直流配电网会大规模应用于电网吗?

? ?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。近年,直流配用电网络的科研研究及项目试点在国内与我们渐行渐近,为此,智见能源推出《直流配电网会大规模应用于电网吗?》的系列专辑,本期的主题为《直流配电网的需求趋势及优势》。

直流配电网的需求趋势及优势

? ?以区域直流、交流环形母线为基本结构单元的环状结构上,可以方便地接入各种电源、负荷和储能装置,构成一个层级的基本结构单元,同时也是能量管理单元的设备支撑。

一、直流配电网的需求

(一)配电网面临的新形势

? ?1、直流驱动的负载比重越来越大——50%以上电器为直流或类直流负荷,且品类繁多,与我们的生活息息相关;

? ?2、分布式新能源发电高密度接入及充分利用——未来以光伏、分散式风电及其它可再生能源占比将达到50%以上;

? ?3、电动汽车大规模推广——十三五迅速增长;

? ?4、电力储能系统的逐步推广应用;

? ?5、重要敏感负荷的高可靠、高质量供电。

(二)配电网遇到的新问题

? ?1、电网结构复杂、短路容量增大;

? ?2、交直流能量变换损耗高;

? ?3、可控性灵活性差;

? ?4、双向互动、新能源支持能力差;

? ?5、电能质量问题突出。

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二、直流配电网的优势

? ?伴随城市规模快速增长以及信息技术迅速发展,电网内敏感负荷、非线性负荷,以及其他重要负荷越来越多,交流配电网内线损大、供电走廊紧张等问题日益严重。电压波动、电网谐波加剧、电压瞬时跌落以及三相不平衡现象加剧等问题亦日趋恶化。现有配电网结构和方式亟需改变。直流配电网具有减小线路损耗、改善用户侧电能质量、提高供电容量、隔离故障区域以及可再生能源及储能装置便捷、灵活接入等优点。

1、直流配电网的供电容量大(供电半径)

? ?相同的线路走廊,直流配电网可输送更多容量。设现有线路的额定线电压为VAC,额定线电流为IAC,功率因数cosφ=0.9,那么,该线路的额定功率PAC=√3 VAClAcCOSφ;若直流配电网采用双极结构,且设其额定直流电压为VDC、额定电流为IDC,则线路所传输的额定功率为PDC=2VDClDC。

因此,在相同的绝缘水平、相同的导线截面及电流密度情况下,则由上式可知,对于双极结构的直流配电网而言,其传输功率与原交流线路大致相等,即在线路走廊宽度和建造费用相同情况下,直流线路所能传输的功率约为交流线路的1.05倍。可见,直流配电能够有效提高供电容量(半径)。

2、直流配电网的电能质量

? ?对半导体芯片生产行业而言,电压波动、频率变化、闪络冲击、三次及以上谐波幅值增量,都可能对产品生产造成较大影响,这些企业对电能质量的要求高于国家对交流配电网电能质量的标准;另一些企业,如建材、汽车、电缆制造行业,均存在大量的冲击负荷,当冲击性负载(冶炼炉、电焊机等)接入交流配电网时,会对交流配网造成冲击,引起电压骤降等电能质量问题。对于接入快速响应的储能设备的直流配电网,仿真表明,冲击性负载造成的电压闪变仅为I-2%。另外,相对交流配电网而言,分布式储能设备接入直流配网的技术难度相对较低,一旦储能设备的研制取得突破,便可在直流配网中广泛配置,从而有效解决用户侧直流电压闪变等问题。

? ?此外,柔性直流配网中的换流器可以灵活地吸收或发出无功功率,起到静止无功补偿器(STATCOM)的补偿作用,从而对交流系统侧与交流负荷侧的无功功率进行动态补偿,起到稳定交流母线和用户侧电压的作用。

3、直流配电网的线路损耗

? ?考虑到交流电缆金属护套所引起的有功损耗及交流系统的无功损耗,在直流配电网直流电压为交流系统线电压两倍的情况下,直流配网的线损仅为交流配网的15%~50%。即使交流配网的线损降低可通过添加无功补偿设备等措施来实现,但这将增大系统的建造成本,及其复杂性。

4、直流配电网能量传输效率

? ?在进行电压变换时,交流配电网的电能损耗很小,传统的交流变压器效率可达98%。直流配电网所采用的电压源型(Voltage SourceConverter,VSC)换流器与直流变压器,主要由电力电子器件构成,因此其开关损耗和通态损耗一般较大,其能量传输效率约为85~95%,低于交流变压器。但另一方面,直流配网的线路损耗远低于交流配网。因此,交、直流配网的整体传输效率仍需要进一步的论证与研究。就目前而言,交流配网和直流配网的整体效率相差不大,但可以预见的是,随着电力电子技术的进一步发展,各类换流器的开关损耗和通态损耗将不断降低,直流配网的传输效率具有较大的上升空间。

5、直流配电网的可靠性

? ?若直流配电网采用双极系统,当其中一极发生故障时,另一极可继续为负荷输送功率。相比于交流配电网,直流配电网中接入蓄电池、超级电容等储能设备的技术难度相对较低。因此,直流配电网的故障穿越能力与供电可靠性较高。

通信中心和信息中心多为敏感负载,如存储设备、服务器等,它们对供电可靠性的要求极高。基于美国数据中心的典型结构,考虑直流配电在这一特殊负载地点的应用,分别对交、直流配电网下的可靠性指标进行了计算,计算结果表明,相对交流而言,直流配电系统具有更高的故障穿越能力和可靠性。

6、节能降耗及直流配电到户的可行性

? ?实际上,目前大量的家用电器都采用直流电,在交流配电网内,需配置相应的整流电路模块。但是,如果采用直流配电网的方式直接为家庭用户提供直流电,便可省去这些换流器,减少由交流转为直流的转换次数,既可以降低换流损失,实现节能降耗,同时也降低了设备制造成本。

? ?通过对多种常用家电设备的稳态和暂态模型,针对不同型号、不同用途、不同厂家的电器在采用直流电情况下的稳态和暂态过程进行了实验研究。结果表明多数家用电器能够在直流配网下运行。日常家用电器可直接用于低压直流配电系统,且供电电压与电流的纹波大幅降低,电能质量有了较大改善。实际上,由于采用交流供电方式,多数家电需添加AC/DC换流器,采用直流供电时则可以省去,从而达到节钱降耗的目的,可见直流配电到户完全可行。

7、清洁能源及储能设备的便捷接入

? ?风能、太阳能等新能源发电形式的大规模分布式并网已成为一种趋势。光伏电池等发出的直流电具有随机性和间歇性,需要配置相应换流器及储能装置,并需要通过复杂的控制策略才能实现交流并网。风电产生出的是一种随机波动的交流电能,需要安置AC/DC/AC换流器和一些适当的储能装置,并通过复杂控制才能并入交流电网。

各类储能装置,如蓄电池、超级电容器等,都以直流电形式存储电能,必须通过双向DC/AC换流器和复杂控制,才能使用于交流电网。但是,如果采用直流配电网供电方式,无论是新能源分布式并网,还是储能装置的接口控制技术,都要简单得多。

? ?下图为基于VSC换流器的直流配电网结构,VSC换流器将各类交流电源发出的交流电变换为直流电,经直流输电线路将电能输送至负荷端,再反变换为交流电供负载使用。


三、直流配电网存在的问题

? ?目前,柔性直流配电技术仍处于起步阶段,在实际的应用仍有问题待进一步的研发解决,如:根据城市发展规划和资源特点如何利用好柔性直流配网的技术优势,如何保证整个系统的稳定运行,柔性直流配网的运行方式进一步细化等。可以预见,柔性直流配电技术的发展必将为技术革新和效益提升带来新的思路和理念,为中压配网技术的发展提供强有力的技术支撑。




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