 言

智慧城市是利用信息與通信技術(shù)手段感測(cè)、分析和整合城市運(yùn)行中各種需求并做出智能響應(yīng)。隨著智慧城市的深入發(fā)展，用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量和供電可靠性的要求越來(lái)越高。現(xiàn)有的交流配電網(wǎng)絡(luò)將面臨負(fù)荷和用電需求多樣化、潮流均衡控制復(fù)雜化、分布式能源接入常態(tài)化以及電能供應(yīng)過(guò)程中的安全可靠性、高效性和經(jīng)濟(jì)性等多方面的挑戰(zhàn)。研究資料表明，在電能傳輸容量、安全可靠性及提高電能質(zhì)量等方面，直流配電網(wǎng)相比現(xiàn)有的交流配電網(wǎng)具有更好的性能[1]。

隨著近代電力電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的用電設(shè)備采用了AC/DC直流供電形式，如節(jié)能的變頻技術(shù)、新能源電動(dòng)汽車(chē)直流充電技術(shù)等。因此，直流配電技術(shù)的發(fā)展引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，對(duì)直流保護(hù)、接地方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)載模型及控制等方面進(jìn)行了深入研究。

1 國(guó)內(nèi)外直流配電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀

與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)具有傳輸容量大、損耗小、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外紛紛開(kāi)展了直流配電網(wǎng)的研究。在2004年，日本科研機(jī)構(gòu)提出了直流微電網(wǎng)的配電系統(tǒng)構(gòu)想，并與2006年提出了一套雙極性結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)[2]。2007年，羅馬尼亞的布加勒思特大學(xué)提出了一套具有交替供電電源的直流配電網(wǎng)系統(tǒng)，不僅可以接入風(fēng)能和光伏等分布式電能，還可以接入沼氣等生物能供電。同年，英國(guó)和瑞士也開(kāi)展了利用新型功率變換技術(shù)，讓分布式電源接入現(xiàn)有電網(wǎng)的功率流動(dòng)管理課題。美國(guó)是研究直流電網(wǎng)較早的國(guó)家之一，相繼提出了交直流分層配電連接的混合配電系統(tǒng)，為智能樓宇供電方案。除了日本、美國(guó)和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家外，中國(guó)和韓國(guó)也開(kāi)展了大量直流配電網(wǎng)的研究。2008～2014年，韓國(guó)投資約272萬(wàn)美元建立了直流配電網(wǎng)供電系統(tǒng)，對(duì)直流電分配、功率變換和控制通信技術(shù)方面進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。

2 直流配電網(wǎng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

隨著智慧城市規(guī)模的發(fā)展，電網(wǎng)中的重要負(fù)荷、靈敏負(fù)荷以及非線(xiàn)性負(fù)荷比重越來(lái)越大。交流配電網(wǎng)面臨著線(xiàn)路損耗、電壓波動(dòng)和諧波等問(wèn)題，需要改變當(dāng)前配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以適應(yīng)新的負(fù)荷形式。直流配電網(wǎng)具有電能質(zhì)量高、供電容量大、線(xiàn)路損耗小等一系列優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)智慧城市負(fù)荷的變化，具有重要的研究意義。

2.1 直流配電網(wǎng)的電能質(zhì)量

綠色節(jié)能與環(huán)保是智慧城市建設(shè)中的主題，光伏發(fā)電及其他分布式發(fā)電將占據(jù)供電電源的一部分。對(duì)于直流電網(wǎng)而言，接入分布式電源顯然比交流配電網(wǎng)更容易。此外，直流配電網(wǎng)中的換流器不需要交流側(cè)提供無(wú)功功率，能夠起到穩(wěn)定用戶(hù)側(cè)和母線(xiàn)側(cè)電壓的作用，從而提高供電質(zhì)量。

2.2 直流配電網(wǎng)的供電容量

隨著智慧城市的發(fā)展，用電負(fù)荷量必然增多，需要配電網(wǎng)絡(luò)具備傳輸更多容量的能力。相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，在線(xiàn)路建設(shè)費(fèi)用相同時(shí)，直流線(xiàn)路的傳輸功率約為交流線(xiàn)路傳輸功率的1.5倍，即采用直流配電網(wǎng)絡(luò)輸電能夠有效提高輸電容量[3]。

2.3 直流配電網(wǎng)的線(xiàn)路損耗

交流配電網(wǎng)在傳輸電能過(guò)程中，由于電纜金屬渦流會(huì)產(chǎn)生大量有功損耗和無(wú)功損耗，而當(dāng)直流系統(tǒng)線(xiàn)電壓提高為交流的2倍時(shí)，直流配電網(wǎng)的線(xiàn)路損耗僅為交流配電網(wǎng)的15%～50%。雖然交流配電網(wǎng)中可以通過(guò)增加電容器等方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，但考慮到整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)的成本和復(fù)雜程度，直流配電網(wǎng)具有更大的優(yōu)勢(shì)。

3 直流配電網(wǎng)在智慧城市中的研究

3.1 直流斷路器

直流斷路器是在直流配電網(wǎng)中起著故障跳閘和保護(hù)作用的重要設(shè)備。根據(jù)電流開(kāi)斷方式，可以分為機(jī)械式直流斷路器、固態(tài)直流斷路器和混合式直流斷路器。直流斷路器性能的好壞，直接決定了整個(gè)直流配電網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性。目前，ABB等公司研發(fā)的機(jī)械式直流斷路器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地鐵、船艦等直流配電工程。隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，性能更卓越的固態(tài)直流斷路器和混合式斷路器將在直流配電中得到廣泛應(yīng)用。

3.2 直流配電網(wǎng)的保護(hù)

直流配電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)可以利用計(jì)算機(jī)通信設(shè)備、直流斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等電氣設(shè)備構(gòu)建成完整的繼電保護(hù)體系，及時(shí)清除線(xiàn)路中的故障。兩端直流配電系統(tǒng)利用IEC61850快速通信系統(tǒng)[4]，具有可靠性高、靈敏性好、快速響應(yīng)性高等特點(diǎn)，進(jìn)一步提高了整個(gè)直流配電系統(tǒng)的保護(hù)性能。如圖1所示，集成保護(hù)方案集快速通信和直流斷路器的控制、保護(hù)功能于一體，是直流配電系統(tǒng)保護(hù)未來(lái)發(fā)展的主要方向。

圖1 兩端直流配電系統(tǒng)

3.3 建筑樓宇直流配電網(wǎng)的構(gòu)成

在建筑樓宇直流配電網(wǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮建筑樓宇的負(fù)荷特性。首先，建筑樓宇中設(shè)有信息數(shù)據(jù)管理中心，需要供電系統(tǒng)提供高可靠性的電能；其次，光伏和風(fēng)力等分布式電源接入建筑樓宇直流配電網(wǎng)時(shí)，應(yīng)考慮接入瞬間的沖擊性電流，否則會(huì)引起保護(hù)裝置的誤動(dòng)作。

采用雙層直流配電線(xiàn)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為直流380 V、24 V，如圖2所示。上層電路可以接入光伏等分布式直流電源，下層線(xiàn)路可以為計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等數(shù)據(jù)中心供電。兩層配電線(xiàn)路由直流配電器連接，從而提高供電的可靠性，保證供電的安全運(yùn)行。

圖2 雙母線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 直流配電技術(shù)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題

直流配電網(wǎng)技術(shù)仍處于研發(fā)的初級(jí)階段，面臨著亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，主要包括分布式電源的接入、直流配電系統(tǒng)接地方式以及電力電子裝置限流能力等。

4.1 分布式電源接入

當(dāng)分布式電源接入直流配電網(wǎng)時(shí)，配電系統(tǒng)由單端供電變成了多段供電，系統(tǒng)控制方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均發(fā)生了改變，導(dǎo)致原有繼電保護(hù)中的方向保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)作。因此，在直流配電網(wǎng)保護(hù)配置過(guò)程中，必須考慮分布式電源接入的影響。

4.2 接地方式

直流配電系統(tǒng)的接地方式直接關(guān)系故障電流大小，發(fā)生故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的接地電壓和接觸電壓，嚴(yán)重影響人身安全和設(shè)備安全。目前，許多直流配電系統(tǒng)采用不接地的方式，但是一旦發(fā)生故障，過(guò)電壓將直接影響電氣設(shè)備的絕緣性能。

4.3 電力電子裝置限流能力

直流配電系統(tǒng)中有許多AC/DC、DC/AC變換電路。目前，電力電子元件過(guò)載能力小，保護(hù)設(shè)備的通斷能力有限。隨著負(fù)荷特性的變化，直流配電網(wǎng)對(duì)電力電子裝置性能的要求變得越來(lái)越高。

5 結(jié) 論

隨著電力電子元件的日益成熟，直流負(fù)荷在智慧城市建設(shè)中日漸增多，直流配電網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)中起著至關(guān)重要的作用。雖然當(dāng)前還面臨著許多亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，但針對(duì)直流配電網(wǎng)技術(shù)的研究仍是值得繼續(xù)探索的前沿課題。