DQZHAN技術(shù)訊：直流配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
未來配電網(wǎng)的形態(tài)將是多個電壓等級構(gòu)成多層次環(huán)網(wǎng)狀、交直流混聯(lián)、具備統(tǒng)一規(guī)范的互聯(lián)接口、基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論靈活自組網(wǎng)的架構(gòu)模式。直流配電網(wǎng)是未來能源互聯(lián)網(wǎng)的基本支撐環(huán)節(jié)，以柔性直流技術(shù)為代表的中壓配用電網(wǎng)也會是未來的發(fā)展趨勢。本期的主題為《直流配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)》。
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目前，直流配電網(wǎng)各項(xiàng)技術(shù)尚不成熟，需要進(jìn)行更深入的研究。
(一)直流配電網(wǎng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)
1、直流配電網(wǎng)接地方式：無論是單極還是雙極系統(tǒng)，都要對直流配電網(wǎng)VSC換流器直流側(cè)的接地問題進(jìn)行研究。若直流側(cè)不接地，接地電位將因VSC的開關(guān)頻率而發(fā)生振蕩，影響直流傳輸線上的電壓。因此，對于單極系統(tǒng)而言，直流側(cè)多采用線路接地方式，而雙極系統(tǒng)則采用分裂電容接地的方式。此外，交流側(cè)的聯(lián)接變壓器多數(shù)采用Yo/A或YdY接線方式，以避免構(gòu)成零序回路對低壓直流配電網(wǎng)影響。
2、直流配電網(wǎng)電壓等級的選擇：直流配電網(wǎng)電壓等級是直流配電網(wǎng)研究的重要內(nèi)容：①直流配電網(wǎng)的供電距離(供電半徑)；②電氣絕緣和保護(hù)；③系統(tǒng)成本和設(shè)計(jì)。若考慮將交流配網(wǎng)改造為直流配網(wǎng)，直流電纜允許直流電壓為交流額定線電壓峰值，因此可據(jù)此對直流配電網(wǎng)的電壓等級進(jìn)行初步選擇，即將現(xiàn)有中壓交流配電網(wǎng)線電壓的峰值選擇為直流配網(wǎng)的額定電壓。
在直流配網(wǎng)低壓側(cè)，過大的直流電壓不利于負(fù)荷接入，且會引起較為嚴(yán)重的**問題，因此需將電壓中點(diǎn)接地成為雙極系統(tǒng)，并利用線電壓對大功率負(fù)載供電，小功率負(fù)載則利用單極對地電壓供電，即每個極所接入的負(fù)荷并不完全平衡。
在目前歐洲230V交流配電網(wǎng)平臺上，采用截面積分別為1.5mm2和2.5mm2的交流導(dǎo)線，對326V、230V、120V、48V四種直流電壓進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)直流電壓降低時，壓降、電流和損耗快速增高，當(dāng)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(dāng)前，直流配網(wǎng)電壓等級的選擇方法尚未有定論，還需進(jìn)一步的探索研究。
3、直流配電網(wǎng)儲能設(shè)備的優(yōu)化布點(diǎn)及其容量配置：在直流配網(wǎng)中配置蓄電池、超級電容等儲能設(shè)備，可以達(dá)到提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定性，抑制直流電壓閃變以及提高故障穿越能力的目的。當(dāng)前，超級電容響應(yīng)速度快，便于測量、**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(yīng)速度慢。然而，目前尚未有文獻(xiàn)研究儲能裝置的優(yōu)化布點(diǎn)及容量配置，相關(guān)內(nèi)容還需要深入探索和驗(yàn)證。
(二)直流配電網(wǎng)的調(diào)度與控制
1、直流配網(wǎng)的調(diào)度方案-調(diào)度是直流配電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵，應(yīng)綜合考慮實(shí)際負(fù)荷曲線以及儲能設(shè)備和分布式電源的類型與容量，進(jìn)而具體分析直流配網(wǎng)的調(diào)度方案。
直流配網(wǎng)調(diào)度方案，低壓配網(wǎng)中各類電源與負(fù)載的等效電路及相關(guān)控制。直流配電網(wǎng)正常運(yùn)行時，分布式電源始終輸出*大功率，網(wǎng)絡(luò)中壓側(cè)經(jīng)直流變壓器提供或吸收電能，為儲能設(shè)備充電。當(dāng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)時，根據(jù)實(shí)際情況控制分布式電源的輸出功率，系統(tǒng)不足或剩余的電能由儲能設(shè)備提供或吸收。
2、直流配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制：中壓直流配電網(wǎng)與柔性多端直流輸電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略相類似，即采取電壓下垂控制或主從控制方式，進(jìn)而對多個換流器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。
利用負(fù)載側(cè)換流器帶有的儲能單元，對換流器的等效阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免換流器負(fù)阻特性引起的穩(wěn)定性問題。給出了低壓直流配電網(wǎng)各類電源與相關(guān)設(shè)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(fā)電機(jī)及分布式電源等。與直流輸電網(wǎng)不同的是，在直流配網(wǎng)采用雙極結(jié)構(gòu)，且接有不平衡負(fù)荷時，為了避免引起直流電壓過大的偏差，必須在系統(tǒng)中接入電壓平衡裝置。
（三）直流配電網(wǎng)**運(yùn)行與保護(hù)
直流配電網(wǎng)劃分為四個部分：直流負(fù)載側(cè)、直流線路側(cè)、交流負(fù)載側(cè)及交流電網(wǎng)側(cè)。無法判斷故障發(fā)生的位置，僅能對故障發(fā)生的層級進(jìn)行判斷，準(zhǔn)確的故障定位仍然是研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，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(yīng)限流裝置，在故障發(fā)生時用于限制短路電流上升率，將短路電流在保護(hù)裝置動作前限制在可允許范圍內(nèi)
直流網(wǎng)絡(luò)的故障限流裝置，利用電力電子開關(guān)的高速開通與關(guān)斷能力限制短路電流，同時保持非故障區(qū)域的正常供電。直流配電網(wǎng)保護(hù)方案作為直流配電網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵問題，其相關(guān)研究尚不成熟，需要進(jìn)一步深入探討。
（四）直流配電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備研制
直流斷路器作為直流配網(wǎng)運(yùn)行保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備之一，對限制故障范圍起到了重大作用。由于直流系統(tǒng)沒有過零點(diǎn)，這給高壓大容量直流斷路器的研制與應(yīng)用帶來了巨大的困難。目前在工程中應(yīng)用的機(jī)械式斷路器由于自身結(jié)構(gòu)的制約，無法實(shí)時、靈活、快速的動作。而近年來出現(xiàn)的固態(tài)斷路器具有開斷時間短、無弧光等優(yōu)點(diǎn)，已受到廣泛關(guān)注。近年來，在低壓領(lǐng)域，400V及以下的低壓直流斷路器已有工程應(yīng)用。而在中高壓領(lǐng)域，雖然直流斷路器的研發(fā)已經(jīng)取得了較大突破，但實(shí)現(xiàn)其廣泛的工程應(yīng)用仍然存在困難。
若在低壓直流配電網(wǎng)中直接應(yīng)用現(xiàn)有的交流開關(guān)、插頭等裝置，電磁爐、暖風(fēng)機(jī)等大功率負(fù)載的直流電流無法**快速地開斷。因此直流配網(wǎng)專用的插頭和開關(guān)的研發(fā)，已成為另一個關(guān)鍵問題。
此外，直流配網(wǎng)的研究還必須對直流電纜、換流器以及直流變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和研發(fā)。
