低壓直流供電技術(shù)研究綜述及工程案例

1、低壓直流供電技術(shù)研究綜述及工程案例.引言由于直流輸電技術(shù)水平的限制，直流輸配電比交流方式更難實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)今的電力系 統(tǒng)仍以交流輸配電為主。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流輸配電面臨的 技術(shù)問(wèn)題得到了逐步解決，直流系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)也已呈現(xiàn)。 相比于交流系統(tǒng)，直 流系統(tǒng)可以顯著提高輸配電運(yùn)行水平， 使輸配電更簡(jiǎn)單、高效，并且降低了輸配 電成本。在電力用戶側(cè)，光伏發(fā)電、儲(chǔ)能電池和現(xiàn)代電力電子負(fù)載等直流終端大量接入，使得直流供電系統(tǒng)比交流系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。 大部分可再生能源發(fā)電系統(tǒng)為直流電源， 如光伏電池和燃料電池。雖然風(fēng)力發(fā)電機(jī)是交流電機(jī)，但其需要經(jīng)過(guò)交-直-交變 換才能通過(guò)交流并網(wǎng)，而通過(guò)直流并網(wǎng)可以避

2、免雙變換， 使風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)更加方 便和高效。電視、LED燈、電話、電腦等現(xiàn)代電力電子負(fù)載內(nèi)部都是直流負(fù)載， 未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的普及將會(huì)增加直流供電需求，促進(jìn)直流供電發(fā)展?？梢?jiàn)，直流供電技術(shù)的發(fā)展，主要受直流技術(shù)優(yōu)勢(shì)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)， 以及分布式能源 和直流負(fù)荷發(fā)展的外在促進(jìn)。本文首先介紹直流供電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，然后分析直 流供電的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備研制情況，最后整理了直流供電的工程研究與應(yīng)用情況。.直流供電技術(shù)現(xiàn)狀低壓直流技術(shù)發(fā)展情況19世紀(jì)80年代，安迪生電力照明公司利用“巨漢號(hào)”直流發(fā)電機(jī)給上千只白熾 燈供電，形成了直流供電技術(shù)的雛形。到20世紀(jì)末，低壓直流配電已成功應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信中心、航空、艦船和城市軌

3、 道交通等對(duì)供電質(zhì)量要求較高的領(lǐng)域。2010 年，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)提出 SBN(sustainable building andnanogrids)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有DC 380V和DC 48V2個(gè)電壓等級(jí)。美國(guó)北卡羅來(lái) 納大學(xué)提出了用于接納和管理新能源的FREEDM(the future renewable electric energy delivery and management)的交直流混合配電網(wǎng)， 英國(guó)、 瑞士和意大利等國(guó)學(xué)者提出了類(lèi)似功能的UNIFLEX-PM(universal and flexiblepower management) 系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)承擔(dān)的“863項(xiàng)目”

4、基于柔性直流的智能配電關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用 ”中，在直流配電網(wǎng)的基本框架、電源接口、換流器配置和經(jīng)濟(jì)性等方面開(kāi)展了 研究。國(guó)家電網(wǎng)公司也開(kāi)展了直流供電技術(shù)研究，江蘇省電科院已成立了交直流混聯(lián)、風(fēng)光儲(chǔ)一體化的新能源及智能配網(wǎng)協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展分布式新能源并 網(wǎng)及交直流混聯(lián)電網(wǎng)等方向的研究。直流電壓等級(jí)及供電標(biāo)準(zhǔn)1所示。直流供電的電壓等級(jí)及序列關(guān)系到電網(wǎng)安全性、 經(jīng)濟(jì)性、負(fù)荷適應(yīng)性等關(guān)鍵問(wèn)題， 對(duì)電網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展有重要影響。通信、交通、船舶和航空等特殊行業(yè)直流負(fù)荷較 小，對(duì)供電可靠性要求高，且有電能存儲(chǔ)的需求，因此較早地采用了直流供電系 統(tǒng)，其中通信、船舶業(yè)采用的電壓等級(jí)較多。各行業(yè)直流電壓等級(jí)如圖

5、同k氤麗)I IEC60038)I51H)144m（750 W中低壓直流耐電電壓.6包1至72力400 V;電信自流源) ETSJE300 152-J-i；34）V: Emerge Atiar）c?i （數(shù)據(jù)/電治標(biāo)?。?20 V：以汆電H：和” 【保護(hù)限值；1EC6U4,（乃V:歐洲低壓直流、【低限2014/?*! U:13001200-1(X)0900soo 700 二- 5UV:行軌電車(chē),【供電系統(tǒng) ）600 十r500-pV400-1J H300200400 V3Ko V:甩動(dòng)汽車(chē)/! I戮據(jù)中必：5。田料2.3地、W02Jbu, /的二O| 電信.V：以太網(wǎng)供口：睡透（設(shè)備）同00V

6、二牽加系面;I 光伏素統(tǒng) J5V：iS處理既:4 : I nitrtzc Milancc I Ji用空詞標(biāo)準(zhǔn))J圖1各行業(yè)直流電壓等級(jí)表1中低壓直流供電系統(tǒng)電壓等級(jí)序列IEC 標(biāo)準(zhǔn)電力 行業(yè)通信行業(yè)城市軌道 交通艦船 供電航空供電櫻宇供電48H04K600750270招0110220244)750J500125271)15003CW22030()300060(X1250320】2 000440336用(JOQ60()35()24 0007503K(I30 (O)1500400_.啦工國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方面，多個(gè)國(guó)際組織開(kāi)展了直流電網(wǎng) 相關(guān)研究工作，中國(guó)在低壓直流 標(biāo)準(zhǔn)制定方面起著 重要作用。國(guó)際電工委員

7、會(huì)(International Electro-technicalCommission,IEC)成立了研究小組TC-57 ,研究未來(lái)直流電網(wǎng)的管理和信息交換 問(wèn)題。2017年1月IEC設(shè)立了低壓直流供電委員會(huì)(SyCLVDC),研究低壓直流 的應(yīng)用場(chǎng)景、可行性和安全性等內(nèi)容，同年 10月低壓直流配網(wǎng)工作組(IEC TC8WG9)成立，由江蘇電科院主導(dǎo)召集，開(kāi)展低壓直流配網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。.直流供電關(guān)鍵技術(shù)直流配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)直流配電網(wǎng)控制按系統(tǒng)級(jí)別可分為單元級(jí)、微網(wǎng)級(jí)和配網(wǎng)級(jí)?？偟脕?lái)說(shuō)，目前電力電子變換器的單元級(jí)和直流微電網(wǎng)層面研究較多，配網(wǎng)層面的研究較少，需要在前兩者基礎(chǔ)上研究相關(guān)的直流配網(wǎng)

8、控制理論和技術(shù)，以支撐直流配電網(wǎng)發(fā)展。(1)單元級(jí)控制在直流配電網(wǎng)中，單元級(jí)控制主要是電力電子變換器的控制。 根據(jù)微電網(wǎng)和配電 網(wǎng)運(yùn)行要求，各變換器對(duì)電壓、電流和功率進(jìn)行控制，以保證各單元及系統(tǒng)正常 工作。(2)微網(wǎng)級(jí)控制直流配電網(wǎng)中微網(wǎng)級(jí)控制，主要可以分為母線電壓控制和電能質(zhì)量管理兩類(lèi)。(3)配網(wǎng)級(jí)控制配網(wǎng)級(jí)控制研究包括分布式電源發(fā)電預(yù)測(cè)與負(fù)荷預(yù)測(cè)技 術(shù)，基于直流的多端、 多電壓等級(jí)配電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)，直流配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度方法以及直流配電網(wǎng) 雙向潮流最優(yōu)控制技術(shù)等。直流配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù) 由于接入了多元化的分布式電源、 負(fù)荷、儲(chǔ)能，直流配電系統(tǒng)存在多種不同的運(yùn) 行狀態(tài)。同時(shí)，直流配電網(wǎng)在電氣特

9、性及測(cè)量方式等根本性技術(shù)上跟交流配電網(wǎng) 完全不同，沒(méi)有低成本、可商業(yè)應(yīng)用的大容量直流斷路器， 相關(guān)直流保護(hù)技術(shù)和 裝備既缺乏標(biāo)準(zhǔn)，也缺少運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。因此，直流配電系統(tǒng)保護(hù)配置面臨諸多挑戰(zhàn)。(1)直流配電系統(tǒng)故障類(lèi)型直流配電網(wǎng)中存在大量電力電子裝置， 且靠近用戶終端，故障復(fù)雜多樣，直流配 電網(wǎng)除了存在短路、接地故障和絕緣下降不正常運(yùn)行情況外，還存在交直流混接、 直流環(huán)網(wǎng)等故障。表2中低壓直流配電系統(tǒng)故障類(lèi)型故障類(lèi)型故障特點(diǎn)3例的信故障電流上升迅速，影響范圍大不存在過(guò)零點(diǎn),直流斷路器技術(shù)不成熟單個(gè)饋線支路接地故障會(huì)傳播到母線及其他饋線 接地故障支路.沒(méi)有故障電流;在極接地的情況F,另一極再接地會(huì)引起

10、短路，有故障電流絕緣下降不及時(shí)處理會(huì)發(fā)展為接地故障囪搐H同形成環(huán)流、異常放電或者對(duì)地電壓異常，旦流環(huán)網(wǎng)造成短路或接地故障交亢流混線弓I起直流系統(tǒng)電質(zhì)異常虱線藥蜘既涉泊苦(2)直流主動(dòng)保護(hù)原理和組成主動(dòng)保護(hù)基于電力電子變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制原理，將保護(hù)動(dòng)作“融于”變換器控制邏輯，基于多重保護(hù)策略，有效利用電力電子變換器的隔離單元和電力電 子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)直流配電系統(tǒng)中多種故障的自然隔離和嚴(yán)重故障回路的開(kāi)斷，防止輕微故障發(fā)展為嚴(yán)重故障，最大限度保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。表3主動(dòng)保護(hù)的類(lèi)型保護(hù)類(lèi)型突現(xiàn)方式保護(hù)效果短路故障保護(hù)器件邏輯控制數(shù)仃微秒內(nèi)關(guān)斷厘路電流接地故障保護(hù)變換器的隔離單元主動(dòng)隔離接地故障，將故障限

11、制在故障支路，系統(tǒng)可正常運(yùn)行絕緣卜降保護(hù)絕緣監(jiān)測(cè)環(huán)網(wǎng)保護(hù)變換器的和壓功能快速報(bào)警允許1段正71段正J段負(fù)一U段負(fù)j段正負(fù)-ha正負(fù)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行交直流混接保護(hù)變換器隔離單兒主動(dòng)隔離交流電源，將交流電源限制在故障支路.系統(tǒng)可1二學(xué)謝I故/曲(3)直流配電網(wǎng)的保護(hù)設(shè)備目前，直流斷路器的開(kāi)斷方法主要有增大電弧電壓法、分段用接入限流電阻法、磁場(chǎng)控制氣體放電管斷流法、迭加振蕩電流法、電流轉(zhuǎn)移法等。基于這些方法， 國(guó)內(nèi)外對(duì)各容量等級(jí)的直流斷路器進(jìn)行了研究和測(cè)試。目前400V以下的低壓直流斷路器已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用，而中高壓直流斷路器的研發(fā)雖取得了一些突破，但距 工業(yè)化應(yīng)用還有距離。另外，常用的交流型多功能接線板和插頭

12、應(yīng)用于低壓直流 配電網(wǎng)時(shí)，接合與斷開(kāi)的瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的電弧，帶來(lái)安全隱患。因此，直流開(kāi) 關(guān)、直流插頭和插座的研發(fā)，是推動(dòng)直流配電網(wǎng)普及應(yīng)用的基礎(chǔ)性工作。直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量控制直流配電網(wǎng)沒(méi)有交流系統(tǒng)中的電壓相位和頻率問(wèn)題，其電能質(zhì)量主要指有功功率與電壓平衡，典型電能質(zhì)量問(wèn)題有直流電壓暫降與暫升、電壓偏差、電壓波動(dòng)、直流調(diào)制諧波等。(1)直流電壓暫降與暫升。直流配電網(wǎng)中微電源輸出功率的突變、 負(fù)荷的瞬間接入 或脫落、微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換、交流側(cè)系統(tǒng)電壓中斷等瞬態(tài)變化均可能引起直流饋 線電壓的暫降或暫升。(2)直流電壓偏差與波動(dòng)。有功不平衡是引起直流配電網(wǎng)電壓偏差的根本原因，微 電源出力、運(yùn)行方式、網(wǎng)絡(luò)

13、結(jié)構(gòu)以及負(fù)荷等發(fā)生變化都會(huì)產(chǎn)生不同程度的有功功率不平衡，引起配電網(wǎng)電壓波動(dòng)。直流調(diào)制諧波。直流配電網(wǎng)內(nèi)多源多變換設(shè)備是多種類(lèi)型的諧波源，會(huì)以不同的方式向電網(wǎng)注入諧波。直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量控制的方法主要有： 利用附加設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性治理，利用微 電源參與功率平衡調(diào)節(jié)和利用電力電子接口控制算法改善配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境。.直流供電關(guān)鍵設(shè)備AC/DC變流器AC/DC變流器是直流配電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)備，其控制效能直接影響直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和直流功率的協(xié)調(diào)分配，變流器主要分為電流源型和電壓源型兩種。電流源型變流器在高壓遠(yuǎn)距離直流輸電中具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在直流輸電工程中大量應(yīng)用。但在直流配電網(wǎng)中，由于網(wǎng)絡(luò)端數(shù)繁多，潮流反

14、轉(zhuǎn)頻繁，給電流源型 換流器的應(yīng)用造成極大的不便。隨著電力電子器件及控制技術(shù)的進(jìn)步，電壓源型變流器迅速發(fā)展，三相兩電平、多電平是目前工程中采用較多的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電力電子變壓器電力電子變壓器是一種具有變壓器功能的電力電子變換器，集電氣隔離、電壓變換、能量傳遞等功能于一身，可實(shí)現(xiàn)交直流互聯(lián)和接入功能。目前電力電子變壓 器已是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，在電路拓?fù)?、控制以及樣機(jī)研制上均取得了一定成果， 各機(jī)構(gòu)電力電子變壓器指標(biāo)如表 4所示。表4電力電子變壓器指標(biāo)對(duì)比研究單位指標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景L2 MTA.效率約95%電力機(jī)車(chē)單M5kV交流/L5 k直流無(wú)低壓交流端口CE小妙EPRI艦船無(wú)低壓宜渝端口快速充電無(wú)低壓直

15、流端口直流配電網(wǎng)I MV，A,效率約97%單相13.8 k交流7268 W交流50 MA,效率94一4%-97.5% 單相73 kV交流/240 V交流中科院 1 1，A.效率小于93%也工所 三相10 kV交流7750 立流低壓直流斷路器直流斷路器是關(guān)系直流配電網(wǎng)保護(hù)和安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)靈活運(yùn)行、防止故障范圍擴(kuò)大有重大意義。直流斷路器按照開(kāi)斷原理可分為機(jī)械式、 全固態(tài)式 和混合式3種。機(jī)械式直流斷路器具有可靠性高、成本低、通態(tài)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，但開(kāi)斷速度慢、可控性不強(qiáng)；全固態(tài)式直流斷路器的優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)作速度快、可控性強(qiáng)，但現(xiàn)階段成本較 高，通態(tài)損耗較大；混合式直流斷路器結(jié)合機(jī)械開(kāi)關(guān)良好的靜

16、態(tài)特性與電力電子器件良好的動(dòng)態(tài)性能，理論上具有開(kāi)斷時(shí)間短、通態(tài)損耗小、無(wú)需專(zhuān)用冷卻設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、成本最高。.直流供電工程研究與應(yīng)用隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流供用電通常與電力電子變流器共同出現(xiàn)， 由于其 高可控性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)今涉及到直流供用電的工程通常與柔性直流、 能 源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)。國(guó)外典型工程研究2011年美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)提出了 FREEDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)包含有400V直流母線和120V交流母線即插即用接口，提出了智能能量管理(Intelligentenergy management ,IEM) 裝置，又稱(chēng)為能量路由器，用于連接 12KV中壓交 流配電母線和D

17、C 400V及AC 120V低壓配電母線日本大阪大學(xué)2006年提出了一種雙極直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)通過(guò)6.6KV配 電網(wǎng)獲取230V交流電，經(jīng)雙向整流變換為土 170V直流電壓。230V交流母線上 接入1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)，直流母線上通過(guò)DC/DC變換器接入超級(jí)電容器、光伏電池 等分布式電源。芬蘭曰enia Oy公司設(shè)計(jì)的交直流配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。該典型結(jié)構(gòu)從中壓 交流20 KV線路上引出分支線，先通過(guò)20/0.63 KV配電變壓器降壓到低壓交流0.63 KV ,并經(jīng)過(guò)整流換流器升壓到低壓直流 900 V ,再通過(guò)低壓直流900V配電線路輸送給用戶，在用戶側(cè)經(jīng)過(guò)逆變換流器轉(zhuǎn)換成低壓交流500600

18、V，再通過(guò)500600/400V 低壓隔離變壓器輸出交流400V為終端用戶供電圖2芬蘭交直流配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)德國(guó)亞琛大學(xué)已經(jīng)建成10KV直流配電網(wǎng)實(shí)際工程，開(kāi)展了中壓直流環(huán)網(wǎng)配電系統(tǒng)、10KV中壓直流配電在校園的試驗(yàn)性研究等 6個(gè)直流配電研究專(zhuān)題。國(guó)內(nèi)典型工程國(guó)家電網(wǎng)公司在直流供電技術(shù)研究的基礎(chǔ)上， 開(kāi)展了蘇州工業(yè)園區(qū)主動(dòng)配電網(wǎng)應(yīng)用示范區(qū)的建設(shè)，其中基于柔性直流互聯(lián)的交直流混合主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用示范工程由20KV柔性直流互聯(lián)系統(tǒng)和分布式光伏、分布式風(fēng)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)、 蓄電池、電動(dòng)汽車(chē)充換電負(fù)荷、用戶側(cè)分布式儲(chǔ)能、直流微電網(wǎng)等可控單元組成, 總體架構(gòu)見(jiàn)圖3A IK d土土牛牛M 1L 員由龍優(yōu)網(wǎng)打燃?xì)怆姵?笈也發(fā)電輪帆楠能20 KV柔性?xún)?nèi)沆”.嵌嵬”I段川式 K理維MWAC/EX2國(guó) 負(fù)荷H Ji光伏電池發(fā)電段電信能由 空立海猾irDC DC克電越.北小用/， 空躡菰二融入至春癡珠志圖3蘇州交直流混合主動(dòng)配電網(wǎng)總體架構(gòu).結(jié)語(yǔ)直流配電網(wǎng)是推動(dòng)智能電網(wǎng)建設(shè)， 解決能源、環(huán)境危機(jī)的關(guān)鍵，利用直流配電網(wǎng) 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可支持高滲透率分布式可再生能源消納， 提高配電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn) 定性和經(jīng)濟(jì)性，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的新型能源體系。本文介紹了直流供電 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，直流電壓等級(jí)及供電標(biāo)準(zhǔn)情況，重點(diǎn)分析了直流配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制、 保護(hù)和電能質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)，以及