直流配电网功率平衡及保护设备的研究

直流配电网功率平衡及保护设备的研究

0直流配电网系统电源连接是指电源连接到用户之间的网络结构，它由电源连接线路、电源压力厂和附属装置组成，在电源网络中分配能耗。传统配电网采用交流配电方式,利用变压器的电磁感应原理改变电压。现代电网面临大量分布式发电并网等挑战,采用传统的交流配电网方式无论对于分布式发电,还是对于现代化的直流用电设备,都必须经过多级变流环节,这势必增加系统的复杂程度和设备损耗,同时提高了设备制造成本。而直流配电网采用直直变换技术,利用晶闸管和自关断器件来实现通断控制,将直流电压断续加到负载上,通过通、断的时间变化来改变负载平均电压［1］。直流配电网与分布式电源接入灵活、设备投资低、电能质量高及供电可靠性好,已引起国内外学者的关注。直流配电技术涉及电网规划、工程经济、经济运行等一系列技术问题,本文从直流配电网的拓扑结构着手,以放射状低压直流配电网为例分析并归纳总结了直流配电网的拓扑特点;提出了采取配电网交直流同线馈送方式,有利于分布式电源的接入;分析了专家PID控制,为直直变换的控制方法提出了新思路;针对发生故障时配电网的稳定可靠运行问题进行了研究;最后,以无中央控制单元的工业低压直流配电网系统及适用于居民住宅带热电联产系统的低压双极型直流微网为例,详尽地说明了直流配电网技术的可行性与应用前景。1直流配电网供电可靠性和电网互联直流配电网系统的接线方式主要有放射状、环状与两端配电。通常放射状配电网供电可靠性相对较低,但一次投资少,继电保护配合简单,故障识别及保护控制配合等相对容易;环状与两端配电网供电可靠性相对较高,但一次投资高,继电保护整定复杂,故障识别和保护控制配合等也相对困难。因此,直流配电网应根据供电可靠性、供电范围及投资等实际工程的需要,采用不同的电压等级和拓扑结构［2］。直流入户的实现涉及多级直流配电网,所选接线需保证供电可靠、电能质量高、经济性、运行灵活、操作安全等指标［3］。中压直流配电网的部分电能需经直流降压装置送到低压直流配电网再供用户使用,以放射状低压直流配电网为例,如图1所示。2技术特点和应用2.1技术特点与传统交流配网相比,直流配电网主要有以下特点:1侧频率偏差的影响直流系统用户侧电能质量主要考量电压偏差和波动。直流母线的存在隔离了用户侧频率偏差对更高电压等级配电网和输电网的影响,电能质量也可相应地进行区域化管理。柔性直流配电网中的换流器可以灵活发出或吸收无功功率,从而动态补偿交流母线和用户负载的无功功率,并稳定交流母线和用户侧交流电压［4］。2与煤气、采用不同磁场的布置方案直流配电网只有正负两极,能节省大量的线路建设费用。两条极性相反的架空线通常采取相邻排布,对外界产生的磁场几乎可以完全抵消,故可与煤气、水管敷设在同一管道,节省空间资源。相同有效值的直流电压的峰值约比交流电压小40%,减少电缆绝缘介质的投资。在直流配电网的情况下,分布式电源及储能装置的接口设备与控制技术相对简单,且分布式电源通过直流方式集中并网,较交流分布式并网接入方式对交流电网影响更小,设备投资更低。3交流系统的性能提高我国用电量的70%左右都由动力负荷消耗,通过直流供电可省去变频器中的整流器部分,传统电机负荷采用变频调速技术可以节能降耗并有效提升电机的工作性能和运行效率。同时,多数家电可以采用直流供电,运行时产生的电压和电流纹波大幅降低,电能损耗可相对减少15%以上［5－7］。2.2应用1直流配电网、风力发电所提供的电源系统更有利于分布式电源并网微网中的光伏电池、燃料电池等新能源发电为直流电,风力发电所提供的交流电通常先通过整流器变换为直流电,故直流配电网更有利于分布式电源并网。同时,低压直流配电网将是未来微网发展的新方向。2直流用电主要用电形式为直流式电大中型城市的空中输电走廊余地已经很小,采用电缆输电是满足电力增容的合理方法。直流电缆比交流电缆占有空间小、输送有功多。随着技术的进步,直流用电有望成为提高生活质量、节能降耗的主要用电形式。因此,在直流电缆的基础上配以直流配电网,有望成为未来城市增容的最佳途径。3直流用电方式工业用户通常安装有直流电动机负荷,多数用电设备都可以使用或很容易改造成直流用电方式。直流配电网方式可以有效降低工业用户的投资,避免电能质量问题对生产造成的不良影响。4同步运行运行同步连接不同额定频率或相同额定频率的交流系统的非同步运行。直流配电网不存在频率偏差、三相电压不平衡、谐波污染等问题,用于连接不同额定频率或相同额定频率的交流系统的非同步运行非常有利。3直接插入网络的关键技术3.1电网传输效率配电网交直流同线馈送方式是针对分布式电源的发展提出的一种新型配电网电源馈送方式。在满足馈电线路电气特性要求的前提下,让直流电和交流电一同在配电网相关线路上传输。相对纯交流馈送方式,交直流一同在配电网相关线路上传输可以使线路的功率损耗显著降低、线路的电压分布更均衡。在有直流负载或倍频负载的地方,直接的或通过简单的变换供给相应负载,总体投资水平明显低于交流。直流部分的有功功率可以和交流配电网进行盈亏调剂,从而实现全网的功率平衡。交直流同线馈送方式为直流配电网提供了新思路［8］。文献提出了基于分布式直流电源配电网的交直流同线馈送方案,借助于现有的交流配电网线路实现分布式直流电源电能的传输。该方式下叠加的电压只与交流电压和负荷有关,与馈电线路参数无关,其大小可根据设置有功功率损耗比例系数和绝缘要求配合给定。并从对环境的影响、稳态性能和短路暂态电流三个方面论证了方案的可行性。3.2混合式变压控制器中pid和基于dc-dc传统的DC-DC变换器控制多用模拟系统实现,一般采用经典的PID控制或改进型PID控制。为满足不同偏差e和偏差的变化ec对PID参数自整定的要求,利用自适应规则控制在线对PID参数进行修改,便构成了参数自整定PID控制器,即专家PID控制器,控制框图如图2所示［10］。目前直流变压设备价格相对昂贵,自身功耗较高,且运行维护复杂,这些都限制了直流配电网技术的进一步发展。随着计算机技术和控制理论研究的发展,现代控制技术中的一些理论和方法已应用到DC-DC变换器的研究中来。一些文献提出了状态反馈控制,非线性控制,自适应控制,滑模变结构控制,函数控制以及智能控制(包括模糊控制,神经网络和遗传算法)等。这些研究工作尚处于理论分析和仿真研究的阶段,如何结合直流配电网设计的实际要求应用现代控制理论的最新研究成果则显得尤为关键。3.3直流配电网保护设备设计直流配电网系统故障类型较多,消除每种故障或异常状态的方法有所区别,大多数直流保护动作都配合控制系统来进行故障隔离和消除。采用保护、控制集成方案可以降低保护系统的复杂性,降低系统成本,减少保护动作时间,是未来直流配电系统保护技术的发展方向之一［11－13］。直流配电网保护系统设计时需要考虑电力电子设备特性和系统结构特性之间的影响。保护需要在直流配电网系统中设计增加额外设备,该额外设备可以整合到逆变器中。部分保护设备可与传统低压配电网中广泛应用的保护设备整合,如直流连接采用用户网络中过流保护已有的断路器。单控制器控制单逆变器的直流配电网结构如图3所示。每个负载连接到有电流测量或简单过流保护的跳闸控制器,图中的单个逆变器可以替换成多个逆变器,通过断路器的负载供电不变。单个逆变器系统中,跳闸控制器可以实现逆变器的控制,但是在多个逆变器系统中,控制结构决定于逆变器类型:独立型或者主从型。常用的单控制器控制多个逆变器的直流配电网结构如图4所示。多个逆变器可以为多个负载组供电,每个逆变器可以是独立的单元,也可以由外部控制设备统一控制［14］。4直流电源案例分析4.1分布电压控制该配电网系统采用直流环形母线结构,确保通过平行路径向每个逆变器供电。整流器中的一个或者两个通过专用线路连接至交流系统,降低子系统之间的互相影响。该系统具有UPS特性,为高优先级负载连续供电。这种控制的好处是增强了系统可靠性,尽量减小故障范围。整流器的分布电压控制允许整流站之间电流共享,降低系统运行费用。通过选择电压降落斜率,很容易控制直流母线电压水平［15］。4.2直流母网基础特性2007年,日本提出了适用于居民住宅带热电联产系统的低压双极型直流微网,对其基础特性进行了研究,通过直流母线在住宅间分配功率,并在实验室搭建了物理模型。实验结果表明该系统能提供高质量的电能,当主系统出现电压下降时,该系统能继续提供高质量的电能,即使在负荷侧发生短路,也不会影响对其他负荷的供电［16］。5直流配电网的应用前景展望直流电机、电力半导体、电能储存、可再生能源发电等的快速发展,