设为主页
收藏本站
English
账号:
密码:
取回密码
 免 费 注 册

无功补偿(96) 谐波治理(83)
电能监测(96) 节电节能(27)
柔性供电(12) 电力成套(39)

产品信息 采购信息 公司信息
招聘信息 求职信息 展会信息
项目信息 其它信息 免费发布

中国电能质量治理网广告位招租
中国电能质量治理网广告位招租
国外太阳能厂商征合作伙伴
国外太阳能厂商征合作伙伴
法国阿尔斯通公司简介
法国阿尔斯通公司简介

直流配电在国外的研究现状与发展
发布时间:2018-05-09 06:39     来自:网上资料     浏览次数:269 次
美国的直流配电网研究
相比交流配电网,直流配电网以其强大的节能优势具有巨大的发展前景。目前,一些国家已经纷纷开展了直流配电网的研究,提出了各自的直流配电网概念和发展目标。列举几个具有代表意义的结构方案进行介绍。
美国相对较早开始了直流配电网的研究,主要研究机构有弗吉尼亚理工大学以及北卡罗来纳州立大学等。在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年将SBI发展为SBN(Sustainable Building and Nanogrids)。整个系统具有2个电压等级的直流母线DC 380 V和DC48V,分别给不同等级的负载供电。DC 380 V母线主要是为了匹配工业标准的直流电压等级,它依靠前端整流器和功率因数校正(power factor correction ,PFC)电路接入主电网。DC48 V母线主要是为了匹配通信标准的直流电压等级,它依靠DC/DC变换器与DC 380 V母线连接。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,如图2yo]所示。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。
在2003年,北卡罗来纳大学就以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。在2011年,美国北卡罗来纳大学提出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management (FREEDM)”系统结构,用于构建未来自动灵活的配电网络。它主要具有3个核心的技术特征:1)包含有DC 400 V直流母线和AC 120 V交流母线的即插即用接口;2)连接12 kV交流中压配电母线和DC 400 V及AC 120 V低压配电母线的智能能量管理(intelligent energy management IEM)装置(又称为能量路由器);3)开放标准的分布式电网操作系统。在FREEDM系统中,交流配电网和直流配电网也是同时存在的,它们均通过IEM与大电网连接,其中直流配电网主要用于集成分布式电源单元、分布式储能单元及直流负载等。

日本的直流配电网研究
在2004年,日本东京工业大学等机构就提出了基于直流微电网的配电系统构想,并实现了一套10 kW直流配电系统样机。在上述研究的基础上,日本大阪大学于2006年提出了一种双极结构的直流微电网系统。230 V交流电由降压变压器从6.6 kV配电网直接获得,然后通过双向整流器变换为±170 V直流电压。一个燃气轮机通过背靠背变换器直接连接到230 V交流电,蓄电池和超级电容等储能设备以及光伏电池等分布式电源均通过DC-DC变换器连接到直流母线。基于直流母线,可以通过电力电子变换器得到多种电力供应,如单向AC 100 V、三相AC 200 V和DC 100 V等。

欧洲的直流配电网研究
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,方案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直流配电系统结构。该系统不仅可以利用光伏发电和风力发电产生的电能,还可以由沼气等产生生物能供电。另外,自2008年以来,英国、瑞士及意大利等国开展一项名为UNIFLEX(Universal and Flexible Power Management)的研究项目,侧重点在于研究通过新型功率变换技术适应未来有大量分布式电源接入的欧洲电网的功率流动管理。
其他国家和地区的直流配电网研究
除美国、日本、欧洲外,韩国、中国台湾等国家和地区也展开了直流配电网的研究。韩国以明知大学为主成立了智能微电网研究中心,投资约272万美元,计划于2007年至2012年建立起直流微电网供电系统,研究的重点集中在直流电分配、功率变换技术和控制及通信技术三方面。台湾学者也对直流配电网中的相关技术展开了研究,但其结构思路与韩国所提出的系统结构基本类似。

直流配电网的系统架构 
高压配电母线的供电方式
直流配电网的系统架构涉及到系统供电质量、安全性和经济性等方面的问题,对直流配电网的标准形成具有重要意义。直流配电网的系统架构主要包括高压配电母线的供电方式、低压直流配电母线的构成形式、分布式电源的组织形式、高压配电母线到低压配电母线的连接方式、分布式电源及负载到低压配电母线的连接方式等。
随着高压直流输电的发展,高压配电母线不仅仅可以是交流,也可以是直流。如此,必须对原有的高压交流配电方式进行扩展分析,为直流配电网的系统规划工作建立理论基础。另外,在选择交直流供电方式的前提下,还需要考虑不同线制不同电压等级的系统运行特性。
目前各国对直流配电网的研究重点集中在以直流微电网为核心的低压直流配电网方面,而高压配电母线则默认为6kV以上的交流配电母线。对于高压配电母线是直流时的系统结构研究较少。

低压直流配电母线的构成形式
总的来说,目前文献中所出现的低压直流母线的构成形式主要有单母线结构、双母线结构和分层式母线结构。不同的母线结构具有各自的优势,适合于不同的应用场合。
单母线结构的直流配电系统容易与现有的交流接线板等转换设备兼容,但在给计算机等低压设备供电时,均需配备电源适配器。双母线结构也能与现有的转接设备兼容,但由于源侧变流器需要均衡主母线与从母线的电压,其拓扑与传统拓扑结构会有所不同。

分布式电源的组织形式
目前,由于各国直流配电系统的研究还并不成熟,各国的研究中分布式电源往往是采用直流源进行模拟,或者仅仅含有一种分布式电源。而随着分布式电源的发展,直流配电网中可使用的供电电源种类变得丰富,既可以包括可再生能源,如光伏、风力发电,还可以包括不可再生能源,如燃料电池、燃气涡轮机等。不同的分布式电源容量等级存在差异,可控程度不同,输出电源的性质也不同,进而导致接入母线所需的变换器结构形式也不同。在不同的应用场合,需要根据实际情况对分布式电源进行优化选择与配置。

高压配电母线到低压配电母线的连接方式
在直流配电网中,由于分布式电源的存在,低压配电母线与高压配电母线之间的能量交换根据系统运行管理的不同,既可以是单向的也可以是双向的,因此连接电路的形式也会因为运行方式选取的不同而不同。事实上,双向交互功能是现代柔性直流配电网发展的主要趋势。
另外,对于直流配电系统中高压配电母线的供电形式既可以是交流也可以是直流。而随着电力电子技术的发展,高压配电母线与低压配电母线的连接既可以采用传统的工频变换方式,也可以采用高频变换的方式。对于高压配电母线为交流时,采用工频变压器实现电压匹配和电气隔离,采用电力电子变换器将交流变为直流,从而实现高低压母线的功率变换。这种方式中,工频变压器占地较大、质量笨重、损耗较大并且噪音很大,这已经成为实现高功率密度和高效率的功率变换系统的一个主要障碍。在FREEDM系统方案中,采用高频隔离和链式变流技术来连接高压交流配电母线和低压直流配电母线。对于高压配电母线为直流时,也可以采用工频变压实现电压匹配和电压隔离,采用电力电子变换器实现电能的交直流变换;或者直接采用高频隔离和直流链式变流技术来实现高低压配电母线的功率变换。

分布式电源到低压配电母线的连接方式
相比交流配电形式,直流配电可以减小相关电力电子接口电路中的中间环节,但是也不能完全省略电力电子接口电路。由于分布式电源发出的电能有交流也有直流,系统中的负载也有交流和直流;另外,各个分布式电源的运行方式也有单向和双向之分,为了保证系统安全运行,部分分布式电源与负载或配电母线之间还需要进行电气隔离。因此,在直流配电网中,分布式电源及负载与低压配电母线的接口电路也是各种各样的。

直流配电网的控制技术 
电力电子变换器的基本控制
直流配电网中存在着各种电压等级的配电母线、形式多样的分布式电源及负载,而不同电压等级的配电母线需要经过功率变换器实现功率变换,各类分布式电源及负载也需要经过不同的功率变换器接入直流母线,直流配电网在不同工作模式下各微源及变换器的运行状态也不同。因此,为了保证直流配电网正常运行,控制技术起着重要的作用。这里将直流配电网中的控制技术按单元级、微网级到配网级归结为3类,依次为电力电子变换器的基本控制、多源协调控制、多端多电压等级配电网络的运行控制。
在直流配电网中,电力电子变换器的形式多样。根据分布式电源、负载类型以及配电网不同的工作模式,各变换器需要对自身的电压、电流或功率进行控制,以保证各单元及系统正常工作。目前,关于分布式电源及负载到低压配电母线的接口电路的研究较多,也相对成熟,而高低压配电母线之间接口电路的控制相对复杂,尤其是采用高频隔离和链式变流方案时。但是由于潜力巨大,在现代柔性直流配电网的建设中,基于高频隔离和链式变流技术的智能功率变换系统是目前国内外学者的研究热点。
对于高频变换方式接入高压AC母线方案,美国EPRI等机构已经较早地开展了研究,并已经研制出了2.4 kV/45 kW的原型样机,并在2011年用于电动汽车充电站中。对于北卡罗来纳州立大学提出的FREEDM系统以及欧洲等国提出的UNIFLEX系统,基于高频隔离的链式变流器都是其核心部件,相关控制策略的研究也开展较早。北卡罗来纳州立大学还利用10 kV的SlC器件开展了270 kVA高频隔离链式变流器样机的研制。随着智能电网的发展,国内目前多个大学和研究机构也已经开展了相关研究,例如清华大学结合在链式多电平换流器方面的研究成果积累,在国家自然科学基金的支持下开展了基于高频隔离和链式变流技术的功率变换系统研究;并通过与日本半导体制造商罗姆公司合作,探讨了利用新一代SIC功率器件时的变换器运行特性。总的来说,由于电压等级和效率等的限制,目前高频隔离和链式变流方案在中高压电网中的实际应用的报道还比较少。
对于高频变换方式接入高压DC母线的方案,由于柔性直流配网的概念近期才得到重视,高压配电母线为直流母线时的研究较少,因此针对高频隔离和直流链式变流方案的研究和应用还较少,需要在相应的拓扑结构和控制技术方面展开深入研究。

多源协调控制
在直流配电网中,供电电源种类繁多,可控程度不同,同时配网中的微电网系统还存在与大电网并网运行、孤岛运行、并网孤岛过渡过程和黑启动过程等多种运行状态,从而要求实现直流配电网中的各供电电源的协调控制。相比电力电子变换器的单元级控制,这里多源协调控制主要是微网级的控制,主要可以归结为母线电压的控制和电能质量的管理2类。
1)母线电压的控制。
直流微电网中,分布式电源和负载均通过变流器与直流母线并联。由于配电线缆上存在阻抗不一致,各节点电压存在差异,会使各并联电压源之间产生环流。因此,为了抑制环流和控制直流母线电压的稳定,需要对各并联变流器进行均流控制。常见的并联均流控制有集中控制、主从控制和无主从控制。
集中控制是给整个并联系统加入一个集中控制单元,各个并联单元根据集中控制提供的信号来保证各自输出信号一致,这种控制方式最大的问题是一旦集中控制出问题,整个系统将无法运行。主从控制与集中控制的不同在于选择并联系统中的一个单元作为主控模块,其控制可靠性相比集中控制有所提高,但仍然较低。无主从控制中,各模块独立地检测和控制本模块在系统中的工作状态以实现模块间功率均分,主要可以分为有互联线和无互联线控制方式。有互联线控制中,存在一条控制互联线用于传递各模块的输出电流、有功以及无功功率等信息;互联线的存在可以简化并联的控制,但是互联线也容易引人干扰,可靠性降低,并且并联模块之间的位置也受到限制。无互联线控制主要是指外特性下垂控制方法,其实质主要是利用本模块电流反馈信号或者直接输出串联电阻,改变模块单元的输出电阻,使外特性的斜率趋于一致,达到均流。这种控制方法使得各模块完全隔离,因此可靠性高,但是由于模块间无信息传递,也使得均流控制相对困难,动态效果较差。从目前的研究状况来看,在微电网母线电压的控制中,无主从控制是必然发展趋势,其中下垂控制由于其充分符合分布式系统的“分布”特征,成为国内外学者研究的重点。
2)电能质量的管理。
直流微电网工作时,可能出现分布式电源输出功率的突变、大面积负荷的瞬时接入或脱落、并网与孤网的切换等瞬态变化过程,这些瞬态事件的发生会引起直流母线电压的闪变或跌落,进而给电子设备的正常运行带来不利,还很可能使控制系统误动作,最终导致整个直流微电网系统的崩溃。目前,为了防止这类事件的发生,常用超级电容、飞轮储能或超导储能等快速充、放电装置对系统的电能质量进行管理。
另外,为了保证微电网系统中能量的供需平衡,还需要对系统中的分布式电源、储能单元及负载进行管理配置。如有文献提出了一种含分布式电源和储能装置的直流微电网运行控制逻辑,若直流母线电压上升且超过第一个限值后,直流微电网向与之联络的主电网输出功率以限制直流电压的上升。若由于微电网系统内部的发电量远远大于负荷水平,此时将一些易于调节的分布式电源退出运行以保证电压平衡;反之,若直流电压由于负荷增大等原因而持续下降,储能装置将释放能量以缓解负荷需求对直流电压的影响,若仍不能满足要求,则将一些不重要的负荷进行分时切出。

多端多电压等级配电网络的运行控制
当大量的直流微电网接入高压配电网后,直流微电网与主电网的相互作用将变得复杂。为了配电系统的运行效率,保证电网运行的稳定性与可靠性,这个时候就需要研究基于直流的多端、多电压等级配电网络的运行控制技术,包括高渗透率下直流微电网对整个配电网的运行特性影响,如对大电网稳定性的影响;以及在满足直流系统电压、电流,交流系统电压、潮流方程,交直流换流触发角等约束情况下,交直流配电系统的多时段优化调度方法等。
总的来说,目前对于直流配电网的研究主要是集中在直流微电网的研究层面,对于配网层面的研究较少,因此需要发展相关的控制理论和方法,为直流配网的稳定运行提供保障。

直流配电网的保护技术 
直流配电网的保护设备
直流配电网的保护是直流配电网安全运行的关键问题。相比交流配电网,直流配电网的系统架构、工作模式等均有不同,因此传统的交流保护方案并不完全适合直流系统。所以,在直流配电网的保护技术的研究中,应该吸取交流配网保护技术的经验,通过对比研究分析直流配网的保护标准、执行准则以及操作经验等。目前,关于直流配电网保护技术的研究方向主要包括直流配电网的保护设备、直流配电网的接地方式、直流配电网的故障诊断与处理方法等。
直流保护设备对防止直流配电网中故障范围的扩大有着重要意义。但与交流电不同,直流电不存在自然过零点,因此,开断直流电路相比交流电路要困难,这也给高压大容量直流保护设备的研制带来了困难。
目前,对于直流断路器的开断方法主要有增大电弧电压法、分段串接入限流电阻法、磁场控制气体放电管断流法、迭加振荡电流法、电流转移法等。基于这些方法,国外对各容量等级的直流断路器进行了研究和测试。例如,20世纪80年代,BBC公司和美国西屋电气公司对500 kV/2 kA级别的直流断路器进行了研制,并在美国太平洋直流联络工程的CELILO换流站进行了试验。在这之后,东芝、日立、三菱等公司也相继有直流断路器的试验工程报道。
近年来,出现的基于半导体器件的直流固态断路器,具有损耗低、动作速度快等优点,受到了学术界和工业界的广泛关注。例如,1987年,美国Texas大学采用GTO作为开关器件对200 V/15 V的直流固态断路器进行了研究02005年,美国CPES采用ETO作为开关器件对2.5 kV/1.5 kA的直流固态断路器进行了研究。
总的来说,目前400 V以下的低压直流断路器已经工业化应用,而中高压直流断路器的研发已经取得一些突破,但距工业化应用还有些距离。在2012年11月,ABB公司宣称开发出了世界上第一台高压直流断路器,其主要是将机械动力学与电力电子设备结合,可以在5 ms之内断开一所大型发电站的输出电流,速度比人眨眼速度快30倍,但是目前为止还没有关于该断路器的详细参数和实际应用报道。
另外,在低压直流配电网中,常用的交流型多功能接线板和插头应用于直流电时,接合与断开的瞬间会产生较大的电弧,给用户带来了安全隐患。因此,直流开关、直流插头和插座的研发,是推动直流配电网普及应用的基础性工作。

直流配电网的接地方式
与交流系统类似,接地主要是为了保护接地故障引起的人身和设备安全,不同的接地方式会导致系统的表现性能不同。在直流配电系统中,可以采用不接地、高阻接地和低阻接地等方式;大地也可以与两电极中的一极或者变换器和电池的中性点连接。

直流配电网的故障诊断与处理方法
由于直流配电网的结构以及工作模式等的不同,直流配网的故障运行情况与交流电网存在区别。在直流配电网中,根据故障类型的不同可以分为极间故障和接地故障;根据故障位置的不同可以分为母线故障和支路故障。不同的故障具有不同的保护等级,进而处理方法也不同。
因此,需研究新型的保护理论,以保证直流配电网正常并网运行时,内部电气设备发生故障和故障切除后直流配电系统仍能安全稳定地运行;另外,配电系统上层发生故障时,应在可靠定位与切除故障的前提下确保直流微电网与主网解列后仍能继续可靠运行。目前,直流系统中的故障诊断与处理方法已有不少文献探讨,但还没有达到工程应用的程度,准确的故障定位与处理仍然是直流配电网研究的重点和难点之一,尤其在直流线路较短且中点不接地时,将对故障诊断造成更大的困难。

直流配电网在中国的发展 
根据引言的概述,直流配电自身存在线路造价低、输电损耗小、可靠性高及环保等优势;另外,直流配电还可以减少分布式发电系统及直流负荷接入电网的中间环节,进而降低接入成本,提高功率转换效率和电能质量。直流配电网的这些特点完全符合中国电力的发展需求和方向。
自2009年开始,国内相关单位逐步对直流配电网展开了相关研究。清华大学在国家自然科学基金项目中提出了基于高频隔离和公共直流母线的电池储能电网接入系统,该项目的侧重点在于研究用于直流配电系统中的新一代功率变换技术,包括新一代功率器件应用以及高频隔离变换技术等。另外,2012年,中国还以深圳供电局为主成立了城市电网先进技术研究中心,计划于2012年至2015年建立柔性直流配电技术实验室,并实施柔性直流配电相关关键技术的研究。
总之,目前各国对直流配电网的研究都还处于试验探索阶段,研究重点集中在以直流微网为核心的低压直流配电网方面。目前,也还没有见到有较为系统的示范工程的报道。但是可以预见的是,在世界各国对节能减排和能源综合利用的需求增长的今天,直流配电网将以其强大的技术和经济优势而拥有广阔的发展前景,也必将对生活生产产生巨大的影响。

关闭窗口   
www.chinapqc.com
关于我们 | 广告服务 | 汇款方式 | 法律申明 | 网站地图 | 联系我们
Copyright @2018 电能质量治理网--打造权威的电能质量行业网站. All Rights Reserved
沪ICP备15038545号(征求网站投资合作,广告联系:Chinapqc@21cn.com
..................... .