新型直流配电方式的探索

钟庆 张尧 林凌雪 武志刚 管霖 王钢 李海锋(华南理工大学电力学院,广州,510640)

摘要:分布式发电的出现使能源供应出现了新格局。更多的新型能源深入负荷中心,使电力系统出现了更多的新问题。针对目前交流配电网存在的问题,探索新型的配电方式,具有挑战性和创新性。利用目前各种先进技术,设计直流配电网,解决交流配电网短路容量增大和负荷稳定等问题,提高电能质量,使配电网更加灵活。直流与交流的关系由最初的竞争关系发展成互补关系。通过冗余配置,能有效提高直流配电网的可靠性。但由于直流配电网尚处于初步研究阶段,仍有一些关键技术问题尚需解决。

关键词:分布式发电;直流配电;电能质量;电压稳定

爱迪生的直流电与威斯汀豪斯和特斯拉的交流电之间的技术之争,是一场典型的公司斗争,一部现代工业的史诗。(摘自吉尔.琼斯《光电帝国》)

1 引言

从爱迪生(Thomas A. Edison)发明电灯后,于1878年在波斯顿(Boston)建立第一个低压直流配电系统时,人们开始感受到电力带来巨大好处,社会发生了重大的变革,此时采用的是直流的方式。当特斯拉(Nikola Tesla)发明感应电动机之后,威斯汀豪斯(Westinghouse)于1893年在芝加哥(Chicago)建立了第一个交流配电系统,电力系统开始采用交流方式,从此“直流还是交流”的争论便开始了。当威斯汀豪斯(Westinghouse)在尼亚加拉瀑布和水牛城(Buffalo)建立第一个大容量长距离的交流输配电系统之后,爱迪生和威斯汀豪斯的“直流还是交流”的争论以交流的获胜告终,从此电力系统进入了一个新的纪元[1]。交流系统具有电压可变,电流过零开断,交流电机作为主要负荷等优势,因而在今后的上百年中,占据着输电和配电的主导方式。但是随着交流系统的规模不断扩大,交流系统的问题不断显现,如交流系统的稳定、短路容量、能量管理和电能质量等问题。这些问题需要电力工程的科学技术人员不断探索和研究,并加以解决。

电力电子技术的出现使人们在交流和直流之间的变换变得更为灵活。从1954年的哥特兰岛(Gotland)直流输电工程开始[2],高压直流输电(HVDC)已经在全球范围内推广,直流输电模式又重新回到了人们的视野之中。高压直流输电一般可用于长距离大功率的传输中,也可用于背靠背形式的异步联网中,直流系统灵活可控的优点逐渐体现。随着大功率电力电子技术的不断发展,直流输电的电压等级和传输功率都进一步提高。2009年我国南方电网的世界上首回特高压直流输电(±800kV)云广输电工程将投入运行,这是直流输电的新里程碑[3]

可关断电力电子器件,如GTO、IGBT和IGCT等出现后,克服了可控硅器件半可控的缺点,提高了电力电子器件的控制性能[4]。在此基础上,轻型直流输电系统(HVDCLight)或电压源型直流输电系统(VSC-HVDC)也获得了广泛的应用。到目前为止,已经有12回轻型直流输电系统投入运行[5]。轻型直流输电具有向无源系统供电、有功无功功率可分别控制、不需要大量的无功补偿、没有换相失败问题等优点,可以提高系统的电压水平和稳定裕度[6]。但是可关断电力电子器件承受的电流尚无法达到传统可控硅的水平,因此轻型直流输电的容量要比传统的直流输电容量小。

由于能源危机,目前新型可再生能源发展迅速,风力发电、太阳能发电、燃料电池、小型水力发电和生物能发电等各种各样的发电方式纷纷接入电网[7]。由这些新型发电形式构成的微电网是目前研究的热点,将会给电网的发展带来更多的问题[8]。首先,可再生能源发电容量比传统大型电厂小,而且接入点多,可控性也比传统的发电方式差,受到各种自然因素的限制,需要更为灵活接入方式和能量管理手段,以保障电网的安全可靠运行[9]。除此之外,分布式发电的引入会使传统的规划、运行问题出现新的形式,其次,配电网自动化和需求侧管理需要重新加以考虑;分布式电源间控制和调度必须协调[10]

电力系统的非线性负荷、冲击性负荷数量越来越多,给电网造成的电能质量污染也越来越严重,如谐波污染、电压波动闪变等[11]。但是高新技术产业对电能质量的要求却越来越高,而且对电能质量问题的敏感程度也很高。各种电能质量问题都会给电网和电力用户带来影响。以电压暂降问题为例,单次电压暂降可能给芯片制造厂商造成上百万美金的损失。因此提高电网的电能质量是优质供电的必然趋势[12]

目前计算机技术,信息技术、控制技术的发展,使电网的智能化程度不断提高,利用先进的通信技术、自动控制和信息技术对配电网进行改造,可使电力网络更为经济、可靠、安全环保[13]。智能电网大力促进了电网的技术完善,将使整个电网呈现不同的格局,在各研究和应用方面都出现新技术的应用[14]。本文针对目前传统的交流配电系统存在的问题,探索了一种新型的直流配电方式,构建一个以直流配电方式为主的智能配网。通过直流配电方式,解决目前交流配电网存在的主要问题,提高供电的电能质量。但是由于这种配电方式尚处于探索阶段,本文也给出了这种配电方式将面临的主要关键技术问题。探索新型的配电方式不再是交流和直流之间的争斗,而是将直流方式作为交流方式一种有益的补充,大力提高电网的运行水平,是目前电网格局发展的必然需要,具有挑战性和创新性。

2 提出新型直流配网的动机

随着电力系统规模技术的不断发展,交流配电网也面临着越来越多的问题,如负荷电压失稳、短路容量增大、电能质量的污染和分布式发电接入的影响等。负荷的电压稳定是负荷维持功率平衡而调节阻抗的特性与网络传输特性相互作用的结果[15];电网容量的扩大,导致短路电流,不断增加,像上海、广州、深圳等负荷中心区域的电网,短路电流已经超过50kA[16],虽然利用电力电子器件可以限制过大的短路电流[17][18],但目前仍无法普及;优质供电是电力系统的基本要求,因此电能质量污染和治理也已是电力企业和用户关心的重要问题。

科学发展战略的实施,使得新型可再生能源得以快速发展,尤其以风力发电和太阳能发电为主[19]。在配电网中,由各种小容量新能源发电形式构成的微网是今后的发展趋势。但是风力、太阳能等发电形式,受到自然界不确定因素的影响,无法控制其出力,一般采用换流器作为接口接入系统,以提高其控制能力[20]。同时分布式能源的接入也会给系统提供更大的短路电流[21]

采用直流配电形式,系统中只传送有功功率。无功功率则是负荷和换流器之间的交换可以避免负荷的电压失稳问题。直流配电方式具有不增加系统的短路容量的优点,对于负荷集中地区,尤其是短路容量过大地区电网的扩展具有明显优势。直流配电方式可以有效提高用户的电能质量,建立一个优质的配电网[22][23]。给分布式发电提供直流接入方式,可以减少换流设备,提高分布式发电的可控性。一系列优势都为研究直流配电方式提供了充分理由。

负荷成分的变化也是研究直流配电方式的主要原因。特斯拉发明异步电动机是交流战胜直流的一个主要原因。但是由于技术的发展,越来越多的异步电动机加装了变频调速设备,如果提供直流供电,将可以节省整流环节。目前电动汽车、电子设备、直流照明等直流负荷的增多,也为直流配电方式提供了一个发展的契机。

3 研究现状

目前电力电子技术、微电子技术、控制技术、信息技术等领域的发展,使电网的调控越来越灵活和快速。针对目前交流配电形式存在的问题和最新分布式能源发展的趋势,探索新型的配电方式,为电网提供更为灵活方便的控制形式是重大的挑战和创新。

直流配电方式虽然早在100多年前就已经采用,并非是新鲜事物,而且直流电源在通信机房[24]、变电站和电厂作为主要备用电源已经有很长时间的应用。但是对于目前交流配电方式为主导的配电系统中,却是一个全新的概念。现在提出的直流配电方式与以往的直流配电已经不同。

文献[25]首先提出了在家居中使用直流配电的理念。文献[26]直流环配电方式,以提高配电系统的电能质量,已经初步形成了直流配电方式的框架。瑞典的Chalmers University of Technology建立了一个实际的直流网络用于对直流配电进行研究。直流配电系统通过公用一个交流母线,由多个换流器提供多种直流电压给不同的直流负荷使用,对该直流配电系统经济性评估和保护展开了初步的研究,同时还提出共用直流母线的构想[27]。针对直流配电方式内部详细结构,日本研究人员Youichi等给出了直流配电中换流器的具体形式,并结合分布式发电,研究了相互之间不通信的自治控制方式,同时搭建了10kW的物理模型加以验证[28]。随着分布式发电技术的发展,国外关于直流配电方式的研究得到了进一步发展。结合分布式发电接入和提高电能质量方面,M. Brenna等和Kakigano等分别提出了他们设计的直流配电网络,并对换流器的控制策略展开了仿真研究[29][30]。Cuzner等人则针对直流配电网的保护问题进行了初步的研究[31]。在2007年的IEEE PES年会中,Hammerstrom对直流还是交流配电方式展开了讨论,分别给出了交流和直流配电方式的优缺点,并针对文献[27]的实例进行了经济性分析[32]。分析结果表明,交流系统在传统意义上较直流系统效率更高,但是如果考虑直流型的分布式能源,则直流配电更具有优势,但是该文仅仅考虑了设备投资和运行费用的,并未体现提高电能质量和不增加短路容量所带来的潜在效益。

从已有的研究成果看,目前针对直流配电方式的研究容量一般是10kW~100kW,直流电压等级一般也是在100V~380V,采用的电压等级较低,可满足某一建筑或者某一小区的用电需求。直流配电网的结构则是研究人员根据自己的需要和实际的情况提出,并没有一致的结构。综上所述,采用直流配电方式具有一定吸引力,但是目前尚处于一个初步研究或者概念形成的阶段。

4 新型直流配电方式的构成

4.1 直流配电结构

本文结合国内目前配电系统的现状,提出的新型直流配电系统的结构如图1所示。提供一个直流母线连接所有设备及交流系统。对于直流形式的电源,如太阳能电池和燃料电池等,和直流负荷可直接接在直流母线上。而对于交流系统、交流发电设备、交流负荷则通过换流器作为接口,与直流母线相连。交流发电设备如风力发电,燃气轮机发电等,可以通过可控整流直接并入到直流母线中,不需要再进行AC-DC-AC的变换过程。而对于交流电机,则可将逆变器的直流端与直流母线直接相连,即可实现变频调速。其他交流设备则可通过逆变之后,经由变压器,变换成不同电压等级,供交流设备使用。直流配电系统接入目前的交流系统,可以实现直流系统和交流系统之间能量的双向传递,在直流系统电能不足时,可以由交流系统供电,而直流系统中电源发电充分时,则可将能量传递给交流系统。

该配电系统采用了多处冗余设计。直流母线可接入两个或多个交流系统,当某一个交流系统故障退出运行后,仍可与其他交流系统相连。直流配电系统中可设置大容量的储能设备,如超导储能,超级电容器等,可以在紧急情况下维持直流电压,提供紧急的功率支撑。直流母线设计受高压直流输电系统的启发,采用正负两极供电,当直流系统某一极出现故障时,可由另一极继续供电,能有效提高直流配电系统的可靠性。

图1 直流配电系统结构图

Fig.1 the scheme ofDC mirco-grid

4.2 换流器形式

换流器作为交直流之间的主要接口,实现方式对于直流配电网至关重要。图2给出三种换流器拓扑结构。(a)为三相桥式换流器,(b)为三相桥式换流器加Buck电压变换器结构,(c)为三相三电平变换器。(a)结构形式为最简单的三相变换器形式,可实现可控整流和逆变,对有功和无功单独控制。(b)结构形式在(a)的基础上增加了Buck变换器,可以实现直流电压的变换,可灵活控制直流电压。(c)结构则可以产生两个等级的直流电压。在实际应用中可以根据实际的需要选择合适的换流器结构。

(a)

(b)

(c)

图2换流器的三种形式

Fig. 2 threeschemes of converters

5 新型配电网面临的关键问题

5.1 直流配电系统的参数配置

本文探索的直流配电方式将应用于负荷中心区域,以解决目前交流配电系统中存在的问题。首先需要确定直流配电系统容量。必须综合考虑负荷需求、接入系统的分布式能源容量,电力电子器件的容量、直流开关的遮断能力等限制条件,合理的选择直流系统的电压等级和容量。

直流配电系统中各设备的参数配置,则根据确定的容量、电压等级进行选取。但是直流配电网的一个重要作用是提高系统的电能质量,实现对交流电网的缓冲。因而需要针对各种电能质量问题,如电压暂降、供电中断等问题,合理配置直流系统中的储能元件,实现一定的电能存储和对系统的缓冲作用。可选择超级电容[33]或者超导蓄能等一系列先进储能手段。

5.2 直流配电系统的控制装置开发

直流配电系统提供了更灵活的配电方式,因此也需要更灵活的控制方式。直流配电系统的控制中主要有AC/DC、DC/DC换流器和储能元件充放电控制。AC/DC换流器常见的控制都采用脉宽调制方式(PWM),对有功、无功进行独立控制,以满足负荷需求,实现有功平衡和无功就地平衡。换流器的控制还需要直流电压进行控制,以维持直流电压水平。因此需要在现有的换流器控制技术基础上,根据实际控制需要对传统的控制方式进行研究和改进。DC/DC换流器的控制则可以采用各种非线性控制手段,以控制不同直流电压等级之间的变换。这种电压变换的范围要比交流变压器的变换范围小。与其他配电系统不同,储能装置在直流配电系统中起重要作用,可以起到不间断供电的作用。因此还需要研究储能装置的充放电控制,以维持系统能量平衡。这些控制方式的研究可以单独进行。

5.3 直流配电系统的保护装置开发

直流配电系统的保护装置可以在目前成熟的交流系统保护基础上加以发展。已有应用于直流系统的真空断路器开发成功[34]。但是由于直流配电系统的结构和原理与传统的交流系统不同,而且由于直流配电系统中的储能或者发电元件的存在,使直流系统故障情况更为复杂[35],因而在对保护原理和装置应考虑这些具体的情况。

直流配电系统中的保护装置必须能够切断直流电流,低压时可以采用真空开关或者熔断器,而电压高时可以采用电力电子开关。直流配电系统的保护原理则需要考虑交流系统故障、直流系统故障换流器故障和设备故障等情况,需要降低交流系统和直流系统之间的相互影响,同时要应对直流配电系统不同的运行方式,快速隔离故障,提高直流配电系统的供电可靠性。直流配电系统的保护仍要满足可靠、快速、经济和方便的原则。直流系统的故障特征量可通过仿真和实验的方式获得。

5.4 直流配电系统协调和能量管理系统开发

由于配电系统中连接有分布式发电和各种负荷,需要对各种发电和用电系统中进行协调[34]。直流配电系统需要控制各个换流器的有功、无功和维持直流电压,在各个换流器、发电设备、储能设备和用电设备进行协调。直流配电系统中接入的分布式发电和负荷都具有一定的随机性,通过电子技术、现代通信技术和控制技术,可对直流配电系统中的各个环节进行监控。开发能量管理系统,在后台对整个直流配电系统进行有效管理、协调和控制。能量管理系统能提高系统运行效率,增强经济性。

5.5 直流配电系统的经济性评价

目前配电系统绝大多数都是采用交流方式,而且已经投入了大量的资金进行了配网改造。本文提出的直流配电方式并非是取代目前的交流配网方式,而是作为交流配电方式的合理补充。直流配电方式的经济性评估必须综合考虑换流器数量变化引起的设备投资、系统运行费用和电能质量提高和抑制短路容量等带来的潜在效益。作者认为目前直流配电的应用前景包括分布式发电系统大量接入配网系统、可靠性和供电质量要求较高的用户供电和短路容量较大的负荷中心地区等。

6 结论

在电力系统出现时已经开始了直流和交流之间的斗争,而目前电力技术正处于变革时代,交流和直流之间并非是竞争的关系,而是互补的关系。由于交流配电系统存在的问题以及目前分布式发电技术的发展,给新型直流配电方式提供了发展的契机。直流配电具有更灵活的控制方式,能抑制交流短路容量,提高电能质量,有效解决电网的负荷稳定问题。通过冗余结构设计,直流配电系统具有高的可靠性。但是由于直流配电系统属于新鲜事物,尚有大量的关键技术需要研究。一百多年后,直流和交流之间再也不是斗争关系,而将是一个优势互补的关系,同样将把现代电力工业带入一个新的历程。

致谢

本文获得了清华大学电机工程系韩英铎院士、童陆园教授和张春鹏博士的支持。

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