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4.直流供电关键设备
4.1 AC/DC变流器
AC/DC变流器是直流配电网的基础设备,其控制效能直接影响直流配电网的稳定运行和直流功率的协调分配,变流器主要分为电流源型和电压源型两种。
电流源型变流器在高压远距离直流输电中具有明显技术优势,在直流输电工程中大量应用。但在直流配电网中,由于网络端数繁多,潮流反转频繁,给电流源型换流器的应用造成极大的不便。
随着电力电子器件及控制技术的进步,电压源型变流器迅速发展,三相两电平、多电平是目前工程中采用较多的变流器拓扑结构。
4.2 电力电子变压器
电力电子变压器是一种具有变压器功能的电力电子变换器,集电气隔离、电压变换、能量传递等功能于一身,可实现交直流互联和接入功能。目前电力电子变压器已是国内外研究热点,在电路拓扑、控制以及样机研制上均取得了一定成果,各机构电力电子变压器指标如表4所示。
表4 电力电子变压器指标对比
4.3 低压直流断路器
直流断路器是关系直流配电网保护和安全运行的关键设备,对系统灵活运行、防止故障范围扩大有重大意义。直流断路器按照开断原理可分为机械式、全固态式和混合式3种。机械式直流断路器具有可靠性高、成本低、通态损耗小等优点,但开断速度慢、可控性不强;全固态式直流断路器的优势在于动作速度快、可控性强,但现阶段成本较 高,通态损耗较大;混合式直流断路器结合机械开关良好的静态特性与电力电子器件良好的动态性能,理论上具有开断时间短、通态损耗小、无需专用冷却设备等优点,但结构复杂、技术难度大、成本最高。
5.直流供电工程研究与应用
随着电力电子技术的发展,直流供用电通常与电力电子变流器共同出现,由于其高可控性、可靠性及经济性,现今涉及到直流供用电的工程通常与柔性直流、能源互联网相关。
5.1 国外典型工程研究
2011年美国北卡罗来纳大学提出了FREEDM系统结构,系统包含有400V直流母线和120V交流母线即插即用接口,提出了智能能量管理(Intelligent energy management ,IEM)装置,又称为能量路由器,用于连接12KV中压交流配电母线和DC 400V及AC 120V低压配电母线。
日本大阪大学2006年提出了一种双极直流微电网系统结构,系统通过6.6KV配电网获取230V交流电,经双向整流变换为±170V直流电压。230V交流母线上接入1台燃气轮机,直流母线上通过DC/DC变换器接入超级电容器、光伏电池等分布式电源。
芬兰Elenia Oy公司设计的交直流配电网典型 结构见图2。该典型结构从中压交流20 KV线路上引出分支线,先通过20/0.63 KV配电变压器降压到低压交流0.63 KV,并经过整流换流器升压到低压直流900 V,再通过低压直流900V配电线路输送给用户,在用户侧经过逆变换流器转换成低压交流500~600V,再通过500~600/400V低压隔离变压器输出交流400V为终端用户供电。
图2 芬兰交直流配电网典型结构
德国亚琛大学已经建成10KV直流配电网实际工程,开展了中压直流环网配电系统、10KV中压直流配电在校园的试验性研究等6个直流配电研究专题。
5.2 国内典型工程
国家电网公司在直流供电技术研究的基础上,开展了苏州工业园区主动配电网应用示范区的建设,其中基于柔性直流互联的交直流混合主动配电网技术应用示范工程由±20KV柔性直流互联系统和分布式光伏、分布式风电、微型燃气轮机、蓄电池、电动汽车充换电负荷、用户侧分布式储能、直流微电网等可控单元组成,总体架构见图3。
图3 苏州交直流混合主动配电网总体架构
6.结语
直流配电网是推动智能电网建设,解决能源、环境危机的关键,利用直流配电网技术优势,可支持高渗透率分布式可再生能源消纳,提高配电系统的可靠性、稳定性和经济性,构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系。本文介绍了直流供电技术发展现状,直流电压等级及供电标准情况,重点分析了直流配电网协调控制、保护和电能质量控制等关键技术,以及AC/DC变流器、电力电子变压器和低 压直流断路器等关键设备的研制情况,最后梳理了国内外直流供电工程研究与应用情况。
目前直流供电的研究仍处于试验探索阶段,直流供电标准规范正在加紧制定,还存在大量问题尚未解决,供电技术研究集中在直流微电网层面,关键设备性能还不能满足应用需求,缺少实际工程应用。随着能源变革的发展和技术研究的深入,直流供电将凭借强大的技术和经济优势快速发展,对未来的能源结构产生巨大影响。
主要作者及团队介绍
吴盛军:博士,研究方向为新能源发电及储能应用与主动配电网;
王益鑫:本科,研究方向为新能源发电及主动配电网;
李 强:博士,高级工程师,研究方向为新能源发电及主动配电网。
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