43、直流配电网络：原理、应用与设计

直流配电网络：原理、应用与设计

1. 直流配电系统的优势

直流配电系统在降低网络损耗、提高效率方面具有显著优势。通过公式 (P_{loss,dc} = 2 \times R_L \times I_{dc}^2) 可知，直流系统的电缆损耗与电流的平方和电阻成正比。对比直流和交流系统的电缆损耗比例：
[
\frac{P_{loss,dc}}{P_{loss,ac}} = \left(\frac{I_{dc}}{I_{ac}}\right)^2 = \left(\frac{64.52}{104.49}\right)^2 = 0.38
]
即 (P_{loss,dc} = 0.38\times P_{loss,ac})，这表明使用直流配电系统可大幅降低网络损耗，进而提高网络效率。

2. 多微电网中的直流应用

2.1 同步问题与解决方案

交流系统连接时需考虑同步问题，如在配电系统中，多个微电网只有同步时才能连接，连接点需配备同步检查设备。而中压直流（MVDC）链路是解决非同步交流微电网连接或交流与直流微电网连接的有效方案，使用直流链路连接微电网时无需考虑同步问题。

2.2 故障隔离作用

使用直流配电链路连接交流微电网，可防止某一微电网故障影响系统其他部分。例如，在一个假设的多微电网中，当 Microgrid1 在 (t = 1s) 发生临时相地故障，CB1 在约 80ms 后动作隔离故障微电网，200ms 后故障消除，1.3s 时断路器重新闭合使 Microgrid1 重新连接到 MVDC 网络。通过 MATLAB/SIMULINK 模拟可知，MVDC 线路起到了防火墙的作用，Microgrid2 的交流负载未感受到电压偏差或中断，故障影响被限制在故障微电网内，其他部分可正常运行。

3. 直流配电网络的电压等级

3.1 低压直流网络（LVDC）

近几十年来，许多商业和个人负载内部采用直流供电，通过整流器与低压交流（LVAC）网络接口。使用 LVDC 网络可简化这些负载的连接，提高网络效率和可靠性。电压低于 1kV 的网络为 LV 网络，将现有交流网络转换为直流电网时，可选择交流电网的最大值作为 LVDC 系统的标称电压。LVDC 电网还能为小型分布式电源（DG）提供更简单经济的接口，减少分布式转换器，采用集中式转换器，降低功率损耗成本，提供更灵活的电压控制。

3.2 中压直流网络（MVDC）

标称电压在 1kV 至 35kV 之间的电网为 MVDC 电网，推荐的额定电压有 1.5kV、3kV、6kV、12kV、18kV、24kV 或 30kV。MVDC 馈线额定功率从几千瓦到几兆瓦，适合集成相同功率范围的 DG。目前，MVDC 系统应用经验较少，主要是因为中压范围内缺乏有效经济的直流设备，但随着转换器技术的发展，其受到了更多关注。以下是 MVDC 系统的一些应用：
- 电气船舶和飞机 ：MVDC 系统能提供可靠电网，适用于对可靠性和电能质量要求较高的船舶和飞机负载。与交流系统相比，直流电网组件重量和尺寸更小，其主要电源可视为 DG，MVDC 电网已用于集成电气船舶和飞机的隔离发电机和负载。
- 直流集电网 ：可用于收集广域发电厂中可再生能源单元产生的电力。例如，海上风电场使用直流集电网可减少电缆尺寸和总损耗，增加输电距离，且所需转换器尺寸和重量更小；大型光伏电站中，由于光伏板产生直流电，直流集电网能以最少的功率转换阶段收集电力，降低损耗。
- 未来交直流混合电网 ：基于直流网络的优势，MVDC 和 LVDC 电网将成为未来配电网络的重要组成部分。交直流系统可构建混合配电网络，同时使用交流和直流电网，适合集成不同类型的 DG。连接直流和交流馈线的转换器可作为防火墙，减少不必要的停电，提高网络可靠性和电能质量。

3.3 电压等级总结表格

电压等级	电压范围	特点	应用场景
低压直流（LVDC）	低于 1kV	简化负载连接，提高效率和可靠性，减少转换器	商业和个人负载、小型 DG 连接
中压直流（MVDC）	1kV - 35kV	适合集成中等功率 DG，应用经验逐渐增加	电气船舶、飞机、可再生能源发电

3.4 多微电网连接与故障隔离流程图

graph LR
    A[故障发生（Microgrid1）] --> B[CB1 动作隔离故障]
    B --> C{故障是否消除}
    C -- 是 --> D[断路器重新闭合]
    C -- 否 --> B
    D --> E[Microgrid1 重新连接到 MVDC 网络]
    F[MVDC 线路] --> G[隔离故障影响]
    H[Microgrid2] --> G

4. 未来直流配电网络的实际问题

尽管直流网络有诸多优势，但在保护和控制方面的研究和经验有限，以下是一些主要问题：

4.1 保护问题

保护是直流网络实施的主要关注点，主要源于直流网络故障电流的特殊行为。由于直流线路阻抗低于交流线路，直流故障电流增长迅速，可能干扰传统过流继电器的协调。此外，交流断路器在故障电流波形过零点清除故障，而直流电流没有自然过零点，因此直流网络需要新型故障中断设备。主要研究课题包括故障条件下转换器的行为、直流故障电流的特性、故障检测和故障电流中断方法。

4.2 系统集成

直流配电网络需要像交流电力系统一样逐步发展，从简单初始阶段到理想形式。确定系统架构后，需明确网络运行的目标和主要功能，以及网络功能之间的可能交互。系统集成的任务是建立系统内部功能并确保最佳性能。

4.3 功率流控制

功率流控制能力是直流配电网络成功运行的主要挑战之一。在直流网络中，母线电压没有相角，传输线阻抗没有虚部，因此功率流控制的变量是电压和电流幅值。在点对点高压直流（HVDC）传输线路中，一个终端控制直流链路电压，另一个终端控制通过直流线路的电流（功率）。这种仅由一个换流站控制直流母线电压的控制理念可扩展到直流配电网络。然而，为提高网络性能、可靠性和出于安全原因，未来大型直流配电网络需要一种能够在中压直流（MVDC）电网的电压源换流器（VSC）站之间共享直流电压控制的功率流控制策略。

4.4 动态行为

在交流电网中，提供有功和无功功率的主要设备是同步电机，因此同步电机动态建模是评估交流电力系统动态行为的关键。在直流电网中，交换功率的主要组件是电力电子转换器。与同步电机相比，电力电子转换器响应更快，惯性更低。因此，电力电子转换器动态建模是评估多端直流电网动态行为的关键方面。然而，由于其开关行为，描述转换器运行的动态方程是不连续且难以求解的。为简化电力电子转换器的复杂性，可采用平均动态模型。使用平均模型的优点是在简化转换器分析的同时，仍能提供足够的细节来理解其动态和开发控制策略。

4.5 稳定性

直流网络中没有无功功率流和电流/电压频率分量，有功功率流取决于母线电压差。因此，直流电网的稳定性仅取决于母线电压，需要以不同于交流电力系统的方式进行分析。更重要的是，分析必须包括直流无源组件、电力电子转换器及其反馈控制器。

4.6 实际问题总结表格

问题类型	具体问题	影响	解决方向
保护问题	故障电流增长快、无自然过零点	干扰继电器协调，需新型中断设备	研究故障特性和中断方法
系统集成	逐步发展和功能协调	影响网络性能	明确目标和功能交互
功率流控制	电压和电流幅值控制	影响网络运行	开发共享电压控制策略
动态行为	转换器动态建模复杂	影响动态评估	采用平均动态模型
稳定性	仅取决于母线电压	需特殊分析方法	考虑无源组件和控制器

5. 直流配电网络的设计

5.1 直流网络的拓扑结构

与交流网络分为单相和三相网络类似，直流网络可采用不同拓扑结构，最常见的是单极和双极电网：
- 单极系统 ：包括两根导体，一根连接正/负极，另一根连接中性极。
- 双极系统 ：有两根分别连接正负极的导体，可能还包括一根中性线。正负极导体的绝对电压通常相同，正常运行时中性线电流可忽略不计。实际上，双极网络由两个三导体单极系统组成。

单极和双极网络均可用于将 DG 集成到直流电网中，例如双极网络可作为配电网络集成风力涡轮机，而光伏单元可连接到单极网络。将现有交流网络转换为直流电网时，交流系统使用的电缆芯数是选择单极或双极拓扑的重要因素。

5.2 直流电压等级的选择

将三相交流系统转换为双极直流网络时，直流电压的选择需根据现有电缆的规格和限制进行。对于用于三相交流系统且标称电压为 (V_{ac}) 的电缆，每根电缆芯的最大电压为：
[V_{ac,phase} = \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}} \times V_{ac}]
这是每个直流极的最大可能电压，因此双极网络的标称极间电压为：
[V_{dc} = 2 \times \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}} \times V_{ac}]
双极馈线传输的功率为：
[P_{dc} = V_{dc} \times I_{dc}]
导体的最大电流根据导体的热极限计算。假设导体中允许的最大功率损耗为 (P_{mloss})，当电缆连接到交流电压时，这些损耗为：
[P_{mloss} = 3 \times R_{ac} \times I_{ac}^2]
当电缆在双极网络中传输直流功率时，最大损耗为：
[P_{mloss} = 2 \times R_{dc} \times I_{dc}^2]
因此，交流和直流系统中允许的最大电流之比为：
[\frac{I_{dc}}{I_{ac}} = \frac{\sqrt{3 \times R_{ac}}}{\sqrt{2 \times R_{dc}}} \approx \sqrt{\frac{3}{2}}]
双极系统传输的功率可表示为：
[P_{dc} = 2 \times \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}} \times V_{ac} \times \frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}} I_{ac}]
而电缆连接到交流系统时的有功功率为：
[P_{ac,3\varphi} = \sqrt{3} V_{ac} \times I_{ac} \times \cos \varphi]

5.3 拓扑结构与电压选择流程

graph LR
    A[现有交流网络] --> B{选择拓扑结构}
    B -- 单极 --> C[确定单极参数]
    B -- 双极 --> D[计算双极电压]
    C --> E[连接负载和 DG]
    D --> F[计算功率和电流]
    E --> G[完成直流网络设计]
    F --> G

6. 总结

直流配电网络在降低损耗、提高效率、连接微电网、集成分布式电源等方面具有显著优势。低压直流网络适用于商业和个人负载，中压直流网络在船舶、飞机和可再生能源发电等领域有广泛应用前景。然而，直流网络在保护、系统集成、功率流控制、动态行为和稳定性等方面仍面临挑战，需要进一步研究和开发解决方案。在设计直流配电网络时，拓扑结构和电压等级的选择至关重要，需根据现有交流网络的情况进行合理规划。随着技术的不断发展，直流配电网络有望在未来的电力系统中发挥重要作用。