论文部分内容阅读
摘要：经济的发展，城市化进程的加快，人们对电能的要求也逐渐增加。随着城市用电负荷密度不断增大，城市电网面临着多重难题：一方面要扩大城市配电网容量以适应城市经济发展的需求，另一方面要接纳太阳能、风能等可再生清洁能源以减轻环境污染的压力。在该背景下，直流配电系统（DCS）是基于电压源换流器提供直流电力且具有先进能源管理系统的智能化配电系统，因其输送容量更大、供电质量更优、易于接纳分布式能源（DER）、可控性更高等优势而受到关注。本文就直流配电系统的组网技术及其应用展开探讨。
关键词：直流配电系统;;组网技术;智慧能源
引言
直流模式可以充分挖掘分布式发电、储能、配电以及供电系统的优势，为电力供应商和用户带来全新的价值和效益。直流配电在有效接纳分布式电源、高效稳定电压变换及控制、系统优化配置、供电可靠性等方面的技术问题已基本解决。
1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，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。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。
2直流主动保护原理和组成
对于直流配电系统上述的故障类型，目前还没有成熟的保护技术和装备，电力电子变换器自身的保护功能，近年来引起了学者的研究兴趣。该技术应用在电力电子设备中，可实现部分继电保护功能。多端直流配电系统保护方案，基于IEC61850快速通信系统，利用直流断路器配合继电器快速检测并隔离故障，使用电力换流器和模块自身设备限制、中断故障电流，一定程度上提高了系统性能。上述直流保护技术和装备在不同程度上实现了对直流系统的保护，但在故障发生后限制故障电流及通过保护设备将线路切断，属于被动应对，且保护动作时间及切换隔离时间较长。对于传统的抗冲击能力较强电力设备或系统和有明显故障电压电流特性的故障类型尚可以使用，但对于电流冲击承受能力弱的新型电力电子设备及系统和没有明显故障电压电流特性的故障类型，对应的直流保护显然需要进一步研究和优化。
3直流配电系统的保护分区与故障类型
直流配电系统的保护系统包含测量装置、继电器、出口断路器、隔离设备等。保护系统的设计应满足可靠性、速动性、选择性、经济性等要求。柔性直流输电保护系统针对各主要设备和故障类型，将系统划分为交流侧保护、换流器保护、直流侧保护（直流输电线路保护）3个区域。但与柔性直流输电系统不同的是，直流配电系统直流线路T接负载及分布式电源支路，故障类型要复杂得多。以中压直流配电系统为例，保护区域大体可以分为交流电源侧保护、变换器保护、直流网络保护、负载保护4部分，各区域可能发生的故障类型或不正常运行方式主要包括：（1）交流电源侧保护。交流电源侧可能发生各种类型的线路短路或者断线故障，同时也需要考虑交流变压器的保护。另外还包括由于操作或甩负荷引起的过电压、低电压、电压骤降及三相系统不平衡等不正常运行方式。直流配电系统保护设计需要考虑交流电源侧故障对直流网络运行及保护的影响。（2）变换器保护。直流配电系统中的变换器包括AC/DC换流器、DC/AC换流器及DC/DC变换器。变换器是直流配电系统的核心，也是保护设计关注的重要部分。变换器故障主要有阀短路、桥臂短路、变换器交流侧或直流侧出口短路、脉冲触发系统故障、冷却系统故障等。变换器的保护由装置自身保护和系统提供的后备保护实现，在直流配电系统保护设计中需要考虑变换器自身保护动作对系统保护的影响和与系统保护的配合。（3）直流网络保护。直流网络保护主要指直流母线和直流馈线的保护，是直流配电系统保护的核心。根据实际需要不同，直流系统接线可以采用单极接地或中性点接地，线路可以采用架空线或直流电缆。直流线路故障包括接地故障、极间故障及断线故障，另外还存在绝缘水平下降、低电压或过电压等不正常运行方式。电缆线路故障一般为永久性故障，对架空线路来说还会发生雷击、污闪等引起的暂时性故障。（4）负荷侧保护。直流配电系统同时存在直流负荷和通过逆变器接入的交流负荷，光伏、小型燃气轮机等分布式电源及储能也囊括在负载保护区域。负载保护区可能发生的故障有短路、过载等。储能电池通过双向换流设备接入直流网，在保护设计时需考虑其能量流动的双向性。
4直流配电系统案例
本文分析了一個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。分析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;③PV电源通过最简单的Buck变换器接入系统，变换器效率高;④48V直流母线采用负极接地方式，且与220kw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。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。
结语
DER接入DCS不仅可以减少换流环节，节约成本，更能充分发挥DER的价值和效益，因此依托柔性DCS，构建面向直流的能量路由器（又称为能源路由器）、能源互联网及UPIoT等智慧能源应用场景的关键技术体系，将成为未来城市配电网发展的重要支撑。
参考文献
[1]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，2015.
[2]张哲然.低压直流分布发电网络研究[D].北京：华北电力大学，2017.
关键词：直流配电系统;;组网技术;智慧能源
引言
直流模式可以充分挖掘分布式发电、储能、配电以及供电系统的优势，为电力供应商和用户带来全新的价值和效益。直流配电在有效接纳分布式电源、高效稳定电压变换及控制、系统优化配置、供电可靠性等方面的技术问题已基本解决。
1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，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。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。
2直流主动保护原理和组成
对于直流配电系统上述的故障类型，目前还没有成熟的保护技术和装备，电力电子变换器自身的保护功能，近年来引起了学者的研究兴趣。该技术应用在电力电子设备中，可实现部分继电保护功能。多端直流配电系统保护方案，基于IEC61850快速通信系统，利用直流断路器配合继电器快速检测并隔离故障，使用电力换流器和模块自身设备限制、中断故障电流，一定程度上提高了系统性能。上述直流保护技术和装备在不同程度上实现了对直流系统的保护，但在故障发生后限制故障电流及通过保护设备将线路切断，属于被动应对，且保护动作时间及切换隔离时间较长。对于传统的抗冲击能力较强电力设备或系统和有明显故障电压电流特性的故障类型尚可以使用，但对于电流冲击承受能力弱的新型电力电子设备及系统和没有明显故障电压电流特性的故障类型，对应的直流保护显然需要进一步研究和优化。
3直流配电系统的保护分区与故障类型
直流配电系统的保护系统包含测量装置、继电器、出口断路器、隔离设备等。保护系统的设计应满足可靠性、速动性、选择性、经济性等要求。柔性直流输电保护系统针对各主要设备和故障类型，将系统划分为交流侧保护、换流器保护、直流侧保护（直流输电线路保护）3个区域。但与柔性直流输电系统不同的是，直流配电系统直流线路T接负载及分布式电源支路，故障类型要复杂得多。以中压直流配电系统为例，保护区域大体可以分为交流电源侧保护、变换器保护、直流网络保护、负载保护4部分，各区域可能发生的故障类型或不正常运行方式主要包括：（1）交流电源侧保护。交流电源侧可能发生各种类型的线路短路或者断线故障，同时也需要考虑交流变压器的保护。另外还包括由于操作或甩负荷引起的过电压、低电压、电压骤降及三相系统不平衡等不正常运行方式。直流配电系统保护设计需要考虑交流电源侧故障对直流网络运行及保护的影响。（2）变换器保护。直流配电系统中的变换器包括AC/DC换流器、DC/AC换流器及DC/DC变换器。变换器是直流配电系统的核心，也是保护设计关注的重要部分。变换器故障主要有阀短路、桥臂短路、变换器交流侧或直流侧出口短路、脉冲触发系统故障、冷却系统故障等。变换器的保护由装置自身保护和系统提供的后备保护实现，在直流配电系统保护设计中需要考虑变换器自身保护动作对系统保护的影响和与系统保护的配合。（3）直流网络保护。直流网络保护主要指直流母线和直流馈线的保护，是直流配电系统保护的核心。根据实际需要不同，直流系统接线可以采用单极接地或中性点接地，线路可以采用架空线或直流电缆。直流线路故障包括接地故障、极间故障及断线故障，另外还存在绝缘水平下降、低电压或过电压等不正常运行方式。电缆线路故障一般为永久性故障，对架空线路来说还会发生雷击、污闪等引起的暂时性故障。（4）负荷侧保护。直流配电系统同时存在直流负荷和通过逆变器接入的交流负荷，光伏、小型燃气轮机等分布式电源及储能也囊括在负载保护区域。负载保护区可能发生的故障有短路、过载等。储能电池通过双向换流设备接入直流网，在保护设计时需考虑其能量流动的双向性。
4直流配电系统案例
本文分析了一個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。分析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;③PV电源通过最简单的Buck变换器接入系统，变换器效率高;④48V直流母线采用负极接地方式，且与220kw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。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。
结语
DER接入DCS不仅可以减少换流环节，节约成本，更能充分发挥DER的价值和效益，因此依托柔性DCS，构建面向直流的能量路由器（又称为能源路由器）、能源互联网及UPIoT等智慧能源应用场景的关键技术体系，将成为未来城市配电网发展的重要支撑。
参考文献
[1]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，2015.
[2]张哲然.低压直流分布发电网络研究[D].北京：华北电力大学，2017.