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技術資料

直流配電網系列(四) 直流配電網的關鍵技術
發布時間:2022-09-18 12:01:51 瀏覽次數:1513次

    未來配電網的形態將是多個電壓等級構成多層次環網狀、交直流混聯、具備統一規范的互聯接口、基于復雜網絡理論靈活自組網的架構模式。直流配電網是未來能源互聯網的基本支撐環節,以柔性直流技術為代表的中壓配用電網也會是未來的發展趨勢。


    直流配電網的關鍵技術


    目前,直流配電網各項技術尚不成熟,需要進行更深入的研究。


    (一)直流配電網的規劃與設計


    1、直流配電網接地方式:無論是單極還是雙極系統,都要對直流配電網VSC換流器直流側的接地問題進行研究。若直流側不接地,接地電位將因VSC的開關頻率而發生振蕩,影響直流傳輸線上的電壓。因此,對于單極系統而言,直流側多采用線路接地方式,而雙極系統則采用分裂電容接地的方式。此外,交流側的聯接變壓器多數采用Yo/A或YdY接線方式,以避免構成零序回路對低壓直流配電網影響。


    2、直流配電網電壓等級的選擇:直流配電網電壓等級是直流配電網研究的重要內容:①直流配電網的供電距離(供電半徑);②電氣絕緣和保護;③系統成本和設計。若考慮將交流配網改造為直流配網,直流電纜允許直流電壓為交流額定線電壓峰值,因此可據此對直流配電網的電壓等級進行初步選擇,即將現有中壓交流配電網線電壓的峰值選擇為直流配網的額定電壓。


    在直流配網低壓側,過大的直流電壓不利于負荷接入,且會引起較為嚴重的安全問題,因此需將電壓中點接地成為雙極系統,并利用線電壓對大功率負載供電,小功率負載則利用單極對地電壓供電,即每個極所接入的負荷并不完全平衡。


    在目前歐洲230V交流配電網平臺上,采用截面積分別為1.5mm2和2.5mm2的交流導線,對326V、230V、120V、48V四種直流電壓進行了研究。研究結果表明,當直流電壓降低時,壓降、電流和損耗快速增高,當直流電壓下降至48V時,直流電流和直流壓降均超出允許值。


    當前,直流配網電壓等級的選擇方法尚未有定論,還需進一步的探索研究。


    3、直流配電網儲能設備的優化布點及其容量配置:在直流配網中配置蓄電池、超級電容等儲能設備,可以達到提升網絡運行穩定性,抑制直流電壓閃變以及提高故障穿越能力的目的。當前,超級電容響應速度快,便于測量、安全無毒,但其儲存電能的容量相對較小,供電時間短;相對而言,蓄電池能量密度高、供電時間長,但是響應速度慢。然而,目前尚未有文獻研究儲能裝置的優化布點及容量配置,相關內容還需要深入探索和驗證。


    (二)直流配電網的調度與控制


    1、直流配網的調度方案-調度是直流配電網運行的關鍵,應綜合考慮實際負荷曲線以及儲能設備和分布式電源的類型與容量,進而具體分析直流配網的調度方案。


    直流配網調度方案,低壓配網中各類電源與負載的等效電路及相關控制。直流配電網正常運行時,分布式電源始終輸出最大功率,網絡中壓側經直流變壓器提供或吸收電能,為儲能設備充電。當進入孤島運行狀態時,根據實際情況控制分布式電源的輸出功率,系統不足或剩余的電能由儲能設備提供或吸收。


    2、直流配電網的協調控制:中壓直流配電網與柔性多端直流輸電系統的協調控制策略相類似,即采取電壓下垂控制或主從控制方式,進而對多個換流器進行協調控制。


    利用負載側換流器帶有的儲能單元,對換流器的等效阻抗進行調節,避免換流器負阻特性引起的穩定性問題。給出了低壓直流配電網各類電源與相關設備在正常工作與故障情況下的控制策略,如超級電容、蓄電池、各類換流器、柴油發電機及分布式電源等。與直流輸電網不同的是,在直流配網采用雙極結構,且接有不平衡負荷時,為了避免引起直流電壓過大的偏差,必須在系統中接入電壓平衡裝置。


    (三)直流配電網安全運行與保護


    直流配電網劃分為四個部分:直流負載側、直流線路側、交流負載側及交流電網側。無法判斷故障發生的位置,僅能對故障發生的層級進行判斷,準確的故障定位仍然是研究的重點與難點,尤其是線路較短時,故障定位難度更大。因此,直流線路需安裝相應限流裝置,在故障發生時用于限制短路電流上升率,將短路電流在保護裝置動作前限制在可允許范圍內


    直流網絡的故障限流裝置,利用電力電子開關的高速開通與關斷能力限制短路電流,同時保持非故障區域的正常供電。直流配電網保護方案作為直流配電網運行的關鍵問題,其相關研究尚不成熟,需要進一步深入探討。


    (四)直流配電網關鍵設備研制


    直流斷路器作為直流配網運行保護的關鍵設備之一,對限制故障范圍起到了重大作用。由于直流系統沒有過零點,這給高壓大容量直流斷路器的研制與應用帶來了巨大的困難。目前在工程中應用的機械式斷路器由于自身結構的制約,無法實時、靈活、快速的動作。而近年來出現的固態斷路器具有開斷時間短、無弧光等優點,已受到廣泛關注。近年來,在低壓領域,400V及以下的低壓直流斷路器已有工程應用。而在中高壓領域,雖然直流斷路器的研發已經取得了較大突破,但實現其廣泛的工程應用仍然存在困難。


    若在低壓直流配電網中直接應用現有的交流開關、插頭等裝置,電磁爐、暖風機等大功率負載的直流電流無法安全快速地開斷。因此直流配網專用的插頭和開關的研發,已成為另一個關鍵問題。


    此外,直流配網的研究還必須對直流電纜、換流器以及直流變壓器進行優化設計和研發。

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