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为实现分布式直流电源的高效利用,基于分布式光伏、电动汽车等新能源的直流输出特性,直接向直流负载供电,构建局部的直流供电系统是一种行之有效的方法,可有效降低新能源的交直流变换损耗,提高利用效率。文章以分布式新能源、储能和直流负载构成的低压直流供电系统为对象,分析了直流供电系统的典型模式,结合江苏电科院直流试验系统和南京城市电网直流供电示范工程,分析直流供电系统与现有交流系统的融合方案,能够为未来大规模分布式新能源直流供电系统的推广应用提供参考。
0.引言
长期以来直流供电方式只有在一些特殊的场合采用,如通信数据中心、轨道交通、工业生产线二次系统等,但近年来国外相关机构已经对直流配电网进行了探索性的研究和开发,并取得了一些突破性成果。
国际大电网会议(CIGRE)早先已成立DC-GRID工作组,开展直流电网的可行性研究,其研究内容包括LCC与VSC技术的比较、直流电网与交流电网的经济性比较、直流电网的拓扑结构、直流电网安全可靠性准则的研究等多项直流电网的关键技术。
在美国,北卡罗来纳大学在2003年就以DC舰船配电系统为例探讨了直流配电应用于工业系统时的机遇和挑战。美国弗吉尼亚理工大学CPES中心于2007年提出了SBI研究计划并发展为SBN,其典型结构采用分层式母线结构的直流配电网供电模式。美国北卡罗来纳大学于2011年提出了FREEDM系统结构,用于构建未来自动灵活的配电网络。
在欧洲,意大利的米兰理工大学在2004年提出了基于分布式电源的直流配电系统结构,与大阪大学提出的双极结构类似。罗马尼亚的布加勒斯特理工大学在2007年提出了一种带有交替供电电源的双母线直流配电系统结构。
在日本,东京工业大学等机构在2004年就提出了基于直流微电网的配电系统构想,并实现了一套10kW直流配电系统样机。
目前国内对直流供电技术的研究主要集中在相关装置上,对直流供电模式的研究尚处于起步阶段。2011年中国国家电网公司启动“直流配电方式的可行性研究”,但在国内目前尚未见分布式新能源直流供电系统在实际电网中的示范应用。本文重点分析直流供电系统模式在分布式新能源接入方面的适应性,给出实用的直流供电系统典型模式,给出满足直流与现有交流供电系统的融合与过渡方案,并结合江苏直流供电系统实例,分析直流供电系统在工程应用中的优点及值得注意的关键点,为未来直流供电系统的发展提供参考。
1.直流供电系统的优势分析
随着大量分布式光伏等直流电源的接入,当前广泛应用的交流配电网难以实现直接接入,需要借助交直流变换环节实现并网;同时,绝大部分的负载本身是直流负载,采用交流系统供电时需要增加整流电路将电网中的交流电变换为直流电方能正常工作。而直流系统可以实现分布式直流电源的灵活接入,并直接向直流负载供电,减少电能变换环节,提升能源利用效率。与交流系统相比,直流系统主要有如下优势:
1)直流供电线路成本低。双极直流线路的传输功率与三相交流线路(功率因数为0.9)大致相等,因此与交流配电的三相四线制相比,直流配电仅需2条线路,同样输送容量下直流线路建造费用及走廊宽度约为交流的2/3;此外,在交直流电压有效值相同时,交流电压的峰值比直流电压峰值大,对电缆的绝缘要求更高,因此直流系统电缆投资更低。
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