中压直流配电网
应用场景与系统设计
韩民晓1,谢文强1,曹文远1,张伟2,杨景刚3（1.华北电力大学电气与电子工程学院,北京市;2.中国电力科学研究院有限公司,北京市;3.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,江苏省南京市）
摘要：目前，中压直流配电网的应用场景、基本特性及其系统设计还缺乏系统性论述。首先，从供电能力、互联作用、相互支撑、短路电流抑制作用等系统特性方面论述了中压直流配电网的应用场景、特点及优势。然后，从工程实现的角度论述了中压直流配电网设计的关键技术，涵盖电压水平的确定、网架设计、接线方式、接地方式的选择等关键技术。最后，指出了中压直流配电系统发展与应用还应考虑的问题。
关键词:中压直流配电网；供电能力；互联；短路电流抑制；系统设计0引言
直流配电网指采用直流形式通过必要的换流设备连接分布式电源、储能、用电负荷及交流主网,结合监控设备构成的系统[1-2]。直流配电网可以是单电压层级电网实现电能的供与用,也可以是多电压层级电网实现电能的输送、分配及供用。直流配电网可以运行在并网模式(与交流主网有功率交换)与孤岛模式(与交流主网无功率交换)。早期配电系统被设计为直流系统,但由于当时直流配电电压水平低、输送容量小、输送距离短以及变换困难等因素导致直流配电技术停滞不前。交流变压器等一系列交流设备的发明使交流系统得到大规模发展,奠定了当今世界电力系统的格局。然而,随着电能产生、输配及利用形态的变化,传统交流配电系统存在的许多固有缺陷也不断暴露出来,一方面,传统的交流分区供电无法实现合环运行、无法满足高密度负荷区域对供电能力的需求、传统交流系统在提升供电能力的同时造成短路电流超标。另一方面,随着直流形式的分布式电源迅速发展、直流用电负荷比例的增高、储能装置使用的增多及敏感负荷对供电质量要求的提高,交流形式无论是效率、可靠性或电能质量都已不再具有绝对优势[2]。在这种大背景下,采用直流方式系统组织电源、储能、负荷及监控装置构成的直流配电网又一次走入人们的视野。与电力技术发展的初期不同,随着电力电子技术的进步,电力变换技术已经发生了质的飞跃:DC/DC,DC/AC,直流开断等直流系统必需的设备已经具有较高的技术经济性能[3-4]。直流配电网已成为未来能源互联网电力配用的一种重要形式[4]。直流配电网的应用场景与配电网的电压层级和容量水平密切相关。较低电压的直流配电网系统(典型电压为V或±V及以下)直接实现分布式电源、储能及直流负荷的接入,其在效率、可靠性及电能质量方面的优势较为清晰,已经得到普遍认可,且得到快速发展[5-10]。相对而言,中压直流配电网(电压大于1.5kV,小于±kV)研究与应用还处于起始阶段。德国亚琛大学中压直流示范项目[5,11]实现分布式电源的汇集与直流负荷的供电,提出了“CityofTomorrow”城市供电方案,采用±5kV直流环网作为城市配电系统的骨干网,通过大功率AC/DC和DC/DC与交流电源、分布式发电及负荷互联。英国的电网技术研发中心建立了包括直流11kV和直流V的互联网络,可配置为城市、混合(城市/农村)和(或)农村网络,具有模拟长达60km的11kV配电线路的能力,该网络可以并网运行,也可以通过带有变速驱动器的电动发电机作为孤岛系统。加拿大拟通过构建±50kV/10A的直流系统,解决偏远地区分散负荷的供电。国内广东珠海唐家湾多端交直流混合柔性配网互联工程实现了包括中压层面的直流配电系统[4,11]。目前,基于直流配用电系统发展的需求,中国国家科技部立项支持了多电压等级直流配用电项目的研发,该项目的示范应用正在苏州电网规划实施,其中包括采用中压直流实现较大区域电源与负荷的配置。为对中压直流技术的发展与应用有一个前瞻性认识并给出指导性意见,国内外许多国际学术组织成立了专门的研究小组开展专题研究。国际大电网会议(CIGRE)的SC6.31就是针对中压直流配电网发展的可行性开展了系统性研究。直流配电技术的发展涉及应用场景、规划设计、设备研发、运行控制各个方面[10-12]。基于不同应用场景的直流配用电系统特性分析及供用电模式设计是推进这项工作的重要基础,尤其在中压直流配电领域,目前仍处于探索和探讨阶段。在探讨可发挥中压直流配电网优势的应用场景的基础上,分析了支持这些应用场景的特性。从电压选择、网架结构、接线方式、接地方式等方面探讨了系统设计相关的核心问题,最后进行了总结,并指出其他需要考虑的问题。
1中压直流配电网应用场景
直流系统依据电压水平的高低,其应用场景有很大差别。电压大于±kV的直流系统为高压直流。高压直流的应用场景主要为大容量、远距离输电及区域电网异步互联;电压低于±V的系统为低压直流配电网或直流微电网,其应用场景为小容量分布式电源的接入、低压用户负荷供电。虽然位于电压序列两端的应用场景已经比较清晰,但位于中间地带的中压直流的应用场景目前还在不断探索当中。结合国家重点研发项目的开展,中压直流配电可望在下述4种场景中获得应用。1)不同交流配电区域的互联,实现功率融通与相互支撑目前交流配电网不同区域采用闭环设计、开环运行方式,无法实现不同电源的互联,很大程度上限制了供电的可靠性和灵活性。通过直流方式实现互联,就可有效解决上述问题。直流互联实现不同性质电源的互联,不要求不同区域交流电源在相位、频率、幅值上的一致性。通过互联可实现正常运行情况下负荷的转供,充分利用不同电源的供电能力。通过互联可实现故障情况下的敏感负荷的连续供电,互为备用,提升供电可靠性。互联通常是通过换流器实现的,换流器在有功功率未满额的情况下,可为交流系统提供无功支撑,改善配电网的电压水平。2)较大区域与出力水平的可再生能源电力的汇集与消纳可再生能源发电并网场景中,由于区域分散、功率波动性强,需要支撑电源并网,因此基于电压源型换流器(VSC)技术采用中压直流(多端直流)方式成为具有一定优势的选择。在配电网供电能力分析中,负荷矩是一个有效的概念[9],广泛用于负荷区域的功率水平与供电距离的计算。这一方法也可用于可再生能源电力汇集的计算。负荷矩分析表明[9,11],采用直流方式汇集可再生能源电力时,当汇集半径超过5km,汇集容量为10MW时,为保证合理的电压质量和经济性,就应采用中压水平的直流系统。3)高密度、窄通道负荷区域的供电容量的提升目前大型都市负荷、高密度工业负荷电力供应与走廊的矛盾愈加突出。新增走廊越来越困难。后续直流配电能力分析表明,直流线路的供电能力约为交流的1.6倍,为高密度、窄通道负荷区域的供电容量的提升提供了有效的解决方案。4)交流配电系统短路超标问题的解决随着交流配电网电源容量的增大和负荷密度的提升,越来越多的地区出现短路电流超标的情况,有些地区的短路电流水平已超过目前典型配电网系统采用的断路器遮断容量,给配电网安全运行带来很大挑战。如果采用直流供电,通过逆变器接入交流电网的方式,短路电流就可得到控制。这是因为,逆变器具有一定的故障穿越能力和故障保护能力。当交流配电网电压小幅下降时(故障穿越能力之内),逆变器通过输出电压跟踪调节,把输出电流控制在额定值水平附近;交流侧电压大幅下降时,逆变器闭锁,停止输出电流。以上2种情景对短路电流的贡献均很小。
2中压直流配电网特性分析
直流配电网在可靠性[13-15]、损耗[16-20]、电能质量[21-22]等方面有其自身的特点。这些特点和优势不因电压水平不同而有本质差异。这些内容在以往的研究报告或综述性文献里已做了较为充分的论述。这里,重点针对上述中压直流配电网应用场景相关联的特性给出分析论证。2.1交直流配电网的供电能力对比当供电距离较小时,由于线路载流量的约束,电压损耗不会成为供电能力的制约因素,此时供电能力可以通过供电容量表示,且供电容量由线路最大载流量直接决定。当配电网的供电距离超过某一范围时,对电压损耗的要求开始约束配电网的供电能力,此时供电能力可用负荷矩[23-24]表示。以供电可靠性较高的双极接线方式为例,分别从供电容量和负荷矩角度对交直流配电方式的供电能力进行对比分析,阐述直流系统在节省电力走廊上的优越性。2.1.1供电容量直流配电方式与交流配电方式的供电容量之比如式(1)所示。式中:PAC和PDC分别为交流线路和直流线路输送功率;UAC和IAC分别为交流额定线电压和线电流;UDC为直流单极对地电压(直流额定电压);IDC为直流额定电流;cosφ为功率因数。假设交直流所用线路相同,即线路的绝缘水平一致,在不考虑交流的集肤效应和交直流系统操作过电压的区别时,有取cosφ=0.9,则由式(1)可计算得到直流配电系统与交流配电系统的供电容量之比为1.05[1,25-26]。事实上,直流系统的操作过电压明显低于交流系统的操作过电压,文献[27]考虑交直流线路的过电压水平,确定交直流额定电压的关系为UDC=1.25UAC,此时交、直流系统供电容量之比为:式(2)表明,直流配电方式的供电容量大于交流配电方式的供电容量。工程中,考虑交流电流的集肤效应,即交流电阻大于直流电阻,线路的热稳定约束使得IACIDC,直流配电方式在供电能力上的优势更为明显。2.1.2负荷矩对于交流系统,线路上的电压损耗率为[27]:式中:βAC为交流电压损耗率;rAC为线路单位长度交流电阻;x为线路单位长度电抗;lAC为交流供电半径。由式(3)可得交流线路的负荷矩为:直流线路的电压损耗率为[27]:式中:βDC为交流电压损耗率;rDC为线路单位长度直流电阻;lDC为直流供电半径。由式(5)可得直流线路的负荷矩为:由式(4)和式(6)可得交、直流系统的负荷矩之比为:以常见的单芯中压电缆YJV-为例,对交、直流配电网的负荷矩进行比较。对于YJV-,单位长度直流电阻rDC=0.Ω/km,单位长度交流电阻rAC=0.Ω/km,单位长度电抗x=0.Ω/km。选择交、直流配电系统的电压损耗率均为7%[28],当取考虑操作过电压水平,取UDC=1.25UAC时,有由式(8)与式(9)可知,直流配电方式的负荷矩明显大于交流配电方式的负荷矩,即采用直流配电方式可有效增大配电网的供电容量和供电半径。2.2直流配电网对交流配电网的互联作用中国城市配电网主要以高压分区、中压开环的方式运行,现有交流配电网存在以下弊端:①各分区间负荷分配不均。由于配电网各分区的负荷—时间分布特性存在差异,导致开环运行的配电网并不能按照各分区容量灵活分配各分区所带负荷,从而可能出现某一分区的变压器过载、另一分区变压器轻载的现象;②无功补偿不足。传统无功补偿设备在系统电压下降时,其无功出力反而减小,从而存在电压崩溃的危险,所以无功动态补偿也是配电网所面临的一个关键问题;③供电可靠性低。虽然闭环设计方式可以避免配电网长时间、大规模的停电,但故障隔离和故障恢复的倒闸操作还是会造成短时停电,降低供电可靠性;④系统短路电流大。配电网在负荷容量增加的时候,将导致短路电流水平的提升,进而可能出现断路器开断能力不足的问题。城市配电网各分区通过直流配电网进行互联可以有效缓解上述问题,下面将针对上述4个问题分析直流配电网对交流配电网的互联作用。城市交流配电网通过直流配电网互联的典型结构见图1。图1城市交直流配电网互联的典型结构
Fig.1TypicalstructureofurbanAC/DCinterconnecteddistributionnetwork
2.2.1对交流配电网的功率融通作用对于图1所示配电系统,可根据系统有功调度,通过直流配电网实现交流配电网分区间的有功融通,对负载率过高的分区,利用另一分区承担部分功率,从而优化交流配电网的运行,即令式中:P*1和P*2分别为换流器1和换流器2的传输有功功率指令值,正方向为功率注入交流配电网;P1和P2分别为母线1和母线2的有功功率,通过采集母线上的电压与电流信息计算得到;n为有功融通后期望得到的分区1与分区2有功功率之比。2.2.2对交流配电网的电压支撑作用直流配电网可对交流配电网起到静止无功补偿器(STATCOM)的作用,通过将各分区母线的无功功率控制为0,实现直流配电网对交流配电网的电压支撑作用。由于换流器发出的无功功率并不依赖于交流母线电压,所以即使在交流电压下降的情况下,直流配电网也可以通过对换流器的控制动态补偿交流母线的无功功率,从而维持交流电压的稳定。2.2.3提高对重要负荷的供电可靠性当交流配电网母线出现供电故障时,由于电力电子设备的快速可控性,相应的换流器可以由P-Q控制快速转变为V-f控制以给交流电网的重要负荷供电,从而实现对重要负荷的持续供电,提高了供电可靠性。换流器协调控制的流程图如图2所示,其中V-f控制一般为双闭环控制,包括电压外环和电流内环控制。需要指出的是,即使是在母线1、母线2同时出现供电故障的情况下,也可通过储能维持直流母线的电压稳定,进而利用直流配电网对交流配电网的重要负荷进行供电。图2换流器协调控制流程图
Fig.2Flowchartofcoordinativecontrolforconverter
2.2.4对交流系统短路电流的抑制作用传统交流配电网中,为满足某个区域电力负荷增加的需求,可以通过扩大原变电站容量或增设新的变电站以提高供电能力,但这可能导致该区域短路电流超标,断路器选择困难。如果部分采用直流方式通过逆变器对原有配电网进行扩容,则由于逆变器的电流控制作用,不会显著增大短路电流,利于交流系统短路电流的控制。例如,图1中的交流母线2发生短路故障。换流器2可以依据电压降落的程度实施低电压穿越控制。这一控制的基本原则是控制流入交流系统的电流。即使极端情况下,低电压幅度与时间超过限值,电流达到其额定电流的1.5~2倍时,电力电子器件(如绝缘栅双极型晶体管(IGBT))将会闭锁,因此直流配电系统的接入不会大幅增加交流系统的短路电流。对比交流配电网分区间通过直流配电网互联以及直接通过联络开关交流互联,研究表明:采用直流配电网互联不会增加系统的短路电流,而通过联络开关交流互联则会增加30%左右的短路电流[29]。这表明直流配电可以在解决交流系统短路电流大、断路器选择困难问题中发挥重要作用。
3中压直流配电网系统设计
中压直流配电系统的实现与运行包括系统设计、设备研发、控制与保护、集成与运行等各个环节。每个环节都面临自身的问题和挑战。已有一些文献对其中的部分问题进行了分析和描述[5,9-11]。在此,重点针对中压直流配电系统的系统设计面临的主要问题和关键技术进行分析和描述。3.1电压序列的选取与电压偏差的确定3.1.1电压等级序列的选取直流配电网电压等级的确定是配电网设计的首要任务[30]。电压的确定应重点考虑供电能力、电源汇集需求、相关标准等因素1)负荷距足够的供电能力是保证负荷可靠用电的前提。某一电压等级的供电能力可用负荷距量化表示。负荷距是指在满足线路末端电压要求的前提下,将单位功率输送的最远距离,也可换算成一定距离能够输送的最大功率。直流配电系统负荷距计算时须综合考虑电压等级、导线类型、环境温度等方面因素[9,31-34]。参考国家标准GB/T—,采用±10kV,导线截面面积为mm2,压降为10%时,负荷矩为MW·km。表明该电压等级可将10MW功率输送至10km范围。2)电源接入需求光伏是应用最为广泛的以直流形式输出的直流电源,集中式光伏组件经过汇流后通过汇流箱接入逆变器输入端,经逆变器逆变后通过隔离变压器并入交流电网,其输入电压等级受最大功率点跟踪(MPPT)影响,一般介于~0V之间。直驱风力发电机变流器为AC/DC/AC结构,目前受功率器件耐压限制,直流母线电压一般为1.1kV左右。这些可再生能源电力汇集的能力也可用前述负荷矩来等效描述。电压水平及偏差允许的水平决定了能够汇集的电源的功率水平及区域大小。汇集采用的变流设备可以是大变比DC/DC换流器,也可采用交流作为中间环节以充分利用目前相对成熟的换流技术。3)标准参考中压直流电压的标准化对系统设计、设备研发、工程实施至关重要。国际电工委员会(IEC)、电气和电子工程师协会(IEEE)、CIGRE等国际组织或机构基本明确了以1.5kV(±0.75kV)作为低压直流与中压直流的分界电压,但并未明确优选的具体电压等级[35]。中国相关科研院所、高等院校对直流配电电压标准也进行了积极的研究与探索,目前已经形成国家标准《中低压直流配电电压导则》(GB/T—)[36]和团体标准《直流配电电压》(T/CEC—)[37],其中GB/T—给出了中、低压直流的电压等级范围、电压等级序列、优选值和备选值,并对各电压等级对应的供电范围和电压偏差进行了规范,是国内第1个关于中低压直流配电电压的国家标准。其中将3kV(±1.5kV)~±50kV划定为中压范围,推荐±35kV/±10kV/±3kV/3kV(±1.5kV)为优选序列。但是,上述关于电压序列的研究仍然多停留在理论分析和示范应用层面,且并没有形成国内外统一的标准。电压水平的优选和确定还会随着工程应用的推广进一步完善和明确。3.1.2电压偏差限值的确定与电压水平选择密切相关的一个重要指标为直流电压偏差限值的确定。直流电压偏差是电能质量的一项重要指标,其实质是因电流流经传输网,在其内电阻上产生的压降所致。电压偏差限值的确定主要与电能传输的导线线径、供电距离、潮流分布及其容量、负荷用电特性等因素有关。由第1,2章分析可知,直流系统应用场景及功能类型多样,因此在电压偏差确定时应满足以下要求:①系统正常运行时电磁兼容特性的要求;②电力负荷正常工作特性的要求;③新能源的可靠并网的要求;④与交流电网并网能力的要求。从负荷矩的分析不难看出,电压偏差的选择直接影响该电压水平下的负荷距,因此,在保证配电网内各单元有效连接、负荷可靠用电的前提下,应尽量扩大电压偏差。文献[28]参考《电能质量供电电压偏差》给出了包括中压电压水平的直流配电网的电压偏差限值建议值。总体而言,由于直流系统通过控制特性好的换流设备与电压、负荷相连,直流电压偏差的允许值可以适度放宽。3.2网架结构选择国外对直流配电网架构的研究始于年,其雏形是由日本学者提出的基于直流微电网的分布式发电系统[38]。文献[39]提出了四级分层交直流混合配电网,文献[40]提出了用于接纳和管理新能源的FREEDM交直流混合配电网,英国、瑞士和意大利等欧洲学者提出了与FREEDM结构和功能类似的UNIFLEX-PM系统[41]。中国学者从配电网的特征出发,提出了直流配电网的基本拓扑结构,包括放射状、两端供电、环状以及网状等[42-43]。此外,国家电网有限公司及中国电力企业联合会根据现有研究成果,组织各方面专家完成了企业标准《交直流混合配电网规划设计指导原则》(Q/GDW—)[44]及团体标准《直流配电网与交流配电网互联技术要求》(T/CEC—)[45]等,给出了不同应用场景下直流配电网的典型电网结构,对工程建设中电网结构的选择具有借鉴意义。中压直流配电网的发展仍然处于起始阶段,其骨干网架目前可推荐辐射状及环状结构,见图3。图3不同网架结构
Fig.3Differentgridstructures
1)单端辐射状结构如图3(a)所示,该拓扑具有一个电源端,采用单路辐射出线形式,具备结构简单、建设经济、扩展性强、升级改造灵活等特点,该拓扑不满足N-1可靠性的要求。适用于一般直流负载集中区,如居民住宅区、电动汽车充电站和功率较大的储能电站等场所,直流配电系统的建设初期和过渡期宜采用该网架结构。2)单端环状结构如图3(b)所示,该拓扑具有一个电源端,采用单路环形供电路径,具备供电范围大、供电可靠性高等特点,任何一侧线路故障时其他线路能够持续为负荷供电,负荷可从不同路径获取电能或电网、分布式电源和储能向不同路径输出电能,该拓扑满足N-1可靠性的要求。适用于多个分布式电源接入、大型居民住宅区等对供电可靠性要求较高的场所。可根据用户需求及运行工况灵活选择开环或闭环运行方式。3)多端辐射状结构如图3(c)所示,该拓扑具有2个及以上电源并列运行,采用单路辐射出线形式,具备供电范围大、供电可靠性较高的特点,任何一端电源故障时其他电源端能够满足全部负荷供电需求,负荷可从不同路径获取电能或电网、分布式电源和储能向不同路径输出电能,该拓扑满足N-1可靠性的要求。适用于多点高密度分布式电源接入及对供电可靠性要求较高的场所,直流配电系统建设的发展期宜采用该网架结构。可根据用户的用电需求确定电源端点数量和位置,对于多个可选的电源端点应进行技术经济性比较后再确定。4)多端环状结构如图3(d)所示,该拓扑具有2个及以上电源并列运行,采用单路环形供电路径,具备供电范围广、供电能力强、供电可靠性高等特点,任何一侧线路故障时其他侧线路能够持续为负荷供电,且任何一端电源故障时其他电源端能够满足全部负荷供电需求,负荷可从不同路径获取电能或电网、分布式电源和储能向不同路径输出电能,该拓扑满足N-1可靠性的要求。网架结构的选择会影响系统潮流分布、设备选型、保护配置、可靠性、系统控制等诸多方面,目前未有系统的评估方法评价特定场景下电网结构选择的优劣,更没有足够的工程样本进行验证。3.3接线方式的选择中压直流系统接线及接地方式的选择主要考虑系统的运行性能。目前,关于直流中压配电系统换流器接线及接地方式的论述较多[12,46],其结构形式主要分为3种,即非对称单极结构、对称单极结构(伪双极)和双极结构(真双极),如图4所示。图4直流配电系统换流器接线方式
Fig.4WiringmodesofinvertersforDCpowerdistributionsystem
非对称单极结构需要专门构建回流线路,在电力系统中很少使用,主要用于地铁直流牵引供电系统中。伪双极结构与非对称单极结构在VSC配置方式上是相同的,不同之处仅在于接地点位置的不同,其换流器投资及相应的控制、保护系统投资均较真双极小,但绝缘投资较真双极大,比较适合于大多数直流配电应用场景;其发生故障时无法保证单极运行,可靠性较真双极结构差,限制了其在高供电可靠性需求场景下的应用。真双极结构在故障工况下正、负极换流器可单独运行,可靠性高,但其需要分别建设正、负极换流器及相应的控制、保护系统而使得工程造价高,在配电领域仅考虑应用于对可靠性要求极高的场合。综上分析,可供中压直流配电网选择的接线方式类型有限,且无法兼顾可靠性与经济性,如何在特定的应用场景下选择最适合的接线方式是工程设计时不可回避的问题,需要科学的评估方法作为支撑。3.4接地方式的选择直流配用电系统接地方式包含中压配电网接地和低压用电侧的接地,两者侧重点不一样,中压层面接地方式的选取主要为了提高系统运行性能,而低压用电侧接地方式的选取主要保障人身安全。本文主要考虑中压层面接地方式的选择。1)非对称/对称单极接线中国中压交流配电网的接地方式主要有中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经小电阻接地3种,前2种属于非有效接地系统,第3种属于有效接地系统。依据交流系统的接线情况,中压直流系统的接地选择如图5所示。图5交直流互联系统典型接地方式
Fig.5TypicalgroundingmodesofAC/DCinterconnectedsystem
对于图5(a)和(b),交流侧不接地,直流侧采用钳位电阻Rd接地或钳位电容经电阻Rc接地的区别主要是:①当发生单极故障时,电容接地方式会形成电容的放电回路,是构成故障初期短路电流的主要成分;②当发生单极接地故障时,由于故障极放电回路阻抗小于健全极,造成正负极电容放电回路不一致,引起极间电圧下降;③故障切除后,由于交流侧不接地,正负极电容缺少充放电回路,正负极不平衡电压不能恢复。因此,钳位电阻接地相对于钳位电容接地,其优势主要有:①故障初期,能够限制短路电流(不会有电容的放电电流);②故障期间,故障极电压为0,健全极电压升高为原来的2倍,极间电圧能够维持稳定;③故障消除后,恢复速度更快。对于交流侧不接地系统,推荐采用直流侧经钳位电阻接地的接地方式。当交流侧经Rt接地时,直流侧对应有3种接地方式,对于图5(d),其缺点主要有:①当发生单极故障时,电容接地方式会形成电容的放电回路,增加故障电流,给直流断路器的开断能力带来挑战;②当发生单极接地故障时,由于故障极放电回路阻抗小于健全极,造成故障极和健全极电容充放电回路不一致,引起极间电压波动;③故障切除后,由于交流侧接地,正负极不平衡电压需要较长时间恢复,因此,该种接地方式应首先予以排除。对于图5(c)和(e),其主要优势为:①故障初期,没有钳位电容放电电流;②故障期间,故障极电压为0,健全极电压升高为原来的2倍,极间电圧能够维持稳定;③故障消除后,正负极电压可以迅速恢复,此2种接地方式对于限制短路电流和保证故障的快速有效恢复均具有明显优势。但考虑到经钳位电阻接地在正常运行过程中会产生额外的有功损耗,所以在考虑交流侧已接地的情况下,直流侧不接地较优。因此,对于交流侧接地系统,推荐采用直流侧不接地的接地方式。2)真双极接线对于真双极接线形式的中压直流配电系统,为满足真双极系统具备单极运行的能力,如图6所示,接地方式一般采用金属回线单端接地或不带金属线双端接地的形式。图6真双极系统的典型接地方式
Fig.6Typicalgroundingmodesoftruebipolarsystem其中,金属回线单端接地方式接地点仅提供参考电位的作用,正常运行时,金属回线中有双极不平衡电流,单极运行期间,单极极线电流通过金属回线返回,由于需要专门架设金属回线,增加了投资和占地面积;而不带金属回线双端接地形式虽然减少了投资,但是接地极的设置应非常谨慎,需要远离变电站,并评估不平衡电流对沿线设备的影响,该种接地方式不适合长期运行,仅用于双极系统切换运行方式时的临时接地方式。因此,对于真双极接线的中压直流配电系统,推荐采用金属回线单端接地的接地方式。
4结语
本文结合中压直流配用电技术发展的需求,从应用场景、基本特性、应用模式等方面进行了分析和论述,探讨了与中压直流配用电系统设计相关的主要问题。1)本文明确了能够发挥中压直流配用电优势的应用场景。主要包括供电能力的提升、较大范围可再生能源电力的汇集、交流配电网的互联及交流配电网短路电流水平的降低等。2)在对比分析交流线路与直流线路供电能力的基础上,通过负荷矩分析,说明了电压水平与电压偏差水平对直流供电能力的影响。3)系统设计方面,对比分析了单端/多端辐射状及环状结构,明确了各种网架结构的优缺点,给出了其适用范围。此外,分析了对称/非对称单极接线、真双极接线的优缺点,并基于此分析了不同接线方式搭配不同接地方式的电路特性,明确了各种组合方式下的优缺点,可为不同示范工程的差异化需求提供参考。中压直流配电网因其诸多优点可望成为一种解决电源汇集与城市配电难题的有效方案。但中压直流系统的广泛应用应在以下几方面进行深入研究。1)中压直流系统的规划设计与运行控制虽然可以借鉴高压直流系统[47-48]和低压直流系统[49-50]的一些方法,但由于应用场景不同,设备构成不同,运行目标不同,须进一步探讨适于中压直流的规划设计与运行方法。2)直流系统中换流器特性决定了直流短路故障电流[51-52]幅值大、传播快、清除困难。这些问题一方面对短路故障清除措施提出了挑战,另一方面对网架结构、接线方式及接地方式的选择也提出了很高的要求。应结合中压直流电网故障清除能力的不断提升确定合理的设计方案。3)中压直流配电系统还需要解决设备研发、控制保护、工程实施等一系列技术问题[5,11],才能得到大范围推广应用。除技术性能之外,作为解决配电网问题的一种方式,中压直流系统必须具备一定的经济性和能效方面的优势,才能真正获得广泛应用。
参考文献：
[1]江道灼,郑欢.直流配电网研究现状与展望[J].电力系统自动化,,36(8):98-.[2]宋强,赵彪,刘文华,等.智能直流配电网研究综述[J].中国电机工程学报,,33(25):9-19.[3]李霞林,郭力,王成山,等.直流微电网关键技术研究综述[J].中国电机工程学报,,36(1):2-17.[4]严胜,罗湘,贺之渊.直流电网核心装备及关键技术展望[J].电力系统自动化,,43(3):-.DOI:10.0/AEPS0506.[5]曾嵘,赵宇明,赵彪,等.直流配用电关键技术研究与应用展望[J].中国电机工程学报,,38(23):-.[6]韩民晓,王皓界.直流微电网———未来供用电领域的重要模式[J].电气工程学报,,10(5):1-9.[7]HUANGAQ,CROWML,HEYDTGT,etal.Thefuturerenewableelectricenergydeliveryandmanagement(FREEDM)system:theenergyinternet[J].ProceedingsoftheIEEE,,99(1):-.[8]王丹,柳依然,梁翔,等.直流配电网电压等级序列研究[J].电力系统自动化,,39(9):19-25.[9]盛万兴,李蕊,李跃,等.直流配电电压等级序列与典型网络架构初探[J].中国电机工程学报,,36(13):-.[10]姜世公,吴志力,李红军,等.直流配电电压等级及负荷距分析[J].电力建设,,38(6):59-65.[11]熊雄,季宇,李蕊,等.直流配用电系统关键技术及应用示范综述[J].中国电机工程学报,,38(23):-.[12]马钊,焦在滨,李蕊.直流配电网络架构与关键技术[J].电网技术,,41(10):-.[13]刘伟波.含光伏电源的交直流配电网可靠性分析[D].长春:东北电力大学,.[14]赵伟芳.含分布式电源的直流配电网可靠性评估[D].重庆:重庆大学,.[15]曾嘉思,徐习东,赵宇明.交直流配电网可靠性对比[J].电网技术,,38(9):-.[16]WANGF,PEIYQ,BOROYEVICHD,etal.ACvs.DCdistributionforoff-shorepowerdelivery[C]//34thAnnualConferenceofIEEEIndustrialElectronics,November10-13,,Orlando,USA.[17]赵帝舒,王芳泽,万玲玉,等.基于偏振拉曼散射光谱的4H-SiC晶体各向异性特性研究[J].光散射学报,,30(2):-.[18]周林,李寒江,解宝,等.SiCMOSFET的Saber建模及其在光伏并网逆变器中的应用和分析[J/OL].电工技术学报[-02-24].