直流供电在低压配电系统中的应用

直流供电在低压配电系统中的应用

0低压直流管理信息系统的研究19世纪末，通信系统取代了直隶系统，易于教学电压变换。这是网络系统的主流。但近年来,电源和负载的组成都有了明显的变化。从负载来看,随着电力电子技术的发展,大量低压用电设备都经过整流装置将交流电变换成直流电供给负载使用,如电脑、液晶电视、电子镇流器荧光灯、打印机等办公设备、变频调速空调、洗衣机、冰箱等家电,这种电能变换方式导致大量谐波电流注入系统,严重影响电能质量。为此,许多负载不得不配备功率因数补偿电路(powerfactorcorrection,PFC),增加设备额外投入。同时,一些绿色分布式能源,如太阳能电池和燃料电池等,直接提供直流电,为与交流系统并网,必须进行DC/AC变换。即便如此,有时也很难满足交流电网苛刻的并网条件。其他绿色能源如燃气涡轮发电机、小型水电和风电产生频率各异的交流电,需要对其进行整流再逆变,满足并网条件后方可并入交流系统。这不仅增加技术难度,还因增加诸多交直流变换环节而增加投资,也给系统可靠性造成影响。鉴于此,学者们提出重新审视和研究低压直流供电系统在常规供电领域使用的可行性。直流供电在有分布式电源接入和大量开关电源类负载的供电系统中显现出诸多优势:事实上,直流供电方式已经在通信系统、电动汽车和混合动力汽车、船用供电系统、列车牵引系统和高压直流输电系统中得到成功应用,在充分研究和解决低压直流系统在常规领域应用中的问题后,LVDC系统在更大范围取代交流系统是可望实现的。国际电工委员会(IEC)也已将建立低压直流供电系统相关标准的工作提上议事日程。目前学者们的研究已经广泛涉及到低压直流系统结构,负荷模型建立,LVDC系统电能质量和可靠性分析,故障和暂态过程分析、系统保护和控制以及LVDC节能效益分析等方面[1,2,3,4,5,6,7,8,9,14,15,16,17,18,19,20,21]。低压直流供电系统应用前景较大,很有研究价值,论文将针对上述几方面研究成果和存在的问题进行综述,并与现行低压交流(lowvoltagealternatingcurrent,LVAC)系统进行分析比较,为后续的研究和应用提供了参考。1采用高效低通的布置于变电站的分布式电源为保证供电可靠性和充分利用绿色能源,分布式发电和储能系统必将大量接入低压供电系统,具有分布式发电机和电能存储系统的LVDC系统应当满足以下要求:1)在接入电网和孤岛状态下都能稳定运行;2)保证良好的电压质量和供电连续性;3)具有良好的可扩展性,以便在增加新的负载和电源时,不必改动总体控制策略;4)电气安全满足现行规范和标准要求。合理的系统结构和保护控制方式是满足上述要求的前提。对此,文献提出了LVDC系统结构,如图1所示。系统由变压器提供低压交流电源,AC/DC装置由两个电压源型整流器(voltagesourcerectifier,VSR)并联构成,其中一个为备用,以提高系统可靠性,并方便系统在孤岛模式下工作。这两个VSR均配备绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)并采用脉宽调制控制,对直流电网电压进行调整并维持在需要的电压水平,同时降低谐波向交流系统的注入。分布式电源在变电站集中接入。其中分布式交流发电设备(微型水力发电机、风力发电机等)通过采用直接电流控制的VSR实现与直流系统的接入,该方式与压控方式相比有控制稳定性好和易于实现等优势。电能储存装置通过双向斩波器接入,以保证用户在短时停电时的供电连续性。柴油发电机组用于电网较长时间停电时保证直流系统的供电连续性,通过高可靠性的二极管整流桥接入,可防止直流系统孤岛运行时,直流侧功率倒送柴油发电机。直流发电设备(如太阳能电池等)则通过升压变换器接入,双向变换器使得在直流网络轻载时,分布式发电设备的多余能量可回馈交流电网。LVDC系统孤岛运行时,由分布式发电设备和柴油发电机组对直流网络提供电能。图1所示LVDC系统结构对于商业和公共建筑用户是可行的。对于住宅建筑,由于每户住宅需要不同电压等级或同时需要DC和AC电源,且考虑计量问题,LVDC系统可变为图2所示结构。区别是:分布式电源仍然在变电站集中接入,但DC/DC和DC/AC变换器分布在各个住宅内部以满足不同用电设备对电压性质和电压等级的要求。有学者提出进一步将DC系统扩展到中压的方案,如图3所示。在中压侧使用AC/DC变换器将交流变换成中压直流系统后再通过高功率DC/DC变换器将电压变换到适当的电压等级供用户使用,以替代交流系统中的变压器。此时传输同样的有功功率所需电流较小,电缆损耗降低;而电缆电压降只有电阻产生,因此电缆利用率更高。将DC系统延伸至中压的优势在于:更大范围提高电缆及设备使用效率;采用先进变换器控制技术,可有效阻止来自于输配电系统的电压扰动,隔离电网不利影响。LVDC系统结构可根据用户规模、负荷特性、分布式电源特性以及用户的可靠性要求,进行综合评估后,选择其中一种方式或如图4所示的交直流混合供电方式。2表1系统的负荷适应性和负荷模型2.1负载的分类及性能现有负载都是为交流系统设计,其在LVDC系统中的兼容性以及对LVDC系统的电压要求,是决定LVDC系统能否在不影响用户使用的前提下,顺利替代LVAC系统的关键。另外,与LVAC系统相似,要使LVDC系统得以广泛应用,并满足可靠性、经济性、安全性的要求,必须对负荷特性及其暂态和稳态响应有充分认识和了解,建立负荷计算方法和负荷模型。文献研究了目前为交流供电系统设计的负载在直流系统中的兼容问题,即现有负载在LVDC系统中能否良好工作。研究中使用了多种直流电压等级,并要求负载在电压出现uf0b110%偏差时也能正常工作。负载按如下方式进行分类:实验结果表明:大多数负载可以在直流条件下正常使用,并可适应较宽范围的直流电压水平。由于不能在直流电压下直接使用的低压民用负载并不多,因此LVAC系统转换为LVDC系统时只需对少量的负载加装DC/AC变换装置即可。2.2负载管理系统的状态和临时模型2.2.1不同用电设备稳态模型文献针对数十种常见负载进行了负载稳态和暂态模型的研究。根据IEEESta.399,负载可用CR、CC、CP或其混合模型描述,功率P与电压U的关系为式中:ACR、ACC、ACP分别是恒电阻模型(constantresistance,CR)、恒功率模型(constantpower,CP)和恒电流源模型(constantcurrent,CC)系数。通过对60多种不同功率和用途用电设备进行测试,各种用电设备稳态模型可以归纳如表1所示。多数情况下,都需要实测数据来决定负载模型。2.2.2负载暂态行为试验使用短暂电压跳变模拟短路时的电压暂态,将其施加于负载上研究负载的暂态行为。电压初始值为1.0pu,每个负载测试4种不同的电压跳变幅度:-0.12、-0.24、-0.38和-0.53pu。1电压突变时电阻与电流成比例的变化对发热负载进行测试的结果显示,电压突变引起同样快速的电流突变,与突变电压幅度无关,可用U(28)R0I表述。白炽灯测试结果如图5所示,当电压快速突变时,电阻不突变且与电流成比例变化。当电流下降时,电阻也下降,然后电流开始增加。2电瞬态响应和慢速的机械瞬态响应传统电机的瞬态响应由两部分组成:快速的电瞬态响应和慢速的机械瞬态响应(持续时间约为电瞬态响应的100倍)。目前尚无合适的数学模型可以同时描述上述两种瞬态响应。3电源及电源暂态模型开关电源式负载暂态测试结果如图6所示,当电源电压突变时,负载电流下降到零,之后电流重新上升达到新的稳定值,因此开关电源的暂态模型可用图7表示,包括二极管整流桥,RCL元件组成的滤波器和稳态负荷特性,RCL参数可由测量得到。节能灯的暂态测试结果表明,当电源电压减小时,负载电流瞬间变为零但很快恢复到先前的值,如图8所示。高频电子镇流器的瞬态响应非常复杂,其响应过程因控制电路的不同而不同,因此尚无合适的模型可以描述。3lvd系统的能源性和可靠性3.1对电能质量和可靠性的要求不同电能质量和供电可靠性是低压系统用户最为关注的问题。敏感的电子类负载对电能质量要求很高;应急负载对可靠性(供电连续性)要求很高;而数据类负载则对电能质量和可靠性要求都很高。商业用户往往拥有大量的非线性电子负载,如照明设备、办公设备、监控设备、变频空调等,这些设备都有电磁兼容和电能质量问题,从而导致损耗增加和保护措施失效等问题。文献对LVDC系统电能质量和可靠性的实验研究(未包括储能和分布式能源装置,未进行孤岛状态研究)得到如下结论。1基于pfc的电流波形图9所示为电脑负载电流,是非常典型的二极管整流桥电子设备的电流波形,电脑产生大量低次谐波电流。一个解决办案是采用PFC改善电流波形,降低谐波含量。另一个解决方案是对负载直流供电,如图10所示,此时负载电流几乎是恒定的,交流端电流呈近似正弦波形。2直流供电故障对于在重要场所使用的电子和照明设备(计算机及应急灯等),电压瞬变和中断供电有可能导致计算机重启丢失数据或照明不满足要求等问题。一种解决办案是配备UPS;另一种解决办案是使用直流供电。在直流供电条件下做三相电压突变(如图11(a)所示)实验,结果表明整流器在故障时可以维持如图11(b)所示的稳定直流电压,计算机和照明设备并未受到影响。由于使用直流供电只需一次变流,与交流系统UPS两步变流相比,可极大的减小损耗。综上所述,对敏感负载或重要设备使用直流供电,不仅可提高电能质量,还可一定程度提升供电可靠性,并减小损耗及成本。对拥有大量敏感负载的用户,选择直流供电系统将更为有利。3.2mtbf-igbt中压网络故障估计结果由于电力电子器件的大量使用,其元器件可靠性对供电可靠性产生一定影响。电力电子整流器可靠性主要受开关和主电路电容器两种元件的性能影响,元件故障率与温度和负载情况有很大关系。在LVDC系统中,电力电子器件需承受一定的温度波动和不同负载情况下的湿度影响,其次,电压和电流也对其有影响。文献介绍了一种通过计算MTBF(meantimebetweenfailure)预测元件可靠性的方法,但并未计及电压或电流的突变和温度突然升高等情况,经测算,一个电解电容器的寿命大约为5年,IGBT逆变桥的寿命大约为10年。不言而喻,供电系统中,高频电力电子开关器件使用越多,对配电系统可靠性的影响越大。但LVDC网络的一次故障发生率相比中压网络的故障发生率小很多,造成的危害也小很多,特别是在农村架空线路中,这种优势更加明显。该优势足以补偿由于大规模电力电子器件使用导致的LVDC系统的不足。另外电池储能装置和分布式发电装置的接入能更好的改善可靠性。4福建lc系统的保护和控制4.1保护接地系统可靠性低压系统中大量使用断路器的脱扣装置或熔断器作为短路和过载保护元件,LVDC系统可以直接使用直流断路器或熔断器进行短路保护。此外,交流断路器也可以在直流系统中降低电压使用,但是保护整定计算方法需要重新研究。接地故障是低压系统中最常见的故障,用于交流系统的剩余电流保护装置(residualcurrentdevice,RCD)因为动作原理和分断能力(分断直流比分断交流困难)的原因,不能直接用于直流系统。以电气安全为目的的直流系统接地方式值得探讨,TT系统和TN系统的剩余电流保护装置也需要另外设计。对于IT系统,欧盟2006/95/EC以及芬兰SESKO对不接地的LVDC保护措施专门规定,要求如表2所示。由此可见,LVDC系统保护方案较传统的交流系统更复杂,既要满足低压标准的规定,又要具备可操作性。4.2电流控制板文献根据LVDC系统的特点,提出如图12所示控制管理系统,该控制系统能有效避免设备控制器之间的冲突,并抑制瞬变状态对供电质量和连续性的负面作用。控制管理系统以电流控制为基础,根据输入指令和设定的阈值综合产生设备需要的指令。因此通过控制网络中的电流,可以保持直流电压稳定在要求值。对三相故障和相间故障的实验验证了该控制管理系统的有效性。1直流侧电压实验设定0.4s时中压系统突发三相故障,电力供应中断,此时整流器前端的三相电压突然降落并最终到零,故障持续时间为250ms,考察在电力供应中断时控制系统是否能有效管理直流侧电压。三相故障发生时,电压波形如图13所示,直流电压从800V下降,直到设定的电池储能系统的阈值760V,电池系统开始向负载供电,同时,电池电流如图14逐渐减小,在电池开始向直流母线输出最大能量以补偿电压降落之后,控制器逐渐使直流电压稳定在预设值760V。2直流侧电压消失,根据新的自适应实验设定0.4s时中压系统突发两相相间短路,此时整流器前端的两相电压突降,另一相电压降为零,此故障维持200ms,考查交流侧相间故障时控制系统是否能有效管理直流侧电压。故障时直流侧电压下降到电池系统阈值,随后电池控制器使直流电压稳定在760V如图15所示。从图中可以看出,电池控制器起作用前,电压波形呈典型的100Hz震荡。在故障切除后,AC/DC整流器重新开始工作,同步过程结束后重新达到稳态,如图16所示。此时整流器接替电池系统重新控制直流电压。3短路故障下的电流和电压直流网络短路故障电流非常大,短路尖峰电流可能损坏整流器中的IGBT等元件,应特别注意。实验设定开关上的过电流为2kA,是额定电流的2倍,故障发生时间在0.25s。在电容器附近发生短路故障时,电容器最初充当电压源角色,随后,电容器和短路线路的感抗发生高频振荡,短路电流波形如图17。直流电压波形与电流相似,在一段时间后电容器电压释放完毕,直流端电压变为零,由于故障发生在直流母线,因此短路故障将造成系统运行中断。开关上的直流电压波形图如图18所示,在电压下降的第一个瞬间,AC/DC整流器从交流侧得到的能量不变,储存在滤波电容器上。随后,控制器维持输出电压在设定值。过电压峰值由滤波电容大小和控制器的速率决定。因此只要滤波电容足够大,控制器的反应速率足够快,过电压峰值则不会威胁到整流器中的IGBT。一个性能良好地综合控制管理系统和保护系统,能使因交流电网故障产生的中断供电事故减少,减小直流母线短路时对系统的危害,全面提高安全性和可靠性。5hplc系统的节能分析5.1不同标记电压下网络传输功率LVDC系统中,配电电缆可选择三线制和五线制,相同的电缆在不同的配电系统中传输电能的能力是不同的。不同标称电压时,三线制和五线制导线传输功率分别如图19、20所示。当传输长度大于某值时,由于受负载端允许电压偏差(uf0b15%)限制,导线传输最大功率的能力急剧减小,在配电电压水平相同的情况下,由于交流系统存在线路感抗,直流配电系统相同传输距离传输的功率略大于交流配电系统。5.2智能led照明系统在lvcd和lvac下的换流器测试结果文献对LVDC的合适配电电压等级进行了测试和分析。为与线电压为400V,相电压为230V的三相交流系统对应,测试了4种直流电压水平:1)326V:电力电子类电器的二极管整流器输出电压,对应RMS值为230V电压的峰值。2)230V:因为与交流230V的均值相同,此电压等级能适应现有的电阻设备。3)120V:使用120V电压可以不用采取间接电击防护措施,系统更简单。4)48V:这个电压等级不需采取直接电击防护措施,由于48V直流已经在电信系统中使用,技术比较成熟。测试结果表明,采用48V直流电压供电时,当供电半径为20m时,只能供给相当于一台电脑的功率,实际上是不可行的。由于直流电路不存在电抗,采用直流配电的线路功率损耗较少,文献中提到在香港的普通高层建筑中,直流配电系统配电线路的有功损耗较交流系统减少4.11%,如果是可再生能源一体化建筑,电源处更可节省7.2%的电能。文献作者对一种智能LED照明系统应用于LVDC和LVAC的能量效率进行了实际的比较,发现LVDC的智能LED照明系统相较传统的LVAC系统能节约44.23%的能量。换流器普遍存在于家庭及办公用电设备中,品质参差不齐,其效率随着额定功率的增加而升高,在相同额定功率下,DC/DC换流器的效率普遍高于AC/DC整流器。研究表明,电能转换一次,能量损失约为2.4%,因此,用额定功率大的AC/DC整流器代替额定功率小的整流器,电能转换所产生的能量损失将会减少;用电设备中,用相同额定功率的DC/DC换流器代替AC/DC整流器,电能转换所产生的能量损失也会减少。在普通高层建筑中,直流配电系统用电设备换流器损耗较交流配电系统减少5.5%～14.4%。5.3和半径、供电电压LVDC系统的传输能力不仅是线路的传输能力,系统传输能量会引起电压不稳定,而这种电压不稳定现象使直流系统的传输能力受到限制。通常,功率传输极限依赖于负载数量和负载对电压的敏感度、配电线路长度和半径、供电电压的高低。经推导,功率传输极限可表达为式中:R、L和C表示配电线路的电阻、电抗和电容;uf061表示电压敏感度;Rin、Lin和Cin表示瞬态模型中的电阻、电抗和电容;UR表示当电压扰动产生后负载两端的电压。Plim,d0和Plim,uf061是C的函数,如图21所示。C取值在零附近时,Plim,d的值是几乎不变的,由此可以确定C的取值在0附近的功率传输极限为Plim,d0。当C的取值变大时,Plim,uf061的曲线和Plim,d的曲线接近,由此可以用式(3)确定C偏大时的功率传输极限。功率传输极限可由式(2)、(3计算得到,主要和负载端电容器有关。6含分布式能源的lvcd系统通过对低压直流配电系统的结构,负荷模型的建立,LVDC系统的电能质量和可靠性分析,故障和暂态过程分析、系统的保护和控制以及LVDC的节能效益分析等方面的综述,并与现行LVAC系统比较可知,含分布式能源的LVDC系统,在降低系统电能损耗、增强供电连续性和可靠性、提高电能质量等方面均具有很大潜力。目前,低压直流配电仍有较大的研究空间,需要在系统拓扑结构和控制保护方式、电气安全、电力电子设备的可靠性、直流腐蚀问题的处理、如何避免采用插座分断负载电流时的电弧问题等方面开展进一步的研究。1提高电能质量若使用合理电压等级的直流电源向开关电源类负载、变频调速类负载以及电子镇流器光源等负载供电,相应的整流电路和PFC电路都可省去,同时还能降低能耗和提高电能质量。金融、电信等部门往往存在大量敏感负载,对供电可靠性要求也非常高,一般采用不间断电源(uninterruptiblepowersystem,UPS)来保证该类负荷的供电连续性。UPS电源由整流器、电池组和逆变器构成,而在LVDC系统中,电池组可以直接连接到直流母线上而不使用变流装置,可减少成本及能量损失。21减少线路损失直流系统只存在电阻损耗,因此整个供电系统的损耗将有望大幅度降低。31提高耐能性将大容量可控AC/DC变换器作为直流电源,采用适当的控制策略,可以有效提高直流系统的供电连续性和电能质量。1阻滞负载分为发热负载和白炽光源负载,显然这类负载可以在交流和直流两种电源下工作。2品粉碎机、除尘器分为感应型电动机(电冰箱、洗衣机等)负载和交直流两用电机(家用食品搅拌机、吸尘器等)负载。其中交直流两用电机可以在直流条件下工作;而感应型电动机是交流电机,虽无法直接接入直流电源工作,但目前很多感应电动机因调速需要,由变频器供电,此时便可直接接入直流电源工作。3通过k-关于“两设置”方法项目regulationmort2.3.4.3.4.3indexhraftingsofterityforace/whichsoractibutionspecitysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofteritysofterityscutex/hfbachisonssaft标准分为开关电源负载和电子镇流器荧光灯。开关电源通常可以工作在直流和47～63Hz电源条件下,因此可以在直流条件下很好地工作,并呈现出恒功率特性,在较宽电压范围内,负载消耗的功率是基本不变的。电子镇流器荧光灯电路主要由整流和高频逆变两个环节组成,也可以在直流电源下正常运行,并呈现出恒电流源特性,通常的工作电压范围是120～300V。Astheproliferationsofdistributedgeneratorsandpowerelectronicdevicesinlowvoltagesystems,theadvantagesoflow-voltagedirectcurrent(LVDC)distributionsystemshavebeenemergedandattractedmoreandmoreresearchers’attentions.ThelayoutoftheLVDCsystemproposedbymanyliteraturesisshowninFig.1.Inthissystem,ACsupplyandotherdistributedsupplies,suchasdieselgenerators,batteries,PVcellsandmicro-hydro(micro-windturbines)arethemainsupply,whicharecombinedtoensureahighdegreeofthevoltagequalityandcontinuity.TheinterfacebetweentheacpowersupplyandtheLVDCsystemisrealizedbytwoconvertersoperatinginparallel,oneofwhichiskeptinreserveforimprovingthereliabilityoftheentiresystemandmakingtheoperationintheislandingmodeeasier.ThetwoVSCareequippedwithIGBTsandcontrolledbyPWM,whichallowstheregulationofthedcnetworkvoltageanditsmaintenancetoachievethedesiredvalue.Toguaranteethecontinuityofcustomerssupplyduringshorttimeinterruptions,astoragepowersystemisinterconnectedtothelowvoltagedcdistributionsystemwiththehelpofabidirectionalchopper.Thedieselpowersystemisdesignatedtosupplythedcloadsduringsustainedinterruptionsintheacnetwork.TheexistingloadsaredesignedfortheACsystem.WhethertheseloadscanbesuppliedbytheLVDCsystemsisonethemostimportantfactorsforLVDCreplacementwithouteffectonusers.TheexperimentalresultsconductedbyresearchersdemonstratethatmostoftheloadsusedtodaycanoperateequallywellwithaDCsupplyaswithanACsupply.Simplemodelsdescribingthesteady-statebehaviorofloadsarederivedfrommeasurementdata.Modelsforthetransient-statebehaviorofresistiveloadsandelectronicloadswithSMPSsarealsoobtained,however,transientmodelsforuniversalmachinesandelectroniclightingapplianceswithHFballastshavenotbeenconstructedyet.Qualityandreliabilityofpowersupplyarethemostconcernedproblemforthelowvoltagesystemusers.Electronicloadscanbeusedinsystemswheretheseloadscannotbeaffectedbydisturbancesontheutilitygrid,andlightingwhichisusedtoilluminateemergencyexitsorimportantprocessescannotalsobeshutoff.AbetteroptionistosupplythesensitiveloadsoremergencylightingswithDC.Awell-designedac/dcinterfacewillabsorbsinusoidalcurrentsfromtheutilitygridtoensurehigh-powerquality.Thisarrangementwillprovidealowercost,andlesspowerlossbuthigherreliability.Themorepowerelectronicswithahighswitchingfrequencyare