直流配電網(wǎng)功率平衡及保護(hù)設(shè)備的研究

直流配電網(wǎng)功率平衡及保護(hù)設(shè)備的研究

0直流配電網(wǎng)系統(tǒng)電源連接是指電源連接到用戶之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它由電源連接線路、電源壓力廠和附屬裝置組成，在電源網(wǎng)絡(luò)中分配能耗。傳統(tǒng)配電網(wǎng)采用交流配電方式,利用變壓器的電磁感應(yīng)原理改變電壓?，F(xiàn)代電網(wǎng)面臨大量分布式發(fā)電并網(wǎng)等挑戰(zhàn),采用傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)方式無論對(duì)于分布式發(fā)電,還是對(duì)于現(xiàn)代化的直流用電設(shè)備,都必須經(jīng)過多級(jí)變流環(huán)節(jié),這勢(shì)必增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度和設(shè)備損耗,同時(shí)提高了設(shè)備制造成本。而直流配電網(wǎng)采用直直變換技術(shù),利用晶閘管和自關(guān)斷器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制,將直流電壓斷續(xù)加到負(fù)載上,通過通、斷的時(shí)間變化來改變負(fù)載平均電壓［1］。直流配電網(wǎng)與分布式電源接入靈活、設(shè)備投資低、電能質(zhì)量高及供電可靠性好,已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。直流配電技術(shù)涉及電網(wǎng)規(guī)劃、工程經(jīng)濟(jì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等一系列技術(shù)問題,本文從直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)著手,以放射狀低壓直流配電網(wǎng)為例分析并歸納總結(jié)了直流配電網(wǎng)的拓?fù)涮攸c(diǎn);提出了采取配電網(wǎng)交直流同線饋送方式,有利于分布式電源的接入;分析了專家PID控制,為直直變換的控制方法提出了新思路;針對(duì)發(fā)生故障時(shí)配電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行問題進(jìn)行了研究;最后,以無中央控制單元的工業(yè)低壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)及適用于居民住宅帶熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的低壓雙極型直流微網(wǎng)為例,詳盡地說明了直流配電網(wǎng)技術(shù)的可行性與應(yīng)用前景。1直流配電網(wǎng)供電可靠性和電網(wǎng)互聯(lián)直流配電網(wǎng)系統(tǒng)的接線方式主要有放射狀、環(huán)狀與兩端配電。通常放射狀配電網(wǎng)供電可靠性相對(duì)較低,但一次投資少,繼電保護(hù)配合簡(jiǎn)單,故障識(shí)別及保護(hù)控制配合等相對(duì)容易;環(huán)狀與兩端配電網(wǎng)供電可靠性相對(duì)較高,但一次投資高,繼電保護(hù)整定復(fù)雜,故障識(shí)別和保護(hù)控制配合等也相對(duì)困難。因此,直流配電網(wǎng)應(yīng)根據(jù)供電可靠性、供電范圍及投資等實(shí)際工程的需要,采用不同的電壓等級(jí)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［2］。直流入戶的實(shí)現(xiàn)涉及多級(jí)直流配電網(wǎng),所選接線需保證供電可靠、電能質(zhì)量高、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行靈活、操作安全等指標(biāo)［3］。中壓直流配電網(wǎng)的部分電能需經(jīng)直流降壓裝置送到低壓直流配電網(wǎng)再供用戶使用,以放射狀低壓直流配電網(wǎng)為例,如圖1所示。2技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用2.1技術(shù)特點(diǎn)與傳統(tǒng)交流配網(wǎng)相比,直流配電網(wǎng)主要有以下特點(diǎn):1側(cè)頻率偏差的影響直流系統(tǒng)用戶側(cè)電能質(zhì)量主要考量電壓偏差和波動(dòng)。直流母線的存在隔離了用戶側(cè)頻率偏差對(duì)更高電壓等級(jí)配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)的影響,電能質(zhì)量也可相應(yīng)地進(jìn)行區(qū)域化管理。柔性直流配電網(wǎng)中的換流器可以靈活發(fā)出或吸收無功功率,從而動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線和用戶負(fù)載的無功功率,并穩(wěn)定交流母線和用戶側(cè)交流電壓［4］。2與煤氣、采用不同磁場(chǎng)的布置方案直流配電網(wǎng)只有正負(fù)兩極,能節(jié)省大量的線路建設(shè)費(fèi)用。兩條極性相反的架空線通常采取相鄰排布,對(duì)外界產(chǎn)生的磁場(chǎng)幾乎可以完全抵消,故可與煤氣、水管敷設(shè)在同一管道,節(jié)省空間資源。相同有效值的直流電壓的峰值約比交流電壓小40%,減少電纜絕緣介質(zhì)的投資。在直流配電網(wǎng)的情況下,分布式電源及儲(chǔ)能裝置的接口設(shè)備與控制技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單,且分布式電源通過直流方式集中并網(wǎng),較交流分布式并網(wǎng)接入方式對(duì)交流電網(wǎng)影響更小,設(shè)備投資更低。3交流系統(tǒng)的性能提高我國(guó)用電量的70%左右都由動(dòng)力負(fù)荷消耗,通過直流供電可省去變頻器中的整流器部分,傳統(tǒng)電機(jī)負(fù)荷采用變頻調(diào)速技術(shù)可以節(jié)能降耗并有效提升電機(jī)的工作性能和運(yùn)行效率。同時(shí),多數(shù)家電可以采用直流供電,運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電壓和電流紋波大幅降低,電能損耗可相對(duì)減少15%以上［5－7］。2.2應(yīng)用1直流配電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電所提供的電源系統(tǒng)更有利于分布式電源并網(wǎng)微網(wǎng)中的光伏電池、燃料電池等新能源發(fā)電為直流電,風(fēng)力發(fā)電所提供的交流電通常先通過整流器變換為直流電,故直流配電網(wǎng)更有利于分布式電源并網(wǎng)。同時(shí),低壓直流配電網(wǎng)將是未來微網(wǎng)發(fā)展的新方向。2直流用電主要用電形式為直流式電大中型城市的空中輸電走廊余地已經(jīng)很小,采用電纜輸電是滿足電力增容的合理方法。直流電纜比交流電纜占有空間小、輸送有功多。隨著技術(shù)的進(jìn)步,直流用電有望成為提高生活質(zhì)量、節(jié)能降耗的主要用電形式。因此,在直流電纜的基礎(chǔ)上配以直流配電網(wǎng),有望成為未來城市增容的最佳途徑。3直流用電方式工業(yè)用戶通常安裝有直流電動(dòng)機(jī)負(fù)荷,多數(shù)用電設(shè)備都可以使用或很容易改造成直流用電方式。直流配電網(wǎng)方式可以有效降低工業(yè)用戶的投資,避免電能質(zhì)量問題對(duì)生產(chǎn)造成的不良影響。4同步運(yùn)行運(yùn)行同步連接不同額定頻率或相同額定頻率的交流系統(tǒng)的非同步運(yùn)行。直流配電網(wǎng)不存在頻率偏差、三相電壓不平衡、諧波污染等問題,用于連接不同額定頻率或相同額定頻率的交流系統(tǒng)的非同步運(yùn)行非常有利。3直接插入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)3.1電網(wǎng)傳輸效率配電網(wǎng)交直流同線饋送方式是針對(duì)分布式電源的發(fā)展提出的一種新型配電網(wǎng)電源饋送方式。在滿足饋電線路電氣特性要求的前提下,讓直流電和交流電一同在配電網(wǎng)相關(guān)線路上傳輸。相對(duì)純交流饋送方式,交直流一同在配電網(wǎng)相關(guān)線路上傳輸可以使線路的功率損耗顯著降低、線路的電壓分布更均衡。在有直流負(fù)載或倍頻負(fù)載的地方,直接的或通過簡(jiǎn)單的變換供給相應(yīng)負(fù)載,總體投資水平明顯低于交流。直流部分的有功功率可以和交流配電網(wǎng)進(jìn)行盈虧調(diào)劑,從而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的功率平衡。交直流同線饋送方式為直流配電網(wǎng)提供了新思路［8］。文獻(xiàn)提出了基于分布式直流電源配電網(wǎng)的交直流同線饋送方案,借助于現(xiàn)有的交流配電網(wǎng)線路實(shí)現(xiàn)分布式直流電源電能的傳輸。該方式下疊加的電壓只與交流電壓和負(fù)荷有關(guān),與饋電線路參數(shù)無關(guān),其大小可根據(jù)設(shè)置有功功率損耗比例系數(shù)和絕緣要求配合給定。并從對(duì)環(huán)境的影響、穩(wěn)態(tài)性能和短路暫態(tài)電流三個(gè)方面論證了方案的可行性。3.2混合式變壓控制器中pid和基于dc-dc傳統(tǒng)的DC-DC變換器控制多用模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),一般采用經(jīng)典的PID控制或改進(jìn)型PID控制。為滿足不同偏差e和偏差的變化ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求,利用自適應(yīng)規(guī)則控制在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改,便構(gòu)成了參數(shù)自整定PID控制器,即專家PID控制器,控制框圖如圖2所示［10］。目前直流變壓設(shè)備價(jià)格相對(duì)昂貴,自身功耗較高,且運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜,這些都限制了直流配電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論研究的發(fā)展,現(xiàn)代控制技術(shù)中的一些理論和方法已應(yīng)用到DC-DC變換器的研究中來。一些文獻(xiàn)提出了狀態(tài)反饋控制,非線性控制,自適應(yīng)控制,滑模變結(jié)構(gòu)控制,函數(shù)控制以及智能控制(包括模糊控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法)等。這些研究工作尚處于理論分析和仿真研究的階段,如何結(jié)合直流配電網(wǎng)設(shè)計(jì)的實(shí)際要求應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的最新研究成果則顯得尤為關(guān)鍵。3.3直流配電網(wǎng)保護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)直流配電網(wǎng)系統(tǒng)故障類型較多,消除每種故障或異常狀態(tài)的方法有所區(qū)別,大多數(shù)直流保護(hù)動(dòng)作都配合控制系統(tǒng)來進(jìn)行故障隔離和消除。采用保護(hù)、控制集成方案可以降低保護(hù)系統(tǒng)的復(fù)雜性,降低系統(tǒng)成本,減少保護(hù)動(dòng)作時(shí)間,是未來直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向之一［11－13］。直流配電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電力電子設(shè)備特性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性之間的影響。保護(hù)需要在直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)增加額外設(shè)備,該額外設(shè)備可以整合到逆變器中。部分保護(hù)設(shè)備可與傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的保護(hù)設(shè)備整合,如直流連接采用用戶網(wǎng)絡(luò)中過流保護(hù)已有的斷路器。單控制器控制單逆變器的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。每個(gè)負(fù)載連接到有電流測(cè)量或簡(jiǎn)單過流保護(hù)的跳閘控制器,圖中的單個(gè)逆變器可以替換成多個(gè)逆變器,通過斷路器的負(fù)載供電不變。單個(gè)逆變器系統(tǒng)中,跳閘控制器可以實(shí)現(xiàn)逆變器的控制,但是在多個(gè)逆變器系統(tǒng)中,控制結(jié)構(gòu)決定于逆變器類型:獨(dú)立型或者主從型。常用的單控制器控制多個(gè)逆變器的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。多個(gè)逆變器可以為多個(gè)負(fù)載組供電,每個(gè)逆變器可以是獨(dú)立的單元,也可以由外部控制設(shè)備統(tǒng)一控制［14］。4直流電源案例分析4.1分布電壓控制該配電網(wǎng)系統(tǒng)采用直流環(huán)形母線結(jié)構(gòu),確保通過平行路徑向每個(gè)逆變器供電。整流器中的一個(gè)或者兩個(gè)通過專用線路連接至交流系統(tǒng),降低子系統(tǒng)之間的互相影響。該系統(tǒng)具有UPS特性,為高優(yōu)先級(jí)負(fù)載連續(xù)供電。這種控制的好處是增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性,盡量減小故障范圍。整流器的分布電壓控制允許整流站之間電流共享,降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。通過選擇電壓降落斜率,很容易控制直流母線電壓水平［15］。4.2直流母網(wǎng)基礎(chǔ)特性2007年,日本提出了適用于居民住宅帶熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的低壓雙極型直流微網(wǎng),對(duì)其基礎(chǔ)特性進(jìn)行了研究,通過直流母線在住宅間分配功率,并在實(shí)驗(yàn)室搭建了物理模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能提供高質(zhì)量的電能,當(dāng)主系統(tǒng)出現(xiàn)電壓下降時(shí),該系統(tǒng)能繼續(xù)提供高質(zhì)量的電能,即使在負(fù)荷側(cè)發(fā)生短路,也不會(huì)影響對(duì)其他負(fù)荷的供電［16］。5直流配電網(wǎng)的應(yīng)用前景展望直流電機(jī)、電力半導(dǎo)體、電能儲(chǔ)存、可再生能源發(fā)電等的快速發(fā)展,