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由于大规模、远距离输配电技术发展的推动,世界上绝大部分电力采用交流输/配电作为主流的传输模式。但近年来随着电力电子技术的发展,直流配电或用电设备越来越普遍。传统配电网主要采用交流配电模式,直流配用电设备必须采用DC/AC换流器或AC/DC整流器。直流配电系统可以简化现有配用电设备中大量的交直流变换环节,减少能源在传输过程中的损耗,提高能源利用效率。绝大多数的新能源发电和负载都是直流设备,电网很容易采用直流供电方式,当前采用交流供电,因此有必要探索直流供电方式。
由于电力技术发展主流方向已经形成,目前世界上尚没有大规模、商业化的直流公共配电网的应用实例。直流配电技术要想在电力系统中得到广泛应用,还有很长的路要走,交直流混合配电更有可能成为可行的过渡技术模式。
南京供电公司在“十二五”期间,通过开展 “一流配电网”的规划建设,开展了主动配电网规划等方面的研究。在此基础上,又开展了交直流微电网的研究和示范应用,对南京地区交直流混供模式的探索有开创性意义。
1交直流混供模式的发展现状
据了解,荷兰能源研究中心(ECN)于1997年系统地提出在住宅中采用直流配电技术的实施方案,国际能源机构(IEA)对此予以肯定。
瑞典兰德大学研究了直流配电系统的电压控制和功率分配,研究的对象为五端环形电网,探讨了直流配电网的特征。欧洲已经出现了采用直流300V供电的体育场试验项目、采用直流350V住宅供电试验项目以及其他一系列直流供电技术验证项目,侧重于直流微电网的研究。
日本政府有关部门以及日本新能源与产业技术开发机构(NEDO)等组织了多家日本企业和大学,开展住宅直流配电技术的研发工作。
2007年,美国弗吉尼亚理工大学CPES中心提出了“Sustainable Building Initiative (SBI)”研究计划,主要为未来住宅和楼宇提供电力。随着研究的深入,CPES于2010将SBI发展为SBN (Sustainable Building and Nanogrids),其典型结构中具有两个电压等级的直流母线DC 380V和DC 48V,分别给不同等级的负载供电。在SBN研究的基础上,结合高压直流输电的发展,CPES还提出了交直流配电分层连接的混合配电系统结构。在该结构中,交流配电网和直流配电网是同时存在的,系统根据电压等级从低到高依次分为皮网、纳网、微网、子网,这些网络系统均通过电力电子变换器与上层配电母线连接,由此采用分层的结构组成了一个交直流混合的配电网络。
目前,国内对于直流配电网的研究仍处于起步阶段,交直流活配电技术从规划设计、调度运行、控制与保护、关键设备、经济分析等方面还有大量问题需研究。许多关于交直流配电技术的研究成果并没有得到实践的检验,还需要不断完善。借鉴国外经验开展相关试验项目,探索适合中国国情的直流配电适用技术及运行模式,作为技术储备,有必要开展相应的前瞻性研究。
2低压交直流混合供电模式研究
当前,能源领域正在发生生产方式和消费方式的新变革,各种新能源和多样性负荷的接入,对电网的发展形成了新的挑战和机遇。电力系统稳定运行要求供需实时平衡,而风力、光伏等可再生能源发电具有间歇性、不确定性的特性,其所发电能存在无法完全消纳的问题。同时,随着多样性负荷的接入,直流负荷亦体现出其优越性。而应用分布式储能技术与风电、光伏等分布式电源以及用户多种负荷组建成能够实现自我控制、保护和管理的微电网正是一项可有效解决这一问题的关键技术。交直流混合微电网使处于电力系统管理边缘的大量分布式电源并网成为可能,有效弱化了分布式电源接入电力系统后的不可控、不安全和不稳定情况,解决了分布式发电面临的许多技术障碍和质疑。通过加入分布式储能装置将地域相近的分布式电源与负荷结合起来形成微电网系统进行协调控制,对配电网来说则表现为“电网友好型”的单个可控集合,既可以与大电网进行能量交换,又可在大电网发生故障时独立运行。因此,开展交直流混合微电网示范应用,不仅可以促进示范区内各类可再生能源的有效消纳,还可以对示范区内多种不同类型的负荷进行有效管理和控制,同时还可以有效提高示范区内的供电可靠性,具有积极的示范作用。
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