42、直流配电网络：分布式发电系统集成的解决方案

最新推荐文章于 2025-08-22 09:10:14 发布

火锅TCP

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分类专栏：分布式发电系统：设计与集成的前沿探索文章标签：直流配电系统分布式发电可再生能源

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直流配电网络：分布式发电系统集成的解决方案

1. 引言

近年来，电力系统发生了重大变化，带来了新的技术、经济和运营挑战。可再生能源系统（RESs），如风能系统、光伏（PV）系统、生物质发电厂和小型水轮机，在电网中的应用日益增多。这些 RESs 和其他分布式发电（DG）单元的集成是可能影响电力系统潮流、稳定性和保护的重大变化之一。

大多数 RESs 通过电力电子转换器与电网连接。因此，使用直流（DC）配电系统可以减少系统的总成本和损耗，因为减少了电力转换阶段。减少电力转换阶段还可以提高网络可靠性。此外，直流网络不受交流（AC）线路中出现的集肤效应导致的功率传输限制，因此能够在更长的距离上传输更高的功率。由于这些原因，以及大多数由直流供电的现代电子负载易于集成，直流配电系统的概念在过去几年中引起了广泛关注。

到目前为止，中压直流（MVDC）系统在普通配电网络中的应用仍处于研究阶段，主要用于特殊应用，如电动船舶的配电系统。然而，由于其优势，如今研究和工业界对直流电网产生了浓厚兴趣，它们正被视为未来商业和工业电网中交流系统的替代方案。但另一方面，尽管 MVDC 系统可以作为交流配电系统的未来替代方案，但其在全球范围内的应用仍存在严重担忧，保护、控制和网络设计是这些电网的主要关键问题。

2. 直流配电系统概述

交流电网可分为高压、中压和低压网络。如今，大多数工业、商业和个人负载由交流电网供电，而最初的电网是设计为直流供电的。然而，由于直流网络实施过程中的实际挑战，特别是直流电压的升降，公用事业公司和主要电气公司将其网络从直流改为交流系统。实际上，交流系统在全球范围内广泛应用的主要原因之一是可以通过交流变压器进行电压转换。

交流变压器在不同功率和电压水平下都易于设计和实现，而改变直流电压水平需要更复杂的基于电力电子的设备，这些设备在过去并不存在。与交流网络不同，缺乏适用且经济的直流电压调节机制是限制直流系统应用的重要问题。此外，每个交流电流周期包含两个过零点，因此设计和制造交流断路器比设计直流断路器更容易、更便宜，因为直流电流不会自然过零。而且，交流电机比直流电机更便宜、更坚固，因此在工业应用中更受欢迎。

然而，由于电力电子设备的最新发展，已经开发出了新的高效转换器，便于改变直流电压水平。利用这些新进展，通过新电力电子设备的串联或并联结构，几乎可以获得所有所需的直流电压和电流水平。例如，1954 年，使用高功率转换器，第一条高压直流（HVDC）输电线路通电。

2.1 使用直流配电系统的动机

减少电力转换阶段
- 分布式发电在电力系统中的集成日益增加。这些发电机通常比传统发电厂小，且地理位置分布更广。尽管大多数电力仍然由传统发电厂产生，但分布式发电是全球增长最快的发电类型。许多政府基于电力市场自由化的能源政策，鼓励电力公司使用可再生能源的分布式发电。
- 一些基于 RESs 的分布式发电，如光伏系统和燃料电池（FCs），产生直流电，因此需要两个转换阶段才能连接到交流电网。因此，大多数类型的分布式发电集成到直流系统比集成到交流电网更简单、更经济。实际上，大多数 RESs 通过包含直流阶段的接口与交流电网集成，因此使用直流配电系统不仅可以降低损耗和成本，还可以提高电网的可靠性，因为减少了一些电力转换阶段。
- 图 11.1 和图 11.2 分别展示了一个假设的交流配电网络及其直流对应网络。这些图表明，使用直流系统时能源转换阶段的数量减少了。因此，直流系统是分布式发电集成的经济可靠解决方案。这些图还显示，在负载侧，许多负载需要 AC/DC 转换器，通过使用直流配电系统，可以用位于直流变电站的集中整流器取代单个整流器，该变电站还可以控制电网的直流电压。
增加电缆传输功率
- 交流线路的功率承载能力取决于热极限、所需无功功率和稳定性问题，而直流线路的容量主要取决于热极限。由于没有无功电流分量，使用直流系统时电流大小和电缆损耗会降低。

为了说明这一点，考虑一条可以提供给定交流和直流电压的线路中的电流。假设在交流情况下，负载是单相负载，其有功功率消耗为 Pac，功率因数为 cos(φ)，电流为 Iac，则相应线路的电流计算公式为：
[I_{ac} = \frac{P_{ac}}{V_{ac} \cdot \cos(\varphi)}]
其中，Vac 是交流电压的均方根（RMS）值。该线路以直流电压为负载供电时的电流为：
[I_{dc} = \frac{P_{dc}}{V_{dc}}]
其中，Pdc 等于负载由交流电源供电时的有功功率，Vdc 可以认为是 (\sqrt{2}V_{ac})。因为电缆和绝缘子的绝缘是根据交流系统的最大电压设计的，所以该设备可以由等于交流系统最大电压的直流电压供电。因此，当线路连接到直流电源时，其电流计算公式为：
[I_{dc} = \frac{\cos(\varphi)}{\sqrt{2}} \cdot I_{ac}]

例如，假设 cos(φ) = 0.87，当负载具有相同的有功功率时，电缆的直流电流是交流电流的 61%。从这个角度来看，使用直流系统可以提供以下优势：
- 连接到特定电缆的指定负载，直流系统的电流值低于交流系统。因此，连接到直流电压的负载可以由导体尺寸较小的电缆供电，这反过来又降低了网络设备的成本和电压降。此外，交流电缆的电阻受集肤效应影响，因此在直流系统中给定电缆的电阻低于交流电阻，使用直流系统还可以降低电网的总损耗。
- 由于给定负载由较低的电流供电，使用直流系统时电缆能够供应的负载总功率增加。因此，将现有的交流系统转换为直流系统，可以提高传输功率并增加连接负载的总功率。当由于区域空间限制或其他经济或非经济原因，在该区域功率消耗增加的情况下不适合建设新的馈线时，这一点尤为重要。

下面通过一个具体例子来说明：
假设有一个单相 20kW 的负载，功率因数为 0.87，使用给定电缆连接到 220V 交流电源。如果将交流电源替换为合适的直流电源，计算电缆连接到交流和直流系统时的功率损耗比。假设电缆的交流和直流电阻几乎相同。
- 步骤 1：计算交流情况下的电流和功率损耗
- 当负载连接到交流电源时，根据公式 (I_{ac} = \frac{P_{ac}}{V_{ac} \cdot \cos(\varphi)})，可得：
[I_{ac} = \frac{20000}{220 \times 0.87} \approx 104.49A]
- 电缆损耗为 (P_{loss,ac} = 2 \cdot R_{L} \cdot I_{ac}^{2})，其中 (R_{L}) 是电缆电阻。
- 步骤 2：计算直流情况下的电流和功率损耗
- 交流系统的最大电压为 (V_{dc} = \sqrt{2}V_{ac} = \sqrt{2} \times 220 \approx 311.12V)，假设选择的直流线路电压为 310V。
- 根据公式 (I_{dc} = \frac{P_{dc}}{V_{dc}})，可得：
[I_{dc} = \frac{20000}{310} \approx 64.52A]
- 此时电缆损耗为 (P_{loss,dc} = 2 \cdot R_{L} \cdot I_{dc}^{2})。

通过以上步骤，可以对比交流和直流情况下的功率损耗。

下面用表格总结一下交流和直流系统的特点对比：
|系统类型|电压转换|断路器设计|电机特点|功率传输|转换阶段|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|交流系统|可通过变压器实现|较易设计制造|便宜、坚固|受多种因素限制|较多|
|直流系统|需复杂电子设备|较难设计制造|相对劣势|主要受热极限限制|较少|

mermaid 流程图展示直流配电系统优势推导过程：

graph LR
    A[分布式发电集成增加] --> B[部分DG产直流]
    B --> C[连接AC需多转换阶段]
    C --> D[使用DC减少转换阶段]
    D --> E[降低成本和损耗]
    D --> F[提高可靠性]
    G[AC线路功率受限] --> H[DC线路主要受热极限限制]
    H --> I[DC无无功电流分量]
    I --> J[DC电流小、损耗低]
    J --> K[可减小电缆尺寸]
    J --> L[可增加传输功率]

总之，直流配电系统在分布式发电集成方面具有诸多优势，但在全球应用中仍面临一些关键问题，后续还需要进一步探讨设计数据、保护、控制等方面的内容。

3. 设计直流配电网络所需数据

设计直流配电网络时，需要收集和分析多方面的数据。首先是负荷数据，包括不同区域、不同类型（如工业、商业、居民）负荷的大小、分布以及变化规律。了解负荷的峰值和谷值时间，有助于合理规划直流电网的容量和供电能力。

其次是电源数据，对于分布式发电单元，要明确其类型（如光伏、燃料电池等）、功率输出特性、地理位置等信息。这些数据能帮助确定电源与负荷的匹配程度，以及如何实现高效的电力传输和分配。

另外，网络拓扑数据也至关重要，它描述了直流配电网络中各个节点（如变电站、分布式电源接入点、负荷接入点等）之间的连接关系。通过对网络拓扑的分析，可以评估网络的可靠性和灵活性，为后续的保护和控制策略设计提供基础。

4. 直流系统的保护问题

4.1 交直流系统故障电流行为差异

在交流系统中，故障电流具有周期性的过零点。这一特性使得交流断路器在切断故障电流时相对容易，因为可以利用电流过零的时机来熄灭电弧。而直流系统的故障电流没有自然过零点，一旦发生故障，故障电流会迅速上升且持续存在。这就要求直流保护设备具备更强的灭弧能力和更快的动作速度。

例如，当直流系统发生短路故障时，故障电流可能在极短的时间内达到很高的值，对设备和电网造成严重损害。而交流系统在相同故障情况下，由于电流过零的存在，故障电流的上升速度和幅值相对受到一定限制。

4.2 传统故障检测方法的挑战

传统的交流故障检测方法通常基于电流、电压的周期性变化特征来判断故障。但在直流系统中，这些特征不再适用。例如，基于过流保护的方法，由于直流故障电流上升迅速且无过零，很难准确设置合适的动作阈值。

另外，直流系统中的故障暂态过程与交流系统有很大不同，传统的故障定位方法在直流系统中可能无法准确确定故障位置。这就需要开发专门适用于直流系统的故障检测和定位技术，如基于行波原理的故障检测方法、利用故障电流变化率的检测方法等。

以下是交直流系统故障电流特性对比表格：
|系统类型|故障电流过零点|故障电流上升速度|灭弧难度|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|交流系统|有|相对较慢|较低|
|直流系统|无|迅速|较高|

5. 直流配电系统的控制问题

5.1 控制的重要性

直流配电系统的控制对于保证电网的稳定运行、实现功率的合理分配以及提高电能质量至关重要。通过有效的控制策略，可以协调分布式发电单元的输出功率，使其与负荷需求相匹配，避免功率不平衡导致的电压波动和频率变化。

5.2 合适的控制方法

电压控制 ：维持直流母线电压的稳定是直流配电系统控制的关键目标之一。可以采用基于反馈控制的方法，通过监测母线电压，调节分布式发电单元的输出功率或控制储能装置的充放电，使母线电压保持在允许的范围内。
功率分配控制 ：根据负荷需求和分布式发电单元的发电能力，合理分配功率。可以采用集中控制或分布式控制的方式。集中控制由一个中央控制器收集全网信息并进行功率分配决策；分布式控制则每个分布式发电单元根据本地信息和与相邻单元的通信进行自主的功率调节。

以下是直流配电系统控制方法的列表：
- 电压控制：
- 监测母线电压
- 调节发电单元功率
- 控制储能装置充放电
- 功率分配控制：
- 集中控制：中央控制器决策
- 分布式控制：单元自主调节

mermaid 流程图展示直流配电系统控制流程：

graph LR
    A[启动系统] --> B[监测电压和功率]
    B --> C{电压是否稳定}
    C -- 否 --> D[调节发电单元功率]
    D --> E[再次监测电压和功率]
    E --> C
    C -- 是 --> F{功率分配是否合理}
    F -- 否 --> G[进行功率分配调节]
    G --> H[再次监测电压和功率]
    H --> F
    F -- 是 --> I[维持系统运行]