未来配电网的形态将是多个电压等级构成多层次环网状、交直流混联、具备统一规范的互联接口、基于复杂网络理论灵活自组网的架构模式。直流配电网是未来能源互联网的基本支撑环节,以柔性直流技术为代表的中压配用电网也会是未来的发展趋势。

直流配电网的关键技术

目前,直流配电网各项技术尚不成熟,需要进行更深入的研究。

(一)直流配电网的规划与设计

1、直流配电网接地方式:无论是单极还是双极系统,都要对直流配电网VSC换流器直流侧的接地问题进行研究。若直流侧不接地,接地电位将因VSC的开关频率而发生振荡,影响直流传输线上的电压。因此,对于单极系统而言,直流侧多采用线路接地方式,而双极系统则采用分裂电容接地的方式。此外,交流侧的联接变压器多数采用Yo/A或YdY接线方式,以避免构成零序回路对低压直流配电网影响。

2、直流配电网电压等级的选择:直流配电网电压等级是直流配电网研究的重要内容: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。若考虑将交流配网改造为直流配网,直流电缆允许直流电压为交流额定线电压峰值,因此可据此对直流配电网的电压等级进行初步选择,即将现有中压交流配电网线电压的峰值选择为直流配网的额定电压。

在直流配网低压侧,过大的直流电压不利于负荷接入,且会引起较为严重的安全问题,因此需将电压中点接地成为双极系统,并利用线电压对大功率负载供电,小功率负载则利用单极对地电压供电,即每个极所接入的负荷并不完全平衡。

在目前欧洲230V交流配电网平台上,采用截面积分别为1.5mm2和2.5mm2的交流导线,对326V、230V、120V、48V四种直流电压进行了研究。研究结果表明,当直流电压降低时,压降、电流和损耗快速增高,当直流电压下降至48V时,直流电流和直流压降均超出允许值。

当前,直流配网电压等级的选择方法尚未有定论,还需进一步的探索研究。

3、直流配电网储能设备的优化布点及其容量配置:在直流配网中配置蓄电池、超级电容等储能设备,可以达到提升网络运行稳定性,抑制直流电压闪变以及提高故障穿越能力的目的。当前,超级电容响应速度快,便于测量、安全无毒,但其储存电能的容量相对较小,供电时间短;相对而言,蓄电池能量密度高、供电时间长,但是响应速度慢。然而,目前尚未有文献研究储能装置的优化布点及容量配置,相关内容还需要深入探索和验证。

(二)直流配电网的调度与控制

1、直流配网的调度方案-调度是直流配电网运行的关键,应综合考虑实际负荷曲线以及储能设备和分布式电源的类型与容量,进而具体分析直流配网的调度方案。

直流配网调度方案,低压配网中各类电源与负载的等效电路及相关控制。直流配电网正常运行时,分布式电源始终输出最大功率,网络中压侧经直流变压器提供或吸收电能,为储能设备充电。当进入孤岛运行状态时,根据实际情况控制分布式电源的输出功率,系统不足或剩余的电能由储能设备提供或吸收。

2、直流配电网的协调控制:中压直流配电网与柔性多端直流输电系统的协调控制策略相类似,即采取电压下垂控制或主从控制方式,进而对多个换流器进行协调控制。

利用负载侧换流器带有的储能单元,对换流器的等效阻抗进行调节,避免换流器负阻特性引起的稳定性问题。给出了低压直流配电网各类电源与相关设备在正常工作与故障情况下的控制策略,如超级电容、蓄电池、各类换流器、柴油发电机及分布式电源等。与直流输电网不同的是,在直流配网采用双极结构,且接有不平衡负荷时,为了避免引起直流电压过大的偏差,必须在系统中接入电压平衡装置。

(三)直流配电网安全运行与保护

直流配电网划分为四个部分:直流负载侧、直流线路侧、交流负载侧及交流电网侧。无法判断故障发生的位置,仅能对故障发生的层级进行判断,准确的故障定位仍然是研究的重点与难点,尤其是线路较短时,故障定位难度更大。因此,直流线路需安装相应限流装置,在故障发生时用于限制短路电流上升率,将短路电流在保护装置动作前限制在可允许范围内

直流网络的故障限流装置,利用电力电子开关的高速开通与关断能力限制短路电流,同时保持非故障区域的正常供电。直流配电网保护方案作为直流配电网运行的关键问题,其相关研究尚不成熟,需要进一步深入探讨。

(四)直流配电网关键设备研制

直流断路器作为直流配网运行保护的关键设备之一,对限制故障范围起到了重大作用。由于直流系统没有过零点,这给高压大容量直流断路器的研制与应用带来了巨大的困难。目前在工程中应用的机械式断路器由于自身结构的制约,无法实时、灵活、快速的动作。而近年来出现的固态断路器具有开断时间短、无弧光等优点,已受到广泛关注。近年来,在低压领域,400V及以下的低压直流断路器已有工程应用。而在中高压领域,虽然直流断路器的研发已经取得了较大突破,但实现其广泛的工程应用仍然存在困难。

若在低压直流配电网中直接应用现有的交流开关、插头等装置,电磁炉、暖风机等大功率负载的直流电流无法安全快速地开断。因此直流配网专用的插头和开关的研发,已成为另一个关键问题。

此外,直流配网的研究还必须对直流电缆、换流器以及直流变压器进行优化设计和研发。


2019-04-08 10:44

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