直流配电

直流配电（精选7篇）

直流配电 篇1

1 研究背景

早在输配电系统产生之时, 人们就将目光锁定于直流[1], 但由于早期直流输配电电压水平低、输送容量小等因素的制约以及交流系统的优越性使直流配电系统停滞不前。20世纪末, 随着直流供电技术的发展, 尤其是电力半导体技术的发展, 直流供电技术和直流电器产品克服了原有缺点, 并在某些领域重新取得了技术经济优势[2]。

近年来高压直流输电技术广泛应用于电力系统中, 换流器、滤波器、断路器等各方面发展较为成熟, 低压直流配电技术也逐渐受到国外学者的关注[2~4]。这对直流配电网的建设有着很好的借鉴作用和有力的技术支持。

基于以上两方面的背景, 本文提出了建设直流配电系统的构想。

2 直流配电网建设的必要性

2.1 分布式电源增多节省换流器件

近几年, 随着各国对节能减排和能源综合利用的需要, 分布式能源系统因变负荷灵活、较低的初投资、供电可靠、较小的输电损失和适合可再生能源应用等特点而越来越受到重视。因此配电网的电源已经不再是唯一的交流电源, 分布式电源占据着越来越大的比重。其中又以风力发电和光伏发电发展最为迅速, 产业规模、经济性和市场化程度都逐年提高。在分布式电源蓬勃发展的当口, 突发了福岛核泄漏事故, 这无疑令清洁、安全的分布式电源发展动力更足。预计在2020年以后分布式电源将会有更快的发展, 并逐步成为主导电网中的主导电源。

分布式电源的普及能够极大地促进直流配电网的发展, 其最根本的原因在于分布式电源并入直流配电网可以节省大量的换流器件。

风力发电和燃气轮机发出的是交流电, 但都不是恒定的50Hz, 因此需要经过交-直和直-交两次变换, 变频后才能并网。但如果接入直流配电网, 就可以省略变频调节中的直-交逆变环节。

光伏发电和燃料电池发电是以直流形式产生电能, 经过直-直斩波和直-交逆变才能并入传统的交流配电网。如果接入直流配电网, 也可以省略直-交逆变环节, 从而降低能耗。

综上所述, 使用直流配电系统可以大大减少直-交逆变器的使用。因为逆变器是有功率损耗的, 这样一来不仅降低了电网的构建成本, 更降低了输配电过程中的电能损耗。

2.2 用户用电形式的新发展

用户用电形式的新发展是推动直流配电网产生的另一个重要原因。近年来随着电力电子技术的进步, 用户的用电形式发生了很大变化, 主要表现在以下两个方面。

(1) 含直流环节的电器增多。

含有直流环节的电器是指需要对电能进行交-直-交转换的电器, 最普遍的就是变频电器。近年来, 变频技术的应用在我国有很大的发展, 目前已经在空调、冰箱、洗衣机、微波炉等产品上搭载。变频家电凭借节能、舒适等特性在市场竞争中异军突起, 占据着越来越大的市场份额[5~6]。

在传统的交流配电网中, 用户使用的是交流电, 必须通过交-直-交转换才能变频。如果改用直流配电网, 只需进行直-交转换即可实现, 从而省略了整流器, 因此降低能耗。

(2) 本质上使用直流的电器增多。

现在的很多电气设备其本质上都是使用直流的, 需要将交流电变成直流电再送给电器使用。我们身边有很多类似的直流驱动电器, 例如液晶电视、室内及室外LED照明灯、电动汽车、电动自行车、个人电脑、手机等。如果用直流直接供电, 必然比将交流电变成直流电再使用更加节省能源。

3 直流配电网的优势

3.1 线路造价低

(1) 交流配电为三相四线或五线制, 而直流配电只有正负两极, 能节省大量的线路建设费用。

(2) 相同有效值电压的交直流电场施加于绝缘时, 交流电压的峰值约为直流电压峰值的1.7倍, 因此对绝缘介质的绝缘强度要求比直流更严格, 所以直流电缆绝缘介质的投资要少得多。

3.2 电能损耗小

(1) 直流配网只需两根输电线, 导线的电阻损耗比交流小。

(2) 没有集肤效应, 导线的截面利用充分。在输送同样的有功功率情况下, 与交流系统相比, 相应地损耗较少。

3.3 供电可靠性高

直流供电不存在稳定性问题。在交流配电网络中, 因为要保证电力系统的所有同步发电机同步运行, 防止出现发电机失步运行, 导致机械功率和电磁功率之间不平衡, 所以交流输电能力受到同步发电机间功角稳定问题的限制, 且随着输电距离的增大, 同步机间的联系电抗增大, 稳定问题更加突出, 使得交流输配电能力受到更大限制[7]。相比之下, 如果采用直流线路连接两个交流系统, 由于直流线路没有电抗, 所以不存在上述的稳定性问题, 切换也更加容易, 从而提高了运行的可靠性。

3.4 具有环保优势

(1) 直流线路的“空间电荷效应”使其电晕损坏和无线电干扰都比交流线路小, 产生磁场小, 因而电磁辐射小, 环保优势明显。

(2) 直流输电的两条极性相反的架空线通常采取相临排布, 由于两条电缆电流大小相同, 方向相反, 且相距很近, 因此, 两条电缆对外界产生的磁场几乎可以完全抵消。经测算, 该残余磁场一般小于地磁场的1%, 距离10m时, 不超过0.2m T。交流输电系统中, 由于采用三相制, 因而产生的磁场强度和磁场所影响的范围比传统直流输电线路更大。交流电产生的工频磁场不同于地磁场和直流输电产生的静磁场, 对人身和其他动植物产生的危害都很大。

4 直流配电网建设的前景

4.1 引领家用电器节能化变革

现在的很多家用电器使用直流配电网更能节省能源, 例如变频空调、液晶电视、室内及室外LED照明灯、电动汽车、电动自行车、电脑、手机以及便携式音乐播放器等。下面将详细分析各种常见的家用电器, 从而证明直流配电网的节能性。

(1) 电动器具。

家电中, 使用电机的主要有空调、电冰箱、洗衣机、电风扇、洗碗机等。这些家电中, 风扇和洗碗机之类的电机可以用直流电机代替, 从而能够省去中间的变换环节, 直接使用直流电。而在家电中耗电最大的空调、冰箱和洗衣机, 为了节省电能、提高效率, 目前发展的趋势都是采用变频控制。如前文所述, 变频技术也更适合于直流配电网。

(2) 照明光源和媒体信息设备。

照明光源如节能灯等以及媒体信息设备如电视、电脑、音响、手机充电器等, 他们的工作原理都是把交流电经过整流滤波得到直流电, 属于本身直接使用直流的电器。

(3) 电热器具。

直接采用电流热效应的电热器具, 可以直接改用直流电。交流电的有效值就是根据电流的热效应来定义的, 因此无论是通直流电还是交流电都不影响其发热。而且目前电热器具也在向变频技术方向发展, 例如已经有了变频控制的微波炉商品, 这都适合使用直流配电网。

综上所述, 若使用直流配电网供电, 绝大部分家电都能节省大量的能耗, 必将推动电气设备节能化变革。虽然直流家用电器产品进入市场还需要解决一系列问题, 但是直流家用电器全面取代交流家用电器的进程已经启动, 在不久的将来, 会给家用电器生产行业带来重大和深远的影响, 可以说直流配电网使得直流家用电器时代即将来临!

4.2 促进新型“直流生态住宅”的发展

“直流生态住宅”是指将直流电与住宅能源管理系统集成为住宅供电的系统。这一概念与直流配电网不谋而合, 利用直流配电网可以省去用于稳定供电的直—交变换电源模块和用于将过剩的直流电转换为交流电的双路交-直流转换器, 使“直流生态住宅”技术更加简化, 减少了能耗, 从而促进其快速发展。

将风力发电、光伏发电、微型燃气轮机发电以及燃料电池发出的电能并入直流配电网后, 把直流电供给每一个家庭的住宅电源管理单元, 拟定4 8 V作为电视机、LED照明灯具、室内通风装置等小功率电器供电电压, 而350V则作为电冰箱、空调、洗衣机、电磁炉等大功率电器的供电电压, 对于必须使用交流电的家电, 可以经直-交变换供给220V的交流电。同时对于过剩的电能可以利用大容量的蓄电池等储能装置存储。

“直流生态住宅”还可以把电动汽车、电动自行车等交通工具并入家庭用电单元, 停放在车库内的电动汽车、电动自行车可以利用车库配备室外充电插座为其充电。这样可以极大地促进这类清洁交通工具的普及, 从而降低石油、柴油等化石燃料的直接利用, 因此更加低碳环保。

“直流生态住宅”技术除了在未来的节能家庭中有广泛的应用前景之外, 还能够用于工厂、学校、商业建筑等系统的供电, 可以说在不久的将来, “直流生态住宅”技术必将在得到大范围应用。据统计, 若使用直流家用电器, 仅电能转换过程中的能耗减少就能达到10%~20%, 其节能效益十分可观。

当今世界能源危机凸显, 能源战略成为21世纪各国关注的焦点, “直流生态住宅”这一概念的提出从“开源”与“节流”两个方面吻合了节能这一趋势。既尽可能发挥住宅的产能效益又大大缩减了能源的消耗。

摘要：近年来, 传统交流配电网损耗大、结构复杂的局限性日益凸显, 加剧了当今社会的能源危机。直流配电网就能很好地解决这些问题, 它能够节省输电线和换流器件的损耗, 促进低碳直流家电和“直流生态住宅”的发展。在国家对节能减排和能源综合利用的需要增长的今天, 直流配电网以其强大的节能优势拥有广阔的应用前景, 必将缓解当前的能源危机, 对我们的生活产生巨大的影响。

关键词：直流配电网,节能减排,直流家电,直流生态住宅朗读

参考文献

[1]陈珩.电力系统稳态分析[M].北京:中国电力出版社, 1995.

[2]林立功, 牟聿强, 高永乐, 等.低压直流配电技术分析及存在的问题[J].电工电气, 2010, 3:33～37.

[3]Pasi Salonen, Tero Kaipia, PasiNuutinenetal.An LVDC DistributionSystem Concept[J].Nordic Workshopon Power and Industrial Electronics, 2008 (6) .

[4]Pasi Nuutinen, Pasi Salonen, PasiPeltoniemietal.Customer-End Inverterin an LVDC Distribution Network[J].Nordic Workshop on Power and In-dustrial Electronics, 2008 (6) .

[5]苏荷.变频空调的工作原理[J].大众用电, 2009, 7.

[6]刘向阳, 刘杰英.变频技术的普及前景及其技术保证[J].信息技术, 2002, 2:20～23.

[7]韩民晓, 文俊, 徐永海.高压直流输电原理与运行[M].北京:机械工程出版社, 2008:51～53.

直流配电网研究现状与展望 篇2

随着新能源、新材料、信息技术和电力电子技术的长足发展和广泛应用,用户对用电需求、电能质量及供电可靠性等要求不断提高,现有交流配电网将面临分布式新能源(电源)接入、负荷和用电需求多样化、潮流均衡协调控制复杂化,以及电能供应稳定性、高效性、经济性等方面的巨大挑战。风电、光伏发电、燃料电池,以及电动汽车动力电池、超级电容器等各种储能装置基本上都是直流电(或采用直流电技术),必须通过DC/AC换流器才能并入交流配电网;众多办公与家用电器设备采用直流供电实际上更为方便、节能;越来越多的工业负荷采用变频技术以提高电能利用效率。

另外,国内数十年来由于城市规划与电力系统规划工作的相互分离,形成了与负荷发展要求不相适应的配电网结构,使配电网的规划、发展及供电质量越来越不适应城市发展的需求。总之,传统的配电网结构与配(供)电方式已越来越不能满足快速发展的经济社会对其提出的更加环保、更加安全可靠、更加优质经济、支持分布式电源接入,以及用户与电网双向互动等诸多要求。

国外研究资料表明,基于直流的配电网在输送容量、可控性及提高供电质量等方面具有比交流更好的性能[1,2,3,4,5,6,7],可以有效提高电能质量、减少电力电子换流器的使用、降低电能损耗和运行成本、协调大电网与分布式电源之间的矛盾,充分发挥分布式能源的价值和效益。本文首先对直流配电网的特点、优势及其网络的整体概念进行了较为详细地综述,提出了直流配电网的拓扑结构。然后,总结了目前直流配电网在规划设计、调度控制、继电保护及关键设备等方面的研究情况。最后,指出了直流配电网优化调度、故障诊断与定位、直流断路器等尚需深入研究的问题。

1 直流配电网特点与优势

目前采用的交流配电网最大的优势在于电压变换十分容易,在线路保护方面,交流系统亦比直流系统成熟得多[1]。但是,随着城市规模的迅速增长和信息技术的高速发展,电网中的敏感负荷、重要负荷及非线性负荷越来越多,交流配电网将面临线路损耗大、供电走廊紧张,以及电压瞬时跌落、电压波动、电网谐波、三相不平衡现象加剧等一系列电能质量问题,迫切需要改变现有的配电网结构和配(供)电方式。近年来,部分学者对交直流混合配电系统进行了相关研究,证实了交直流混合配电系统是由交流配电方式向直流配电方式逐渐过渡的一种可行的途径[1]。如果采用直流配(供)电方式,则可将各类电源产生的电能转换为直流电直接供给各类设备及家用电器使用。相关文献表明,直流配电网具有提高供电容量、减小线路损耗、改善用户侧电能质量、隔离交直流故障,以及可再生能源灵活、便捷接入等一系列优点[1,2,3,4,5,6,7]。

1.1 直流配电的供电容量(供电半径)

随着城市的发展,用电负荷发展很快,需要配电网络输送更大的容量;另一方面,在城市发展的同时,土地日益升值,征用新的配电线路走廊代价高,需要在有限的配电线路走廊上输送更大的容量。设现有配电线路额定线电压为VAC,额定线电流为IAC,功率因数cosφ=0.9,则其所能传输的额定功率;如果采用双极直流配电,且设额定直流电压、电流分别为VDC和IDC,则所传输的额定功率PDC=2VDCIDC。因此,在导线截面、电流密度与绝缘水平相当的情况下,,IDC=IAC,则

式(1)表明,双极直流线路的传输功率与三相交流线路(功率因数为0.9)大致相等,即在线路建造费用及占用走廊宽度相同时,直流线路的传输功率约为交流线路的1.5倍,亦即采用直流配电能够有效提高供电容量或供电半径。

1.2 直流配电网的电能质量

目前国内许多企业都面临产业调整和转型,高新产业比例日益扩大,对电能质量要求逐渐提高。对于半导体芯片生产行业,电压波动、闪络冲击及谐波增量均可能对产品质量造成较大影响;汽车、建材、电线电缆制造行业存在大量的冲击负荷,当冲击性负载(电焊机、冶炼炉等)接入交流配电网时,将对交流配电网造成电压骤降等电能质量问题[5]。而对于直流配电网,实现分布式储能的技术难度与交流配电网比较相对较低,一旦储能电池突破技术瓶颈,就可根据需要方便地在直流配电网中进行广泛配置,从而有效解决电压闪变等电能质量问题。

此外,柔性直流配电网中的换流器不需要交流侧提供无功功率,在灵活地发出或吸收无功功率的同时,还可起到静止无功补偿器(STATCOM)的作用,动态补偿交流母线和用户负载的无功功率,并稳定交流母线和用户侧交流电压[6]。

1.3 直流配电网的线路损耗

考虑交流电缆金属护套涡流造成的有功损耗和交流系统的无功损耗,当直流系统线电压为交流系统的2倍时,直流配电网的线损仅为交流网络的15%~50%[7]。虽然交流系统可通过无功补偿等措施来降低线损,但这将大大增加系统的建设成本和复杂性。

1.4 直流配电网的能量传输效率

传统的交流变压器效率可达98%,亦即交流配电网在进行电压变换时的电能损耗很小。直流配电网所采用的电压源型换流器(VSC)和直流变压器,一般采用基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的脉宽调制(PWM)技术,因此通态损耗和开关损耗较大,其效率约为85%~95%[8],亦即换流器和直流变压器的电能转换效率低于交流变压器。但是,直流配电网的线损远低于交流配电网,因此需要从总体传输效率上对交、直流配电网作进一步的比较研究和论证。

文献[4]和文献[8-9]分别从不同角度对直流配电网的能量传输效率进行了研究,证明目前交直流混合配电网和直流配电网的总体效率与交流配电网相差不大,但随着电力电子技术与器件的发展,其换流器的通态损耗与开关损耗不断降低,直流配电网的总体效率仍存在上升的空间。

1.5 直流配电网的供电可靠性

相对交流配电网而言,直流配电网更便于超级电容、蓄电池等储能装置的接入,从而提高其供电可靠性与故障穿越能力。

信息中心和通信中心多为服务器、存储设备等敏感负载,对供电可靠性要求极高。文献[10]基于美国数据中心的典型拓扑结构,分别对其在交流与直流配电网下的可靠性进行了研究,给出了直流配电网的可靠性指标与储能装置的数量、使用年限及使用时间之间的关系图表,证明了相对交流配电而言,采用直流配电具有更高的供电可靠性和故障发生时保持正常运行的能力。

1.6 节能降耗及直流配电到户的可行性

目前许多家用电器设备实际上都是基于直流电工作的,在交流供电情况下需要配置相应的AC/DC换流器(或电路模块)。如果采用直流配电网直接配电到户,则可省去这些换流器,从而降低该部分的电能损耗,达到节能降耗与降低设备成本等目的。

文献[11-13]对不同用途、不同型号、不同厂家的家用电器采用直流供电时的稳态运行情况及暂态响应过程进行了实验研究,证明多数家用电器不但可以采用直流供电,而且运行时产生的电压和电流纹波大幅降低,电能损耗相对交流而言亦可减少15%以上。实际上目前很多基于直流工作的家用电器,其输入端的AC/DC换流器都是为交流供电而设,采用直流供电时完全可以省掉,既省钱又降耗,可见直流配电到户完全可行。

1.7 直流配电网便于分布式电源、储能装置等接入

未来的配电网应能够接纳风能、太阳能等新能源发电的大规模、分布式并网。光伏电池等发出的是一种随机波动的直流电,需要DC/AC换流器,并配置适当的储能装置和复杂的控制系统等才能实现交流并网;风电等则是一种随机波动的交流电,同样需要AC/DC/AC换流器,并配置适当的储能装置和复杂的控制系统才能实现交流并网;各种储能装置,如蓄电池、超级电容器、作为分布式储能单元的电动汽车充电站等,本身就是以直流电形式工作,需要双向DC/AC换流器及复杂的控制系统才能接入交流电网。而在直流配电网情况下,实现分布式新能源并网发电及储能等的接口设备与控制技术相对要简单得多[1,2,3,4,5,6,7]。

目前国内外有关直流配电网及其工程化应用的研究均处于起步阶段,虽然部分文献对直流微电网及各类家用电器在直流配电网下的运行情况进行了研究,但多数资料仍倾向于多端直流输电技术在配电网中的应用。文献[14-15]提出了基于VSC的直流配电网环形及两端配电结构,如附录A图A1和图A2所示。各类交流电源经VSC将交流电整流为直流电,再逆变为交流电供负载使用,其过程均未涉及直流配电网不同电压等级的选择、相互影响及直流入户等方面的内容。

2 直流配电网拓扑结构

直流配电网的基本拓扑结构主要有环状、放射状与两端配电3种,如图1—图3所示。

通常来说,放射状网络供电可靠性相对较低,但故障识别及保护控制配合等相对容易;环状网络及两端配电网络的供电可靠性相对较高,但故障识别及保护控制配合等也相对困难。直流配电网可以根据供电可靠性、供电范围(距离)及投资等实际工程需要,采用不同的电压等级和拓扑结构进行设计与建设。

如图1—图3所示,交流电网、清洁能源电站、储能设备、交直流工业负载等各类电源与负载,根据自身要求经不同类型的适配器接入不同电压等级的直流配电网。各类交、直流电源产生的电能,分别经VSC和DC/DC换流器转换成一定电压等级的直流电并通过直流配电网输送到各负载端,再经VSC或DC/DC换流器分别转换成交流或直流电为相应的交流或直流负载供能。一般来讲,与交流大电网连接的VSC具备能量双向流动的功能,以便实现直流配电网与交流大电网之间的电能交换与功率平衡;连接储能设备的DC/DC换流器涉及充、放电,同样也是双向型的。

与多端直流输电技术相比,直流配电技术更关注直流入户的实现,必然涉及多级直流配电及供电可靠性、电能质量等问题,如中压直流配电网中的部分电能,需经直流变压器等直流降压装置送到低压直流配电网(拓扑结构之一见图4)后再供用户使用,因此其系统结构与工程实现相对而言比多端直流输电要复杂得多。

3 直流配电网关键技术

目前,直流配电网的各方面技术尚不成熟,需要进一步深入研究。

3.1 直流配电网规划与设计

1)直流配电网的接地方式

直流配电网不管采用单极(带回流线路)系统还是双极系统,都涉及其VSC直流侧的接地问题。若直流侧不接地,接地线的电位将在VSC的开关频率下不断振荡,从而引起直流配电网正负极电压的波动,因此直流侧多采用回流线路接地(单极系统)或分裂电容接地(双极系统)的方式。另外,交流侧连接变压器多采用Yn0y或Ynd接法,以避免构成零序回路[15,16]。

2)直流配电网电压等级的选择

将交流配电网改造为直流时,直流电缆允许电压为交流额定电压的峰值[17],因此可选择现有中压交流配电网额定电压的峰值作为中压直流配电网的额定电压。

在低压直流配电网中,过大的直流电压将造成严重的安全问题,因此将电压中点接地成为双极系统[15],以接入利用线电压供电的大功率负载及利用单极对地电压供电的小功率负载(每个极所接入的负荷不完全平衡)。文献[13]选择±200V电压作为直流配电网电压,通过Buck斩波器和Cuk电路分别向空调和液晶显示屏(LCD)供电。文献[18]则基于欧洲现有的230V交流配电网电压等级,分别采用截面积为1.5mm2和2.5mm2的交流导线,对326,230,120,48V这4种可能的直流电压等级进行了研究。结果表明,随着直流配电网电压的降低,电流、压降和电能损耗迅速增高,当电压下降到48V时,压降及电流均超出允许值。

然而,直流配电网电压等级的具体选择方法至今尚没有定论,需要进一步的探索和验证。

3)直流配电网储能设备优化布点及容量配置

超级电容暂态响应速度快、安全无毒、便于测量,但供电时间短、储存能量相对较小[19];铅蓄电池供电时间长、能量密度高,但响应速度相对较慢。在直流配电网中,组合配置适当类型、适当容量的储能设备,可以抑制直流电压闪变,大幅提高网络的运行稳定性和故障穿越能力[5]。但是,目前直流配电网领域的研究尚未涉及储能设备的优化布点及容量配置,其相关内容还需进一步深入探索。

3.2 直流配电网的调度与控制

1)直流配电网的调度方案

直流配电网的调度方案是电网运行的关键,应综合分布式电源与储能设备的容量,以及实际负荷曲线进行具体分析。

文献[19-20]给出了低压直流配电网中各元件的等效电路、控制策略及直流配电网的调度方案。正常运行情况下,低压直流配电网的分布式电源始终保持最大功率输出,不足或多余的电能由中压直流配电网经直流变压器提供或吸收,同时为储能设备充电;在进入孤岛运行状态时,分布式电源的输出功率需根据实际情况进行控制,并由储能设备提供或吸收系统不足或剩余的电能。

2)直流配电网的协调控制策略

中压直流配电网与柔性多端直流输电系统采用相似的协调控制策略,即采用主从控制方式或电压下垂控制方式,设置上层控制器对直流配电网的多个换流器进行协调控制[14,21]。

文献[22-24]给出了低压直流配电网的储能电容、蓄电池、柴油发电机、各类换流器及分布式电源在正常运行与故障情况下的控制策略。与直流输电系统不同的是,直流配电网的双极系统接有不平衡负荷(如4.1节所述),因此必须在双极系统中接入电压平衡装置,以免引起直流对地电压过大的偏差[15]。文献[25-26]提出了电压与电流平衡装置的拓扑结构及控制策略,并验证了其有效性。

3.3 直流配电网的安全运行与保护

文献[27]将直流配电网分为直流线路侧、交流电网侧、交流负载侧与直流负载侧4个部分,提出了一套直流配电网的保护方案,但该方案仅能对故障发生的层级进行判断,准确的故障定位仍然是直流配电网研究的重点和难点之一,尤其在直流线路较短且中点不接地时,将对故障定位造成更大的困难。因此,需配备有效的限流装置,在故障发生时限制电流的上升速率,在安全保护装置动作前将故障电流限制在不过载的范围内。文献[28]提出了一种故障限流保护装置,通过控制固态保护开关的高速开通与关断,限制故障电流,并使非故障区域的供电不受故障影响。

作为直流配电网运行的一个关键问题,直流配电网的保护方案尚不成熟,有待继续深入研究。

3.4 直流配电网关键设备研制

直流断路器是直流配电网安全运行和保护的关键设备,对防止故障范围扩大有着重大的意义。由于直流系统不存在电流过零点,给研制高压大容量直流断路器带来了巨大困难。近年来出现的基于半导体器件的断路器,具有损耗低、动作速度快等优点,受到了市场和科研人员的广泛关注。目前,400V以下的低压直流断路器已经投入市场应用,而中高压直流断路器的研发虽然已经取得了较大突破,但其工程应用仍然存在困难[29,30]。

在低压直流配电网中,对于电磁炉、暖风机等功率相对较大的负载,现有的交流开关、插头等装置无法安全快速地开断直流电流,不能直接应用于直流配电网中。因此进行直流开关、直流插头和插座的研发,是直流配电网研究的一个关键问题[17,31]。

另外,直流配电网还必须对换流器、直流变压器及直流电缆进行优化设计和选择[15,17,32,33,34]。

4 结语

配电网直接面向用户,是保证电能质量、提高运行效率、创新服务内容的关键环节。本文分析了直流配电网的实用意义和应用前景,提出了直流配电网的整体概念及拓扑结构,并对直流配电网规划设计、调度控制、继电保护与关键设备的研究情况进行了总结。目前国内外对于直流配电网的研究刚刚起步,大量理论与技术问题还有待深入研究、解决。

1)研究直流配电网多种拓扑结构与接地方式的可行性,以及电压等级、储能设备的选择与配置。

2)研究满足直流配电网电压和电流、交流大电网电压和潮流方程等约束的交直流混合配电系统及直流配电网多时段优化调度方法。

3)结合配电自动化系统,研究直流配电网故障定位方法,以及不同结构、不同运行方式下的故障诊断与保护配合。

4)中压直流配电网的直流断路器研制。中高压直流断路器的工程实用化研究,重点在于满足其商业化和大功率化的需求。

由于各种各样的原因,国内配电网的发展明显落后于输电网的发展。在这样的背景下,研究兼具可靠性、安全性、稳定性、经济性的直流配电网具有巨大的市场潜力和研究价值。目前,直流配电网及其相关技术还存在大量问题尚未解决,可借鉴已有的舰船直流电力系统、电信设备配电系统、电力机车牵引配电系统、直流输电系统和直流微电网的相关技术,以期对直流配电系统进行更广泛、更深入的探索和研究。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：相较交流配电网,直流配电网具有供电容量大、线路损耗小、电能质量好、无需无功补偿,以及适于各类电源和负载接入等优点。较为详细地论述了直流配电(相对交流配电)的特点、优势及其网络的整体概念,提出了直流配电网的拓扑结构,总结了直流配电网在规划设计、调度控制、继电保护及关键设备等方面的研究情况,最后指出了直流配电网优化调度、故障诊断与定位、直流断路器等尚需深入研究的问题。

直流配电系统技术分析及设计构想 篇3

近年来,随着社会进步和经济发展,电力负荷迅速增长,传统配电系统面临着一系列新的挑战。

1)基于环境和能源考虑,分布式发电及储能技术受世界各国高度重视而发展迅速。如何将这些新兴的直流电源、变频交流电源和传统的工频交流电网整合互联,对现有技术是一个挑战。

2)现代城市发展建设日趋成熟,对供电系统的电源建设和供电线路走廊的制约越来越多。这一方面导致配电网供电半径越来越大,对供电走廊和供电网络的输电能力提出了很高的要求;另一方面,使得负荷中心的无功电源支撑能力相对不足,容易诱发交流系统电压崩溃等安全问题。

3)直流负载和含有直流环节的负载增长迅速,交流配电网向这些负载供电时,需要一级AC/DC变换,降低了效率。

4)用户对供电可靠性要求越来越高,传统采用架空线的交流配电网络故障率偏高,采用电缆的交流配电网因充电电流的限制供电半径有限,越来越难满足用户的需求。

5)电子设备和电力电子设备的大量使用、电气化轨道交通快速发展和冲击性负荷的增长,导致交流配电系统存在大量的谐波污染源,与用户对电能质量要求的日益提高矛盾尖锐。

6)电网智能化已成必然趋势,智能电网对电网的可控性提出了很高的要求,传统交流配电网可控性较低。

如何妥善应对上述问题,是配电系统目前乃至未来很长一段时期需要面对的难题。在电力电子技术发展日益成熟的今天,探讨直流制配电方式,将为我们提供一条解决问题的新思路。

在配电领域,除了19世纪末期爱迪生在纽约建立的世界上第1个商业运行的直流配电系统外(2007年11月该系统退出历史舞台)[1],长期以来只有一些特殊的场合,如通信数据中心、轨道交通、工业生产线二次系统等[2,3,4],采用了直流方式供电。但近年来,国内外学者重新开始将目光转移到直流配电技术上[5,6,7,8,9]。

文献[5-6]从电力系统角度明确提出了低压直流配电系统的概念,给出了2种典型的系统结构。文献[10-11]则提出了未来电力系统以直流为主导的构想,认为多层次直流环形电网结构符合未来中国电网的实际。文献[12-16]从家用和商用角度出发,探讨了构建楼宇低压直流配电系统的优越性和可行性。文献[17]提出采用高温超导直流电缆构建直流配电网,可以集成超导限流器,为直流大电流分断问题提供了新的解决思路。

文献[18-20]从分布式电源接入角度提出了直流微电网的概念。文献[21]以家用供电系统为例,进一步提出了直流纳电网的概念,即将各种微电源和储能系统接入家居供电系统,并采用直流网络为家用电器和消费电子产品供电。文献[22]从提高分布式电源在交流电网中的渗透率角度出发,提出了一种基于电压源变换器的多端直流系统。

文献[3,23-26]分析了不同领域直流供电系统的电压稳定问题。文献[27-31]分析了典型低压直流配电网故障类型、保护原则等问题。文献[32-36]探讨了直流系统建模与分析计算相关问题。文献[37-38]分析了数据中心小规模直流配电系统接地及其安全问题。文献[39]对于直流开关设备的发展状况进行了比较全面的分析。文献[9,40]对直流配电系统的发展现状进行了分析和展望。

综上所述,目前关于直流配电技术的研究主要集中在一些特殊领域,针对的对象主要是配电系统最末端的低压供电系统,真正从电力系统角度出发对直流配电技术进行的研究无论是在深度上还是广度上均有限。本文通过总结直流配电技术的特点,分析其关键技术,为今后进一步深入研究提供参考。

1 直流配电技术特点

直流配电技术是指在配电网中采用直流制为主导的电能输送技术。与交流配电技术相比,直流配电技术具有多方面的潜在优势。文献[40]已对直流配电技术的特点进行了较详细的阐述,本文在此只作进一步补充。

1)直流配电更可靠

直流配电线路只需2根导线,线路的可靠性比相同电压等级的交流线路要高。而且,当直流配电系统的一极线路发生故障时,另一极线路可与大地构成回路,继续配送部分甚至全部功率。对于占线路故障80%~90%的单相或单极瞬时接地故障,直流相比于交流具有响应快、恢复时间短,以及可通过多次再启动或降压运行来创造消除故障、恢复正常运行的条件等优点[41]。

对于末端的低压直流配电,利用多母线冗余技术可有效保证很高的供电可靠性。而且,电力电子变换器的采用使得直流配电系统内可以形成自有保护区域,各区域内的故障不会波及外部系统。

2)直流配电更高效

在直流输配电系统中,没有因传递无功功率引起的网络损耗,也没有因集肤效应产生的损耗,具有远低于交流输配电的线路损耗。直流配电系统的损耗主要集中在电力电子变换器部分,目前已出现效率高达99%的直流变换器[42];而且,随着宽禁带电力电子器件的逐步成熟应用,变换器的效率有望进一步提升。

另外一个方面,直流或者含有直流环节的负载日益增多,例如电子产品、直流电动机、电动汽车等。而且,近年来很多旋转性质负荷逐渐趋于配置变频调速装置一起使用,直接为这些负载提供直流电效率更高。

3)没有频率稳定、无功功率和交流充电电流等问题

交流系统运行时需要控制电压幅值、频率和相位,而直流系统则只需要控制电压幅值,不用涉及频率稳定和无功功率等问题。此外,无论是从提高线路可靠性角度还是从不破坏景观角度出发,配电网采用电缆线路已经是趋势。由于电缆沿线电容大,配送交流电时会产生很大的电容充电电流,既增加了线路损耗,也降低了线路输电容量。而如果采用直流输电,上述问题都可以避免。

此外,直流配电网还具有电能配送能力强、供电半径大、可提高电能质量、易于实现分布式电源互联等优点。

2 直流配电系统面临的挑战

典型的直流配电系统将具有如图1所示的基本构成。然而,在真正实现以直流为主导的配电方式之前,还将面临诸多挑战,有很多关键技术问题需要解决。

2.1 直流配电系统网络结构设计与优化

由于配送的电能的形式有根本不同,直流电的配送网络与传统三相交流电的配送网络会有很大的区别。因此,研究如何构建合理的网络是直流配电系统发展的首要任务。这实际上是一个全局性问题,需要从整个配电系统层面出发,综合考虑网络对分布式电源的接纳能力、电能配送能力、供电可靠性、网络建设和运行的成本,以及安全性等多方面因素。

从网络层次而言,类似于交流配电系统,直流配电系统也将是一种多级配电网互相配合的网络,如高压直流配电网、中压直流配电网、低压与超低压直流配电网等。各级配电网功能不尽相同,互相配合和补充,共同完成向用户提供电力的任务。

从网络接线方式而言,直流配电系统的网络结构可以设计成辐射形、环状或者网状。不同结构具有不同的供电可靠性、成本及控制复杂程度。在实际设计时,需要根据具体的应用场合,结合投资能力选择合适的网络形式。

对于已经建有交流配电网的地区,如果将已有的交流配电网全部拆除再建直流电网,其经济性值得商榷。因此,采用交流(原有)与直流(扩建)混合配电的方案,并逐渐过渡到全直流配电,理论上更合理。

此外,在直流配电系统网络结构设计时,还需要综合考虑直流变电站的合理分布问题。

2.2 直流配电系统电压等级的选取

如上文所述,直流配电系统将包含有多个电压等级配电网。电压等级这一参数对整个系统有着根本性的影响。电压等级的选择应重点考虑3个因素[43]:(1)直流配电网的供电距离(供电半径);(2)电气绝缘和保护;(3)系统成本和设计难度。

目前的文献主要研究的是系统末端的低压与超低压直流配电网的电压等级问题。如文献[2]认为400V作为数据中心供电系统的电压等级可具有更高的效率。文献[21,44]认为,家用直流配电系统应有2个直流电压等级:一个是380V高压等级,用于向供热系统、空调系统、厨房及其他大型家电供电;另一个是48V低压等级,用于向小型家电供电。尽管目前关于低压直流配电系统的电压等级问题还没有达成共识,但对于直流配电网终端而言,倾向性意见认为380V是性价比较高的直流电压等级。对于国内配电系统实际情况而言,家用电器和各种商业电器多采用单相220V交流供电,因此,所设计的终端网络电压等级应能适应当前实际情况。

从另一个角度而言,电压等级的确定本身还涉及序列标准化问题。这将直接关系到系统规划、设备生产,以及系统运行等诸多方面。文献[45-47]探讨了高压直流输电和柔性直流输电的电压等级问题,对于研究直流配电系统电压等级序列问题有参考价值。系统地研究出科学、合理和优化的直流配电系统电压等级序列,提出既满足现在需求,也符合未来发展要求的电压等级标准,对于推广直流配电技术意义深远。

2.3 高效电能变换与控制技术

如同变压器在交流配电系统中不可或缺一样,直流配电系统中也需要专门实现电压(电能)变换的装置,用于实现直流配电网与负载和上级电网的接口,并实现直流配电网内部电压等级的转换。这些变换可以通过直流型电子电力变压器、交直流混合型电子电力变压器[48]或通用的电力电子变换器实现。本文将它们统称为直流变压器。

与传统交流配电网变压器的不同之处在于,直流变压器不仅可实现电压等级变换与/或电位隔离,而且还具有频率变换、潮流控制、监控和故障保护等功能。它们是直流配电系统的基础设备,其成本、可靠性、运行效率及控制能力等对电网的投资成本、可靠性、效率和可控性等有最直接的影响。概括而言,直流变压器应具有成本低、功率密度高、可靠性高、效率高、灵活调控能力强,以及动态响应快等优点。这必将对电力电子变换器的设计和制造技术提出更高要求。因此,研制各类新型的(高压)大功率电力电子器件并提出新的变换器拓扑成为关键之一。近几年开始受到重点关注的SiC器件提供了一个新的方向[49,50],有望藉此制造出功率密度和效率更高的变换器。

交流配电变压器的效率目前普遍可以做到97%以上(从轻载到满载),而电力电子装置的效率在满载时虽然很高,但在10%负载下效率只有50%。因此,研制无论是在轻载还是重载下都具有高效率的电力电子装置仍然任重而道远。采用模块化并联技术是一个可能的解决途径,文献[51]提出了一种通过多模块并联及控制技术实现轻载下达到高效率的DC/DC变换器技术。

另一方面,这些数量众多的电力电子装置功能不尽相同,如实现与上级电网接口、与分布式电源接口、与交流负载或直流负载接口等。它们实际都处于并列运行状态,其特性对系统的稳态和暂态运行都有影响。因此,为保证整个直流配电系统能安全稳定工作,高效的控制不可或缺。

对直流配电系统而言,直流电压控制和均流控制最为基本。维持稳态和暂态工况下系统直流电压稳定,是直流配电系统控制的首要任务。

在电力电子变换器并联运行方面,尽管目前有大量的文献对直流配电网的相关控制进行了探索[52,53,54,55,56],但从直流配电网的系统层面进行研究仍然有一定的难度,这主要体现在:(1)并列运行的变压器/变换器数量巨大,而且类型众多,这将涉及不同类型变压器/变换器群的并列运行;(2)变压器/变换器互联的是大量不同性质的电源和负载,对变压器/变换器有着迥异的约束条件,增加了并列运行策略的复杂性。

2.4 保护与开关设备技术

安全是实际系统运行时必须予以保证的。电力系统的安全体现在要有合适的接地措施,并在故障时保障电气设备安全[30]。这涉及3个方面的内容:(1)系统接地;(2)继电保护系统;(3)开关设备(保护动作执行者)。

针对上述问题,传统交流系统形成了一套比较完善的标准和规范。而直流系统则缺乏这方面的标准和经验,只是最近十多年来,才在直流牵引、高压直流输电方面逐步形成了相关的标准规范。直流配电系统与高压直流输电和牵引系统等有很大差异,这些规范和标准只有借鉴意义。

已有文献对低压直流配电系统双极性接线时的中线接地问题[5],以及各类小规模直流供电系统接地问题[37,38]进行了研究,得到了一些有价值的结论。但对直流配电系统而言,接地问题是一个全网的综合性问题,研究直流配电系统的网络接地问题仍然必要。

直流配电系统无论是故障类型还是故障后果与交流配电网都有不同,实际中相关保护既缺乏标准,也缺少运行经验。大量电力电子装置的存在,给保护配合带来了挑战,但同时也为保护提供了新的手段。因此,直流配电系统的保护与传统交流系统的保护会有很大区别。如何充分发挥变换器的快速通断能力,实现快速而简单的保护是直流配电系统保护需要解决的问题。

开关设备是隔离故障线路或故障区域,防止故障扩大化,保障系统正常部分安全运行的关键。由于直流电流没有自然过零点,直流电流的分断比交流电流的分断困难,因此,相较于交流开关设备,直流开关设备的制造要困难得多。近二十年来,研究者们在相关领域进行了大量研究,在中低压领域已出现了可开断数十千安的直流断路器[39]。但研究低成本的大容量直流开关设备仍然充满挑战,近期而言,采用机械和半导体混合式的开关设备是一个可行的方案[57,58]。

3 直流配电系统案例

图2给出了一个基于电子电力变压器的直流配电网构想。它由多级直流网相互配合,以满足不同范围的电能输送和分配要求,并允许用户侧小型分布式电源和大型新能源发电接入。

这种直流网络的优点主要体现在:(1)各级直流电网间相互解耦;(2)电子电力变压器的快速调节能力可以有效限制故障电流上升,可降低对直流开关设备的要求。

然而,全直流的配电网目前仍然只是愿景。近期最可能率先实现直流制的是处于配电网末端的低压配电系统,如家用供电系统和楼宇供电系统等。

图3给出了一个以家用供电系统为例的具体的终端直流配电系统设计案例。该案例考虑以下几点:(1)接入的光伏发电(PV)电源容量为3kW;(2)为提高供电可靠性,配备储能单元(采用蓄电池);(3)满足交流负荷(最大3kW)和直流负荷(1.5kW)用电需求;(4)保留现有的交流系统(220V)。

该结构的特点是:(1)直流母线采用了比较安全的电压等级48V;(2)蓄电池储能单元直接接在直流母线上,可靠性和效率都很高;(3)PV电源通过最简单的Buck变换器接入系统,变换器效率高;(4)48V直流母线采用负极接地方式,且与220V交流母线实现电位隔离;(5)直流母线与交流母线间接口允许功率双向流动,从而可充分利用PV电源能量,同时也兼顾了交、直流负荷的供电可靠性。

基于该系统,针对以下工况进行了仿真:初始状态为系统离网运行,PV电源作为唯一电源供电,直流负载为1.5kW,多余的能量由蓄电池缓冲;0.1s时,投入3kW交流负载;0.5s时,系统并入电网;1.0s时,PV电源最大输出功率减小。整个过程的仿真结果如图4所示。

由上述仿真结果可以看出,0.1s之前,PV电源产生的功率大于负荷所需,多余的能量用于给蓄电池充电;投入交流负荷后,由于PV电源输出功率不足,缺额由蓄电池补充;并入交流电网后,能量缺额将由电网缓冲,当PV电源的功率减小至不足以支撑直流负荷需要时,电网将通过逆变器为直流负荷提供能量。

从上述微型的终端配电系统案例可以看出,在直流网络中,可以很容易地实现潮流的灵活控制。

4 结语

直流配电系统是一个以直流制为主导的电能配送系统,具有解决现代配电系统面临的挑战的潜力。加紧对直流配电系统网络结构、电压等级选取等基本问题的研究是目前首要任务,研究低成本、高效率的电能变换与控制技术,研制大容量直流开关设备以及开发高可靠的保护系统是推动直流配电技术发展的关键。尽管直流配电系统的运行控制与交流系统相比要简单很多,但直流配电系统的运行与控制有其特殊性,特别是直流配电系统存在很多电力电子变换装置。这些电力电子变换装置在提升直流系统可控性的同时,也增加了系统的复杂性。本文只是对直流配电方式进行了初步探索,更深入的研究有待进一步开展。

直流配电网能量优化控制技术综述 篇4

21世纪以来, 随着电力电子技术瓶颈的不断突破, 柔性直流系统在公共配电领域以其固有的“直流”优势逐渐引起了国内外众多专家与学者的重视。Gregory F.Reed等学者通过一系列的文献调研与仿真研究[1,2,3,4], 指出直流配电系统是包含中压配电网和用户侧配电网的公共配电网络, 其中中压直流配电网作为高压输电网与低压配电网间的重要衔接环节, 具有广阔的应用前景。如文献[1]所述, 由于新能源发电、储能系统和电动汽车等技术主要以直流作为本地电能载体, 因此发展直流配电技术并利用其对于分布式新能源和储能系统的良好兼容性, 可以有效地减少换流站的建设成本与换流过程中的能量损耗[5], 进而促进能源的合理、经济利用。随着新能源渗透率的日渐提升, 可以预见, 直流配电网在减少传统发电对环境的影响等方面将有显著效果。

从目前用电负荷的发展来看, 随着信息化时代的到来, 与计算机相关的数据中心、计算中心、网络中心等直流负荷的广泛应用已经成为这个时代的标志[3,6,7], 文献[8]统计了美国目前的楼宇用电情况, 指出全美楼宇总用电量的30%在供上述设备使用前要经换流设备转换为直流, 并且该比重在未来的10~15年内将达到80%。由此, 当考虑换流过程的电能损耗以及换流设备的购置成本与空间价值时, 直流配电网在降低负荷用电成本方面具有明显的经济与效率优势[9]。

就直流系统线路本身的送电性能方面考虑, 文献[10]指出, 由于交流系统在电能传输时其无功功率存在自然损耗, 而有功功率则会在电缆金属护套中产生涡流, 因此在相同电压等级、电流密度条件下, 直流系统单位长度的线损仅为交流系统的15%~50%, 而当采用双极直流系统送电时, 其容量可达到交流系统的1.5倍[11];此外, 文献[12-13]对由锂电池、超级电容器组成的多类型储能系统以及光伏发电等特殊单元进行了仿真研究, 指出包含上述单元的直流系统可以为用户提供高质量的电能, 是未来电能质量研究的重要方向。除上述特性外, 通过对“San Francisco Bay”直流工程的研究, 文献[6]指出直流系统因其相较于交流的弱电磁场环境, 在对人口和工业密集的城市进行电能配电这方面具有明显的优势, 为直流配电网的发展提供了工程经验的支持。

近年来, 国内外越来越多的研究关注于中压直流配电网的未来发展[1,2,4,11,14,15,16,17], 但针对直流配电系统的能量优化管理和基于优化指令的换流接口协调控制等相关技术的研究仍有待进一步深入研究。本文将从以上问题出发, 综述国内外中压直流配电网相关技术的研究背景和最新研究进展, 提出该技术领域值得深入探究的发展方向。

1 直流配电网系统结构

文献[1, 4-5, 8]对未来中压直流配电网的并网电源与负荷进行了讨论和展望, 指出直流配电系统的设计应考虑可再生能源发电、储能设备应用、智能电网接入等新技术的融合, 并且充分利用直流系统高水平电能质量的供电优势, 以适应不同技术条件下的负荷用电需求。因此, 综合上述直流系统的特点与优势可知, 直流配电网在未来发展中将作为“嵌入式”网络为配电网内负荷密度较大区域或重要、敏感负荷提供电能, 其系统能量结构如图1所示。该系统在并网运行时以交 (直) 流输电网经换流 (变压) 接口后的直流输出作为配电网主要电源, 可以通过多个换流接口与其他交流配电网进行能量交互, 有包括风电、光伏发电等可再生新能源和柴油发电机、燃料电池等可控型分布式电源以及储能系统、电动汽车充 (换) 电站等电能存储单元接入, 同时考虑交 (直) 流敏感负荷和用户侧低压直流配电网等用电负荷的并网运行[4]。当输电网或其所接换流站发生短时故障而导致配电网系统脱网运行时, 为保证重要负荷供电的连续可靠, 直流配电网将对系统内部的分布式电源及储能单元进行能量优化管理, 增大电能输出并切除部分负荷及配电网互联接口, 以使系统具有一定的故障穿越能力。

基于图1所示的系统结构, 文献[2]对20kV中压直流配电系统进行了简化和初步仿真研究, 展示了基于中性点钳位5电平交流—直流换流器的直流系统运行输出波形;文献[4]在此基础上对电动汽车充电行为进行了仿真建模研究, 在系统中加入储能单元, 验证了直流配电系统对于电动汽车充电具有更高的效率。但是上述研究在控制指令确立时没有考虑系统的建设、运行维护等经济成本, 因此其实际应用价值仍有待进一步的验证;并且仿真系统中的负荷模型较为简单, 对于配电网负荷灵活多变的用电行为和并网单元间电能质量的交互影响等问题有待更为深入的研究。

此外, 如文献[1]所述, 实际的中压直流配电网作为连接高压与低压直流系统的中间网络, 应具有多个电压等级[18], 以满足不同电源的接入和负荷的用电需求。因此, 针对多电压等级直流配电网建立电压等级序列及评价体系, 为实现系统能量的优化管理, 从直流配电网新能源接纳能力、送电容量、供电距离 (半径) 和电气绝缘保护等可靠性方面以及新能源能量有效利用、方便其渗透率提升及减少运行控制中电力电子装备成本代价等经济性方面综合评估和建立多电压等级运行标准[17,19];在多电压等级配电网拓扑的基础上, 针对系统运行潮流及配电网电源、负荷的运行特点建立数学模型, 根据系统不同运行状态制定系统能量优化管理策略, 设计合理算法以得到各并网单元的能量优化控制指令;在得到系统能量优化控制指令后, 开展系统并网单元及各个换流器间的协调控制研究, 建立系统运行的电磁暂态仿真模型, 将是直流配电网未来发展的重要研究方向。

2 直流配电网能量优化管理

由于公共直流配电网运行状态多变且功能结构复杂, 除多端直流系统潮流和并网接口换流约束外, 在并网单元建模时还需从系统的角度考虑可再生能源的不确定性出力、储能系统的充放电行为以及负荷的随机性用电需求等运行约束, 因此如何在满足系统安全可靠运行的条件下, 设计合理的系统能量管理策略及调度算法, 优化各个接入单元的运行状态与控制指令, 实现有限资源的高效、可靠利用, 是直流配电网能量优化管理研究有待解决的核心技术难题[20]。

2.1 直流配电网潮流计算

总结国内外研究成果可知, 考虑换流过程的多端直流系统潮流计算研究主要存在以下3个问题: (1) 平衡节点选择; (2) 潮流方程求解; (3) 系统换流过程等效计算。其中换流过程的等效计算作为直流配电网潮流求解中一项特殊的重要步骤, 是该问题的研究难点。

由现有工程经验可知, 输电系统相较于分布式电源具有更大的容量和更好的稳定性, 因此仍将是未来直流配电网的主要电能来源[1]。而输电网的上述特点可以满足平衡节点保持母线电压恒定和灵活输出功率以补偿系统能量缺额的要求[21], 因此输电网侧换流输出将是平衡节点的首要选择[22]。但就目前的工程应用而言, 出于经济、安全以及建设周期等考虑, 现阶段普遍采用输电网电能经多个换流接口注入直流系统的方式[18], 此时相应换流站动态响应特性和备用容量就成为平衡节点选择的重要考量依据[21]。

对于系统潮流方程求解, 由于系统中光伏、风电等分布式电源以及储能设备的存在, 使得直流配电网具有潮流双向流动的发展需要。目前, 交替求解法与统一求解法是解决多端柔性直流系统潮流计算问题的2种较为成熟的方法[23,24], 前者可以有效地兼容已有的交流计算软件[25], 因此相比于后者在算法复杂度和计算资源占用等方面具有一定的优势;而后者相比于前者则在程序扩展性和计算收敛性等方面具有较为明显的优势。文献[26]基于交替求解法提出了典型的多端柔性直流系统潮流计算模型和数学求解方法[26], 该模型可以同时满足多个直流系统与交流系统的能量交互, 且直流网络拓扑结构不受限制, 故对于直流配电网的潮流计算研究将起到较好的借鉴作用。

在换流损耗方面, 文献[27]认为换流损耗在数学模型上可由常量与变量两部分表示[27]:前者可以等效为直流配电线路上的并联阻抗所造成的有功损耗, 在形成节点导纳矩阵时给予修正, 而后者则如文献[27-28]所述, 与交流侧电流平方成正比, 可等效为交流侧换流变压器的阻抗增量。该方法在直流配电网并网运行时可以较为准确地计算换流过程的能量损耗, 但在直流平衡节点处由于系统交互功率未知且损耗计算方式复杂, 故将大大增加潮流程序的计算量, 因此有待进一步改进和验证。文献[29]在此问题上引入交流侧串联电阻γpu以对交流侧损耗进行等效。该方法直接将交流侧电源出力或负荷用电与直流侧有功功率建立联系, 从而有效地解决了交流侧损耗的计算问题。

2.2 系统能量优化策略

现阶段, 直流系统能量优化管理策略中的算法模型主要由约束条件和优化目标两部分组成。前者要求管理策略在不同的运行条件下都能保证系统的稳定与安全, 并满足并网单元和重要设备的安全可靠运行要求;而后者则要求在满足约束条件的前提下, 针对问题特点对目标进行数学模型描述, 并选择有效的解决手段[30,31]以实现系统预定的目标最优化计算。

2.2.1 系统能量平衡策略

如前所述, 鉴于直流配电网在并网和脱网2种运行状态下由不同的电源、负荷组成, 所以该系统在不同能量平衡关系下应具有不同的运行约束及经济优化模式;此外, 由于直流配电系统中的可再生能源受自然条件影响其出力具有不确定性, 并且电动汽车并网和负荷用电也具有随机性, 故系统能量平衡状态将存在较为严重的波动, 这一波动在危害系统电能质量和运行安全的同时, 也相应增加了硬件设备的性能要求和建设成本[32,33]。因此, 如何合理有效地平抑系统能量平衡状态的波动, 建立不同能量平衡关系下的系统能量管理策略是直流配电网能量优化管理研究的首要问题。在系统能量平衡状态波动平抑方面, 鉴于光伏发电与风电存在自然的互补优势, 文献[34]在目标函数中引入能量波动惩罚因子, 实现风电、光伏发电出力最大化和可再生能源联合出力波动最小化目标的兼顾优化;但是, 该方法在日前层完成系统能量波动平抑调度, 而对于系统运行的实际干扰和突发情况无法做出反应, 因此, 其波动抑制的实际效果有待进一步验证, 可考虑与实时平抑方法相结合。文献[35]基于模型预测控制技术提出风电场功率波动平抑优化控制算法, 以较少的储能容量实现了系统的实时经济最优控制。但是, 该算法的预测时长仅为10s, 在该时段内风电波动较小, 故其优化作用不明显。因此, 如何在满足系统实时控制要求的前提下, 对优化细节做适当取舍并利用有限的计算资源实现较长时段的滚动优化, 以增强算法的优化效果是一个值得改进的研究问题。

当系统能量关系改变时, 文献[36]指出直流母线电压稳定是系统能量平衡和稳定运行的重要前提, 因此提出了考虑系统电压稳定的直流系统能量优化管理策略。该策略利用储能电池充放电运行对3种系统能量平衡关系下的直流系统进行优化控制, 并提出了在脱网重负荷或持续脱网情况下考虑母线电压稳定阈值的负荷切除策略, 最大限度减少负荷的切除量并满足重要负荷持续可靠安全用电要求。但是该模型没有考虑储能设备充放电损耗, 因此其优化结果的经济性有待进一步验证。出于系统运行成本的考虑, 文献[37]针对系统脱网运行状态, 考虑系统容量备用、负荷断电和储能设备充放电状态等多种运行约束, 计及储能系统充放电损耗成本并引入弃风惩罚因子和负荷断电补偿因子以总运行成本最小为目标, 建立系统能量优化管理策略;对比了相同额定容量下, 电池储能系统和电动汽车换电站在作为系统储能装置时的系统功率平衡效果, 证明了后者在可再生能源接纳能力和系统经济性提升等方面具有明显的优势。但是该研究模型没有考虑储能设备的容量成本, 其“满充满放”管理机制使得储能设备的利用率较低, 并且对于优化过程中的储能容量选取缺少科学有效的论证, 因此有待进一步完善。

2.2.2 多时间尺度能量管理

由于能量优化管理问题同时包含了分布式电源机组组合、储能系统运行计划和系统能量实时管理等诸多方面, 因此仅考虑系统单一时间尺度下的不同能量平衡关系仍较难保证其经济性最优运行。因此, 近年来基于多时间尺度的系统能量优化管理研究受到越来越多的关注。从现有研究结果不难发现, 多时间尺度系统能量优化管理问题主要包括日前计划、实时调度2个阶段[20,38]。

在日前计划阶段, 可再生能源发电预测和系统负荷预测是2项尤为重要的研究内容, 直接关系到系统发电成本、电源备用容量和储能系统运行计划等经济指标[39]。目前较为成熟的预测方法可大致分为功率曲线预测和建模预测2类;而后者因其对实际变化的快速响应能力在近年来得到更多的关注与应用, 其建模类型主要包括以下3种[40], 即物理建模、信息统计建模和学习型建模[41,42,43,44], 如表1所示。

文献[20]基于日前预测所得数据, 提出多时间尺度能量优化管理策略, 利用调度中心指令优化与本地控制优化相结合的方法, 有效地解决了日前计划与实时功率平衡的协调优化问题;该模型考虑了储能电池充放电损耗的经济性, 将储能电池每天一次充放循环作为优化目标, 以期提高电池使用寿命, 降低系统运行维护成本。然而, 该模型对储能充放电深度的设定缺少科学论证, 并且模型中经预测所得结果与实际系统运行状态必然存在一定的误差, 因此相应修正策略将会增加程序的计算压力和复杂程度。鉴于此, 文献[9]提出一种基于系统数据及电力市场信息的实时优化控制策略, 以电动汽车作为储能单元参与系统的功率平衡与控制。针对电动汽车运营策略, 提出一种计及充电费用和电池损耗的充放电盈利模式。该策略可以根据系统实时电价等信息得出当前系统的最优决策, 对缺少历史运行数据的新系统具有良好的适应性, 并且对系统实时调度层的电动汽车管理策略有较好的借鉴作用。但是由于经济模型中的“放电回报系数”很大程度上决定了电动汽车的积极性以及配电网的经济收益, 所以如何对该参数进行合理选取将是该运营策略成功的关键, 有待进一步研究。

在系统不同能量平衡关系的多时间尺度优化研究方面, 文献[38]针对并网、脱网2种运行状态提出具有日前计划和实时调度双层优化结构的多时间尺度能量管理策略;通过计算日前层储能备用容量以补偿日前计划中可再生能源发电和负荷用电的预测误差, 并且在并网和脱网不同情况下采用不同优化目标, 从而实现系统能量优化管理。但是该算法仅根据可再生能源的预测容量确定日前层储能备用, 势必将造成储能资源的浪费, 因此如何根据系统实时运行情况对储能备用进行短时优化调整以减少储能容量需求是一个值得进一步研究的问题。此外, 由于该策略中调度层指令间隔是分钟级, 无法满足系统波动平抑要求, 因此在现有基础上添加更短时间尺度下的系统能量波动平抑控制层, 实现3层协调优化是本研究值得进一步深入的方向。

3 优化指令协调控制

直流配电网能量优化与控制技术是一个系统层面的控制问题, 其能量优化计算结果作为上层调度指令下达至下层的换流控制器。因此, 如何在系统能量优化控制的框架下, 根据上层优化指令, 克服实际运行时的突发干扰和系统并网负荷及可再生能源的用电、出力波动, 实现下层换流器之间的协调稳定快速响应, 是直流配电网能量优化控制研究中的又一重要内容。

文献[45]对多馈入直流系统的协调控制层次结构进行了讨论, 并对基本协调控制的实现方式进行了介绍。文献[46]在舰船中压直流配电系统中考虑系统出现故障后潮流变化对其余工作设备的冲击和危害, 提出电压敏感特性算法, 以优化换流器电压和功率指令值。在母线电压稳定控制方面, 根据网络规模及系统通信条件的不同, 目前换流接口间的基本协调控制模式主要包括电压下垂控制和主从控制2种, 二者的优缺点比较如表2所示[21,25,47]。文献[21, 24]认为主从控制策略的核心是主换流器对系统功率的补偿以维持母线电压的稳定。因此, 这种策略过分依赖主换流器的性能和容量, 将对换流器的选址定容设计提出诸多限制和要求。

国内外研究结果表明[21,48], 协调控制中电压下垂特性的实现可以从程序控制和控制器仿真建模2个层面进行考虑。前者在潮流计算过程中引入下垂参考值, 而后者则在控制器中引入独立的指令修正环节或是带有下垂等效电阻的反馈环节以协调控制多个换流器, 从而满足系统能量需求。

3.1 潮流控制

文献[21]对基于电压下垂协调控制的多个换流站所组成的直流系统进行了潮流研究;考虑部分换流站故障情况下的协调运行, 在交替求解法的框架下对潮流算法进行了理论模型的分析和改进, 模型以MATPOWER[49]潮流仿真为基础, 引入下垂参考量后, 可以在线设定系统换流站的电压下垂指令值, 以达到更多电源参与系统功率平衡调节的目的。但该模型没有考虑换流器的实际容量限制, 认为换流器的电压下垂控制曲线始终保持线性, 该假设在母线电压波动较大时会造成系统换流站的越限运行[47], 故其模拟结果可信度低, 不能对实际问题有良好的指导作用。此外, 虽考虑了换流损耗, 但在换流过程中该模型将换流响应延迟、通信时间延迟以及换流误差等问题理想化, 不考虑母线上的电压偏差, 因此对于换流响应的实现, 还有待进一步的完善。针对上述稳定问题, 文献[50]提出换流器的稳定运行域概念, 在计算换流器损耗的同时, 检验系统状态变量是否满足换流器容量安全约束, 以保证换流器运行的安全性。

3.2 控制器仿真建模

在控制器仿真建模方面, 文献[29]考虑了换流器的通信延迟、直流母线能量损耗、换流损耗以及反馈信息选取对于换流站电压控制和功率输出的影响, 在PSCAD仿真平台上建立了基于电压下垂特性的精确协调控制模型 (如图2所示) , 得到了预想的换流电压和功率输出响应波形。但该模型仍存在电压跌落越限的问题, 当实际系统受到较大扰动或者负荷增加过大时将导致系统电压跌落超过允许范围, 因此仍有待进一步解决。图2中:PI表示比例—积分控制器。

针对上述问题, 文献[51]提出“二次调节”的控制策略, 在电压下垂控制的基础上引入指令值二次修正环节, 如图3所示。图中:PWM表示脉宽调制。该环节在检测到换流器出口母线电压跌落时将根据跌落值自动调整控制指令值, 将各控制器的下垂特性曲线整体上移, 从而在换流器容量允许范围内恢复系统母线电压, 并维持其稳定。此外, 不同于文献[29]中的“独立计算环节”, 该模型在计算下垂修正量时引入了带有下垂等效电阻的反馈控制环节, 使得控制器模型设计更为简单紧凑。

当配电系统通信条件有限时, 调度指令与换流站实际运行状态间存在较大延时, 此时在本地控制器层面引入下垂协调控制具有较为明显的优势, 可以自动满足通信滞后期间系统的功率平衡需求。并且, 由于下垂系数的取值对协调控制效果具有很大的影响[36], 因此在程序设计层面优化选取下垂控制参数具有一定的研究意义。

4 结语

直流配电网的能量优化控制是一个有待解决的复杂问题。从现有文献可知, 直流配电网的特殊性除直流潮流约束外, 主要体现在换流器的使用、控制方面, 其输出约束、损耗计算和调节裕量等问题需要在研究中加以特殊考虑。与此同时, 虽然直流配电网的系统能量优化管理策略存在特殊性, 但仍可借鉴交流系统中较为成熟的优化模型和优化方法, 并考虑上述特殊性对其进行改进和验证, 以适应直流配电网的运行特点和技术要求。本文对国内外关于直流配电网能量优化控制问题的研究进展和重要研究成果进行了综述, 提出如下的研究方向以供参考。

1) 直流配电网能量优化管理策略研究。研究多时间尺度直流配电网能量优化策略, 考虑可再生能源出力、电动汽车充放电等行为的随机性与波动性, 综合利用储能系统对直流配电网能量进行优化;研究引入直流配电系统后对原有交流配电网的影响, 考虑分布式电源出力与负荷用电的不确定性, 对交直流系统随机潮流进行研究;并在此基础上建立系统网损、储能充放电损耗等用电成本经济模型, 对系统能量进行优化管理。

2) 直流配电网实时控制方法研究。研究可再生能源发电、储能系统和电动汽车充电站等特殊单元并网对直流配电系统暂态运行的影响, 改进多换流接口间的直流侧电压稳定协调控制方法;此外, 优化下垂特性参数, 兼顾其功率调节性能与系统的稳定性, 也是直流配电系统实时控制研究中的一项重要内容。

3) 稳态分析与暂态仿真相结合的系统分析研究。结合系统能量优化管理策略和实时控制方法, 建立稳态分析与暂态仿真的平台接口, 将优化结果作为暂态仿真中的控制指令, 将仿真结果作为稳态分析中的系统状态, 对直流配电系统进行分析, 实现实时仿真优化。

可以预见, 直流配电系统的建立必将大大提高配电系统的能量利用效率, 最大程度地实现资源的合理利用, 并且降低对环境的影响, 从而优化配电网能量结构, 进而从根本上改变目前电力市场的经济运行模式。

摘要：随着化石能源的日益枯竭, 风电、光伏发电等可再生能源、储能系统、电动汽车等新技术逐渐得到人们的重视。但它们在并网时会产生不可避免的换流损耗, 而直流配电网在降低新能源换流成本、提高其能量利用率等方面具有较为明显的优势, 且通过对换流器运行指令的合理有效设计, 可以实现直流配电网的安全、经济、高效运行。文中首先介绍了直流配电网的特点与优势, 并对其系统结构进行了简要说明;然后对直流配电网能量优化管理技术以及基于优化指令的换流接口协调控制技术的最新研究进展进行了综述;最后讨论了仍有待进一步改进和完善的相关研究方向。

一种新型低压直流配电系统设计 篇5

1 系统设计

图1为本文所提出的一种新型低压直流配电系统。其中,A,B,C为三相交流电源的A相、B相和C相;D为变压器绕组采用三角形接法;Y为变压器绕组采用星形接法;C为电容;L为滤波器的电感。

2 系统各模块构成及作用

图1为低压直流配电系统,它包括双极三相变压器单元、整流器单元、直流电缆单元和终端用户型逆变器单元。其中,双极三相变压器单元与电源测、整流器单元连接,整流器单元与双极三相变压器单元、直流电缆单元连接,直流电缆单元与整流器单元、终端用户型逆变器单元连接,终端用户型逆变器单元与直流电缆单元、负载侧连接。

终端用户型逆变器单元是由以下3部分构成的:(1)逆变模块是由6组IGBT桥构成的,各桥的调制采用具有抑制共模作用的控制器加以实现;(2)LC滤波器是由基于非晶合金铁心的电抗器构成的;(3)隔离变压器采用的是频率为50 Hz、接线为星三角接法的变压器,用于隔离用户侧的负载。

3 结束语

与一般直流配电系统相比,该新型低压直流配电系统在实现直流线路故障快速隔离的同时,兼具了经济性,实现简单,并且配电网控制更简洁、灵活,可以输出高质量的直流电能。

摘要：新型低压直流配电系统包括双极三相变压器单元、整流器单元、直流电缆单元和终端用户型逆变器单元。其中,终端用户型逆变器单元由逆变模块、LC滤波器和隔离变压器构成;逆变模块由6组IGBT桥构成,各桥的调制采用具有抑制共模作用的控制器来实现;LC滤波器由基于非晶合金铁心的电抗器构成;隔离变压器采用频率为50 Hz、接线为星三角接法的变压器,用于隔离用户侧的负载。该新型拓扑系统的构造简单,经济成本低,并且可以实现逆变器与用户侧的有效隔离。

关键词：隔离变压器,直流配电系统,逆变器,IGBT

参考文献

[1]蒋智化,刘连光,刘自发,等.直流配电网功率控制策略与电压波动研究[J].中国电机工程学报,2016,36(4):919-926.

[2]江道灼,郑欢.直流配电网研究现状与展望[J].电力系统自动化,2012,36(8):98-104.

[3]宋强,赵彪,刘文华,等.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报,2013,33(25):9-19.

直流配电网单极接地故障定位方法 篇6

随着信息设备的迅速普及，直流负荷的比重明显增加。另外，智能电网中各种分布式发电和储能装置，均需要直接或间接地通过直流环节接入电网。需求侧和电源侧的直流化使直流电网技术成为当前的一个研究热点，相关研究已经证明了直流电网在降低线路损耗、提高供电质量、接入分布式电源等方面的优势[1,2,3,4,5]。目前直流配电网的研究还在起步阶段[6]，对直流配电网的故障定位问题更是鲜有研究。本文提出了一种直流配电网的接地方式，并在此基础上提出了一种利用故障暂态量定区间、利用稳态量测距的故障定位方法。

2 直流配电网接地方式的选择

对于直流配电网的接地方式，目前仍然没有定论。直流配电网的故障特征与其接地方式密切相关，因此在研究故障定位之前，有必要对直流配电网的接地方式进行深入的探讨。

对基于电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)的直流系统，Daniel等提出了TN-S与IT两种接地方式，分别如图1(a)和图1(b)所示[7]。TN-S方式指直流侧中线直接接地，当发生单极接地故障时，故障电流骤增，需要断路器迅速开断[8]。IT接地方式指正极经高阻接地，当发生单极接地故障时，会有较小的故障电流[6]。Lee C H分析了各种接地方式的优缺点，认为采用直流侧不接地的方式最优[9]，但直流侧完全不接地会造成线路对地电位漂移和振荡[6]。

对基于模块化多电平换流器(Multi-level Module Converter,MMC)的直流系统，主要采用两种接地方式。一种是在换流器的隔离变压器副边星形中点通过电阻接地，如图1(c)所示[10]。当直流侧单极接地时，交流侧接地点、故障极桥臂电容和故障点将形成回路，会有较大的电容放电电流流过。另外一种是直流侧通过钳位电阻的中点接地，如图1(d)所示[10]。钳位电阻很大，单极接地故障相当于改变了直流侧的电位参考点(从钳位电阻中点变为了故障极接地点)。由于没有形成故障回路，子模块电容不会放电，流过接地点的电流主要是故障极电势变化引起的线路分布电容的充放电电流[10]。正、负极间电势差不变，因而系统能继续运行，提高了供电可靠性。

图1(a)、图1(c)和图1(d)中的接地方式均是在柔性直流输电工程中实际使用的。对于直流配电网接地方式的选择，需要综合考虑绝缘成本、继电保护、设备安全和供电可靠性等多个方面的因素。由于图1(d)中的结构在单极接地故障时没有故障电流的冲击，系统可继续运行，可靠性较高，因此，可以选用图1(d)中的接地方式作为直流配电网中MMC的接地方式。对于VSC，图1(a)所示的接地方式在单极接地时会产生过电流，而图1(b)的方式实际上是单极运行。本文借鉴图1(d)的方式，提出了图2所示的接地方式。

图2中R为钳位电阻，由于阻值很大，相当于开路，在单极接地故障时，没有形成故障回路，直流侧电容不会向故障点放电，避免了过电流冲击。故障特征如图3所示，Up和Un分别为正、负极电压。正负极之间电压差不变，系统可以继续运行。交流侧变压器采用Yd型接法，可以避免零序电流和部分谐波传入交流电网。

下面从四个方面考察图2中的接地方式。

(1)绝缘成本:虽然这种直流侧经钳位电阻接地的方式会导致非故障极电压升高，绝缘配置的成本上升，但是由于配电网电压等级低，绝缘成本的增加并不明显。

(2)继电保护:由于目前直流断路器技术尚不成熟，已有的产品成本很高，应该尽可能避免频繁开断，延长其使用寿命。采用图2接地方式，在单极接地故障时没有过电流，避免了断路器频繁动作。

(3)设备安全:直流换流器中的电力电子器件对故障电流的耐受能力较弱[8]。目前柔性直流输电系统主要采用电缆来降低故障率[11]，但是电缆的成本远高于架空线。采用图2的接地方式能够避免单极接地故障产生过电流，保护换流器元件。

(4)供电可靠性:在发生单极接地故障时，能够继续运行，提高了供电可靠性。

综上所述，图2直流侧经钳位电阻接地的运行方式有较好的应用前景。

尽管系统能够继续运行，但由于非故障极的电压升高，长时间运行会导致绝缘损坏并引发严重的极间短路，因此，仍应该快速找到并排除故障。本文主要研究在这种接地方式下直流侧单极接地故障的定位方法。目前，对于直流配电系统故障定位方法的研究甚少，学者Pan等人研究了船用直流供电系统的故障区段定位算法[12,13]，但尚鲜有针对城区直流配电系统故障定位问题的研究。

本文建立了直流配电网小电流接地时的故障模型，分析了故障后故障电流和负荷电流的特征，在此基础上，提出了一种利用暂态量定区间、稳态量测距的故障定位算法。本文的研究基于智能配电网的概念，因而设定网络中具有完善的通信系统和广泛布置的传感测量装置。

3 故障特征分析

直流配电网单极接地时的故障电流与交流系统有明显的不同。交流系统由于存在固定的频率，线路电容会发生持续的充放电，所以在故障点会流过稳定的工频电容电流。在直流系统中，理论上当故障后重新到达稳态时，各极对地电势恒定，不再有电容电流流过故障点;但是由于直流侧电压存在谐波，因此接地点会继续流过由谐波引起的线路分布电容电流。

故障暂态时故障极线路等效模型如图4所示。各处等效分布电容向故障点放电的回路是RLC串联电路，一般线路参数满足欠阻尼条件，电容发生衰减振荡放电[14]。流过接地点的故障电流为各个分布电容放电电流的总和，当分布电容存储的能量完全释放后，故障电流衰减到零附近。但由于直流侧谐波电压的存在，仍会有极小的谐波电容电流继续流过接地点，如图5所示。

图4中，有:

ICi由两部分构成，一部分为故障暂态时线路对地电势改变引起的电容放电电流ICzi，另一部分为电压谐波引起的电容电流ICxi。其表达式为:

其中ICzi随着电容能量的释放迅速衰减到零。因而在直流侧电压重新到达稳态后，故障点只流过谐波电容电流，即

相关研究表明故障时直流电压谐波主要为二次及其他高次谐波[15]，因此其引起的电容电流也具有相似的谐波特征，暂态过程结束后流过过渡电阻的电流幅频特性如图6所示，可见重新到达稳态后流过过渡电阻的谐波电容电流很小，且其直流分量为零。

在重新达到稳态后，故障极接地点对地残余电压UF为:

式中，Rf为过渡电阻。因而，式(4)中UF的谐波含量与谐波电容电流相同，且其直流分量为零。即无论过渡电阻Rf的大小，UF的直流分量都为零。图7给出了不同过渡电阻值下故障极接地点处残余电压的幅频特性。可见，虽然UF的谐波分量幅值受过渡电阻的影响，但其直流分量始终为零。

因此，可以利用测量点处故障极对地残余电压的直流分量和负荷电流来计算故障距离。然而，在实际配电网中，分支众多，负荷电流分布复杂，除了故障点外，故障极还有可能存在其他对地电压为零的点。因此，必须首先确定故障区间，排除伪故障点。

4 故障定位算法

4.1 故障区段定位

图8为故障后暂态电容电流分布情况示意图，各线路分布电容电流经大地和接地点流回各线路分布电容。图9给出了图8分布的二叉树表示，可见，距离故障点越近，流过的暂态电容电流越大;在各分支节点处靠近故障点的方向上的暂态电容电流最大。

当某个节点处有三个以上的分支时，还可以用多叉树来描述。

定义分支(i,j)为由节点i到节点j的区间。在故障区间未知时，利用图10所示的树来描述网络拓扑。

如果网络中含有环形结构，可在某两个节点之间设一虚拟节点，在该虚拟节点处将环打开，然后利用树状图描述网络拓扑。

通过比较树中某节点处的各个分支上暂态电容电流的大小，即可判断故障点所在的方向。按照如下规则存储方向信息。

(1)规则1:对于分支点，将故障点所在方向的分支存入该节点。

(2)规则2:对于末端节点，只有一个分支，则将该分支存入该节点。

例如，节点4为末端节点，则节点4的故障方向为(4,3);如果节点3处(3,2)分支上暂态电容电流最大，则确定分支(3,2)指向故障点，将故障分支(3,2)存储于节点3。沿此方向查找到下一节点2并读取其存储的故障方向，重复上述过程，直到某一点处存储的故障方向指回上一节点，则故障点就在这两个节点之间的区间上。

区段定位方法的关键在于准确测量和比较分支节点处各个分支上的暂态电容电流的大小。如图11所示，故障暂态时线路上的电流为负荷电流和暂态电容电流的叠加。霍尔电流传感器响应速度快，测量频带宽，能够测量交流量和直流量，不受铁心饱和的影响[16]，因而可以用来测量如图11所示的线路电流。

配电线路暂态电容电流的振荡频率一般在300～3000Hz的范围内[14]。本文利用快速傅里叶变换求得图11线路电流的幅频特性，然后求得300～3000Hz频段各频率点的幅值的平方和，定义为特征频段总能量，用来表征暂态电容电流的大小。计算公式为:

式中，Mf为频率f对应的幅值。

图12给出了分支节点处测量系统的示意图。计算比较单元对传感器输出信号进行A/D转换和采样，完成傅里叶变换，并计算其特征频段上的总能量。暂态电容电流总能量最大的分支即为故障点所在方向，通信单元将该方向上传至主站。为实现后续的故障测距，通信单元还需要上传直流负荷电流的大小。傅里叶变换后零频率分量的幅值即为直流负荷电流的大小。

GPRS无线通信系统能够高速传输数据，适合传输间断的、突发的、数据量小的数据，因而在配电网自动化中得到应用[17]。在本文定位算法中，通信单元只需要上传最终的比较结果，数据量很小，因此采用成熟的GPRS技术即可满足其通信要求。

4.2 计算故障距离

故障后稳态时接地点电压的直流分量为零，因此可以考虑使用负荷电流和故障后测量点的残余电压值来计算测量点和故障点之间的距离。负荷电流可以通过故障区间两端的霍尔电流传感器测量得到，残余电压可由霍尔电压传感器测量得到。

单极接地故障后故障极负荷电流如图13所示，其中M为测量点，F为故障点，则有:

式中，UM为故障极上测量点M的残余电压的直流分量;ZMF为MF段的阻抗，在稳态时的直流系统中实际上等于线路的直流电阻RMF，由于直流电阻值不受线路间耦合的影响，所以本文没有考虑两极间的解耦问题;Ru为单位长度的直流电阻;dMF为MF段的距离。

5 仿真验证

本文在Simulink/Matlab中搭建直流配电网模型。采用三电平VSC换流器，直流额定电压为10kV。线路参数为:R=0.1273Ω/km,L=0.934mH/km,C=12.74nF/km。采样频率设为100kHz。

5.1 简单辐射状直流配电网

搭建如图14所示的辐射状直流配电网模型。以线路1上5km处发生单极接地故障为例，过渡电阻为100Ω，计算得到各分支线路的特征频段总能量为E1=0.4538,E2=0.0195,E3=0.0084,E4=0.0026。因此可以判断故障发生在线路1上。然后利用傅里叶变换求取线路1出口处故障极残余电压和负荷电流的直流分量，计算得到故障距离为5.0001km。表1给出了更多的定位结果。

5.2 复杂多端直流配电网

图15为一个28节点的多端直流配电网模型示意图，图中含有三个换流站，各个换流站间采用主从控制法，节点1处换流站采用恒电压控制，节点6和17处换流站采用恒功率控制。为简化问题，设定各区间长度均为2km，每个末端节点接有10kW负荷。该网络存在闭环，因此在区间(19,20)上假设一虚拟节点X，在X点将环打开，形成树状图。利用本文方法进行故障定位。任取三个故障点，定位结果见表2。

由表2定位结果可知，本文方法定位结果不受过渡电阻的影响，定位精度能够满足应用需求。

6 物理模拟实验

为进一步验证本文方法，在实验室进行了物理模拟实验。模拟直流配电网结构如图16所示，其中实线为正极，虚线为负极，点画线为模拟大地。利用集中电容元件模拟配电线路的对地分布电容，利用电阻和电感元件模拟实际线路，每千米线路以0.1Ω电阻、1mH电感、4.7μF电容等效(图中没有画出线路电阻和电感)。区间(3,4)长5 km，其余各区间均为1km。采用36V直流开关电源模拟换流器产生直流电压;利用标准金属电阻元件模拟负荷;两个22MΩ电阻分别接在正、负极与中线之间钳位，使正负极对称运行。

利用KT/5AP及KT/10AP型科海模块(磁补偿式霍尔电流传感器)测量两个分支节点处各条出线上的电流，设从电源到负荷方向为电流正方向。利用数据采集卡采样并记录电流数据。在上位机利用Labview软件设计实验平台界面，显示并记录故障电流。图17为物理实验电路以及上位机平台。

在区间(3,4)上设置正极接地故障，过渡电阻分别为0、25Ω和50Ω，故障距离分别为2km、3km和4km。利用本文方法确定故障位置。

图18和图19给出了故障距离4km，过渡电阻为零时各个分支上流过的电流。

分别计算节点3和节点4各个分支上暂态电容电流在特征频带的能量，比较其大小。节点3上分支(3,4)暂态电流能量最大，节点4上分支(4,3)暂态电流能量最大，因此确定(3,4)为故障区间。

进一步利用测量点故障极残余电压和故障分支负荷电流计算出故障距离。多次实验结果见表3。由表3可知，定位结果的相对误差控制在1.5%以内，证明该方法能够有效确定故障距离。实验的误差主要是由传感器测量精度、数据采集卡的采样精度和器件参数精度等多种因素共同造成的。

7 传感器配置优化

本文方法需要在每个分支节点处安装电压和电流传感器，投资较大。为减少投资，可以通过某一点处的残余电压和全网络的负荷电流分布来计算故障区间端点处的残余电压，进而计算故障距离。

如图20所示，只在M点安装电压传感器，假设已知故障点在NP之间，当MN之间接有H-1个节点，则将MN分为H段，设第i段负荷电流为Ii(可以由电流传感器测量得到)，电阻为Ri，可根据UM和各段的负荷电流求得N点残余电压UN。其表达式为:

式中，INP为NP段的负荷电流。这样，只需要在一个分支节点处安装电压传感器即可。但是各区间的电流测量误差累积会影响最终定位结果的精度。在应用中应该根据实际情况取得经济性和定位精度间的平衡。

8 结论

本文分析了换流器直流侧经钳位电阻中点接地的优势，建立了直流配电网发生单极接地故障时的模型，分析了故障电压、故障电流及故障前后负荷电流分布的特点，在此基础上提出了一种利用故障暂态量定区间、稳态量测距的故障定位方法。该方法具有以下特点。

(1)通过比较各分支上暂态电容电流特征频段上的总能量来确定故障区间，原理简单，可靠性高。

(2)利用残余电压的直流分量实现故障测距，不受过渡电阻的影响。

(3)大部分数据处理在现场完成，只需要上传处理结果，对通信系统要求较低。

直流配电系统主动式短路保护研究 篇7

随着化石能源的消耗、环境压力的增加, 全球均面临着能源结构的战略性调整, 从传统能源向以可再生能源为主的清洁能源过渡在不远的将来将变成现实[1]。

环境保护和能源需求的双重压力, 使分布式发电 (Distributed Generation, DG) 成为电力系统发展的重要推动力, 并将在未来电力系统中扮演越来越重要的角色, 受到世界各国的关注和重视。但分布式发电具有不可控性和随机波动性, 其高渗透率对电力系统的稳定性有负面影响, 当电力系统发生故障时, 分布式电源必须马上退出运行, 这就使得分布式发电的作用未能得到充分发挥。若要充分挖掘分布式发电给电网和用户带来的价值和效益, 必须寻找更加友好的接纳DG的途径。

相对于传统交流电网, 风电、光伏发电、燃料电池, 以及电动汽车动力电池、超级电容器等各种储能装置基本上都是直流电 (或采用直流电技术) , 必须通过DC/AC换流器才能并入交流配电网;众多办公与家用电器设备采用直流供电实际上更为方便、节能;越来越多的工业负荷采用变频技术以提高电能利用效率[2,3,4]。

考虑到分布式电源的直流特性以及直流负荷的增加, 直流配电的应用有了新的发展机遇。直流配电网是多种综合能源的友好接口, 同时也是供电可靠性有效提升、服务不同用户需求的一个很好的解决方案。

基于直流母线的直流配电系统

基于直流母线的直流配电系统是一种分布式供电系统[5], 各种分布式发电可以通过变换器接入直流配电系统, 如光伏发电通过DC/DC变换器接入直流母线 (DC+、DC-) , 风力发电通过AC/DC变换器接入直流母线 (DC+、DC-) , 为了克服分布式发电的随机性及不可控性, 可通过双向DC/DC变换器将储能装置接入直流母线 (DC+、DC-) , 通过其储能与释能保证直流母线电压的稳定。系统通过DC/DC变换器为直流负载供电, 通过DC/AC变换器为交流负载供电, 如图1 所示。另外, 交流电网通过整流设备与直流母线相连, 作为直流配电系统的后备能源, 系统配有数据通信、监控与保护系统。

主动式短路保护的设计思路

现有的直流系统短路保护一般采用熔断器或断路器。在短路情况下熔断器在熔断时刻会出现尖峰高电压, 影响同一直流母线上的其他负载。另外, 直流不存在电压的过零点, 在断开负载时往往有电弧产生, 直流电弧燃弧时间长, 电弧能量大, 断路器触头易烧损, 直流灭弧要比交流灭弧困难得多, 从而导致直流断路器分断能力不可靠, 不能实时、灵活、连续和快速地动作, 或者越级动作, 易使事故扩大, 破坏系统稳定性。

为了克服熔断器和直流断路器的缺点, 结合变换器中全控型电力电子器件IGBT可快速关断的特点, 设计一种用于直流配电系统的主动式短路保护 (Active Short-circuit Protection, ASP) , 将保护集成在DC/DC或DC/AC变换器中, 如图2 所示, 它串联于直流母线和负载之间, 不管是母线侧还是负载侧发生短路故障, ASP都能快速主动动作, 停止直流输出, 使得母线侧与负载侧断开, 达到短路保护的作用。

主动式短路保护的设计

系统设计

本文主要介绍保护直流负载的主动式短路保护, 即集成在DC/DC变换器中的ASP。变换器采用全桥拓扑结构, 并采用高频变压器将输入输出端进行隔离, 从而避免母线侧故障与负载侧故障的相互影响, 系统结构如图3 所示。

含ASP的全桥DC/DC变换器中, 其工作原理为:直流母线电压为输入电压, 功率管V1、V2、V3、V4 为IGBT模块, 通过单片机控制电路给出4 个IGBT的驱动控制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4, 生成高频脉动直流, 使高频变压器T的一次绕组Np、二次绕组Ns感应的电压通过快恢复二极管VD1、VD2、VD3、VD4 组成的整流电路、电感L1、滤波电容C2, 来输出电压Uo为直流负载供电。一旦直流母线侧或负载侧出现故障, 则闭锁IGBT的驱动控制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4, 停止直流输出, 达到短路保护的作用。

硬件设计

基于单片机控制的主动式短路保护, 其单片机控制电路如图4 所示。选用ds PIC30F2023 单片机, Ii为输入电流, Uo为输出电压采样, Io为输出电流, TA0、TA表示电流互感器, Y表示晶振, R1、R2、R3、R4 为电压采样电阻。单片机的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4 信号用来控制全桥变换器的四个IGBT;单片机的AD采样端口AN0、AN1、AN2 分别采集全桥DC/DC变换器的输入电流、输出电压以及输出电流;单片机的U1TX和U1RX端口即为RS-485 通信接口, 单片机通过其SPI通信接口 (SDI、SCK、SDO) 与人机交互界面实现通信。

软件设计

主动式短路保护的工作流程如图5 所示, 在各模块及各参数初始化之后, 先开启PWM信号并延迟一段时间, 实现软启动。启动完成后, 单片机控制电路通过自身的AD单元采集输入电流、输出电压和输出电流, 然后开始执行程序, 进行相关的逻辑和数据运算, 由单片机输出全桥DC/DC变换器的IGBT的驱动信号。如果输入电流、输出电压、输出电流均正常时, 说明系统处于正常运行状态, 单片机控制电路输出开关管的驱动信号, 系统继续正常运行。如果输入电流、输出电压、输出电流只要有一项不正常时, 说明系统处于故障状态, 单片机控制电路禁止输出开关管的驱动信号, 即停止直流输出, 达到短路保护的效果。

实验波形

在主动式短路保护设计完成之时, 对ASP的性能做了实验验证, 实验接线图如图6 所示, 断路器Q1、Q2、Q3、Q4 均处于断开状态。

根据图6, 依次闭合断路器Q2、Q3、Q1, ASP带额定负载启动, 系统正常工作, 波形如图7 所示。图7 中CH1 表示变压器的一次侧电流波形, CH3 表示变压器的一次侧电压波形, CH4表示输出电压波形, 通过波形可知, 系统处于正常工作状态。

闭合断路器Q4 进行输出短路试验, 闭合Q4 之后发现, 输出电压由额定值迅速下降到零、一次侧电流也快速降为零, 如图8 所示;ASP进行了主动保护, 关闭模块中的IGBT, 禁止输出, 断开Q1、Q4。

然后再次闭合Q1, 系统仍然能正常工作, 没有受到短路的影响;由于高频变压器的存在, 把输入与输出进行隔离, 输出短路没有影响输入, 而且由于利用电力电子器件, 短路时, 输出电流会快速上升, 造成变压器一次侧电流也快速上升, 当一次侧电流的采样值大于设定值之后, IGBT的驱动将会被关闭, 系统输出将会被禁止;在进行短路试验时, 发现模块的保护时间较短, 如图9 所示, 光标2 与光标1 之差, 表示系统保护时间, 约为310μs。

结束语

实验结果表明, ASP在输出短路时迅速关闭IGBT的驱动信号, 禁止模块输出, 对负载和配电网均起到了主动保护的作用, 保护时间达到纳秒级, 而断路器或熔断器的保护时间最快只能达到数百毫秒。同时ASP中高频变压器可防止负载侧和配网侧之间的故障传播, 起到了有效隔离效果。

参考文献

[1]温家良, 吴锐, 彭畅, 等.直流电网在中国的应用前景分析[J].中国电机工程学报, 2012, 32 (13) :7-12.

[2]江道灼, 郑欢.直流配电网研究现状与展望[J].电力系统自动化, 2012, 36 (8) :98-104.

[3]栾会, 王丹, 毛承雄, 等.直流配电系统的运行与控制[J].水电能源科学, 2012, 30 (9) :161-164.

[4]宋强, 赵彪, 刘文华, 等.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报, 2013, 33 (25) :9-19.