低压直流配电技术分析及存在的问题

夏志雄

摘要： 近年来，随着我国现代化电力建设体系的不断发展及完善，在输配电的可靠性、安全性及稳定性方面都取得了显著成效。尤其是电力电子技术领域的飞速进步，各种电子元件在配电网中的应用，进一步降低了线损，提升了配电质量与效率，使得经济效益得到大幅提升。目前，低压直流配电技术是全世界各国电力技术研究的主要方向与趋势。本文针对低压直流配电技术在实际应用过程中存在的技术问题作出了分析，然后探讨了相应的技术，同时结合实例阐述了低压直流配电技术的应用效果。

Abstract： In recent years， with the continuous development and improvement of China's modern power construction system， the reliability， security and stability of the transmission and distribution have made remarkable achievements. Especially the rapid development of the power electronic technology， and the application of various electronic components in the distribution network， further reduce the line loss， improve power quality and efficiency， and the economic efficiency has been greatly improved. At present， the low voltage and DC distribution technology is the main direction and trend of the power technology research in the world. This paper analyzes the technical problems in the practical application of low voltage and DC distribution technology， and then discusses the corresponding technology， and combines with an example to illustrate its application effect.

关键词： 低压；直流配电技术；问题

Key words： low voltage；DC distribution technology；problem

中图分类号：TM721.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）36-0111-03

0 引言

相较于传统的交流配电技术，低压直流配电技术可为用户的设备直接提供电源，电网与发电系统连接无需通过换流器，从而使换流次数减少，降低线损率。同时低压直流配电技术可防止电压出现闪变，利用储能与分布式技术使电能质量大大提升。应用低压直流配电技术可避免换相失败，对功率因数的控制更加的灵活。此外单线发生故障时，不影响回路运行，确保配电的稳定性。低压直流配电技术具备的诸多优势，使其成为电力技术未来发展的主要方向。

1 当前低压直流配电技术运用中存在的问题

1.1 谐波

由于低压直流配电技术需采用大量的电力电子元件，这导致了谐波问题。谐波不仅会使电缆、变压器等设备容量降低，同时还会使设备老化速度的加快，降低设备使用年限，甚至直接损坏。谐波极大地影响了低压直流配电技术应用的可靠性与安全性。此外，谐波还会造成电能浪费，增加不必要的经济损失。因而谐波必须被充分滤除。目前而言，滤除谐波的方式主要有谐波源改造，如将整流装置的相数提高；以及设置滤波器，即补偿法。目前较为常用的方式是设置滤波器，既能够在一定程度缓解无功补偿设备的压力，又能够节省成本。

1.2 无功补偿

低压直流配电系统无功功率损耗较大，且需通过控制无功功率实现对系统电压的控制，因而无功补偿技术至关重要。目前，在低压直流配电系统中，由于经济性高、操作灵活、维护简单等优势，通常是采用并联电容器控制无功功率。但是并联电容器与谐波会互相影响。

电容器上基波电流被叠加谐波电流后，会增加电容器有效电流值，造成电容器温度过高，缩短其正常使用年限。同理，电容器基波电压上被叠加谐波电压，会增加电压峰值，影响正常使用。

低压直流配电系统中使用并联电容器后，会使谐波阻抗既可能为容性也可能为感性。对于特定的谐波而言，可能会引起系统与电容器的并联谐振。

2 低压直流配电技术

2.1 分类

低压直流配电根据输电连接可被分为双极型与单极型。双极型是目前应用最广泛的配电系统类型。单极型配电系统的连接主要通过一条导线完成，回路在外界干扰因素多且大时，通常采用金属结构。任意端的直流电压的测定都需由电压器（额定）完成。

2.2 系统元件

①换流器。换流器（电压源）是由IGBT等开关器件（全控半导体）六脉或十二脉波组成电路，负责变换直流/直流（DC/DC）、直流/交流（DC/AC）及交流/直流（AC/DC）。

②联接变压器。联接变压器负责从换流器接收交流功率，或是将交流功率提供给换流器，同时变换电压（交流电网侧）到符合配电需求的范围内。在低压直流配电系统中为对三相或单相变压器调分接头，通常采用Dy接法，这一接法不仅能够增强无功状态与有功状态下的输送能力，同时还能够避免交流系统受零序分量（由调制模式引起）影响。

③相电抗器。相电抗器即可对短路电流与开关频率谐波量（电流与电压由换流器输出）进行抑制，同时还能够对无功和有功功率的控制产生影响。简而言之，功率输送（换流器）能力由相电抗器决定。

④滤波器。电力电子元件构成的换流器，谐波会在交流侧产生，滤波器可对高次谐波（直流侧电压）、较低次特征谐波（交流侧）进行滤除，从而使总谐波畸变率满足谐波要求标准。在对开关进行高频快速动作时，可降低对周边环境、通信线路以及设备的电磁干扰。

⑤直流测电容。换流站的支撑电压主要由直流侧电容提供，同时可对直流电压的波动起到抑制作用，使冲击电流（桥臂开端）得到缓冲，从而降低电压谐波在直流侧的影响。

⑥直流线路。电缆或是架空线都可作为直流线路，现阶段而言，电缆输电是直流输电系统（柔性）中的主要方式。采用这一方式，可有效防止直流侧故障电流出现不可控问题，使稳定性与可靠性得到提升。地埋式直流电缆在城市配电网中的应用，不仅不会对城市市容造成不良影响，同时还能够有效增加城市电网电容。

⑦接地。低压直流配电系统的回线通常采用单极搭地的方式，在大地电阻率偏高或是大地电流过大时，需安装接地极防止出现接地电压过大问题。在无法采用大地作为回线，或者地极的选择较为困难时，可采用双极两端中心点接线或者单极金属回线的方式。

2.3 特性

①运行方式。低压直流配电系统的运行方式受交流侧接线方式和直流侧接线方式有关，接线方式的选择应视系统及其负荷而定。

交流滤波器接线、相电抗器联接、变压器联接等都属于交流侧接线。相电抗器与变压器的联接可提供等效电抗，为直流与交流系统之间传输功率的搭建桥梁。同时还可对电流和电压（有换流站输出）的谐波分量起到抑制作用，从而实现对短路电流上升速度的控制。

直流侧线接线主要有双极接线和单极接线两种方式。双极接线通过接地系统，可确保每一换流站直流侧中点接地的可靠性，在系统正常运行状态下，两级电流一致，方向相反，谐波电流仅少量出现在对地回路中，如图1。

单极极限只需采用一根极导线在直流侧，返回线则采用金属线或是利用大地，从而组成一个闭环回路在直流侧。在传输功率小、直流电压低时一般采用单极接线的方式。

②调节方式。换流器输出电压与交流母线之间的夹角决定了低压直流配电系统有功功率传输大小。换流器输电电压则决定了系统无功功率传输的大小。低压直流配电系统中的换流器可视作一个发电机（无转动惯量），并具备瞬时实现且独立调节有功与无功功率的效果。交流系统的电压相位及其电流的幅值，可通过对相位角和电压UC幅值的控制，进行调节。进而控制无功功率和有功功率在交流系统与换流站之间交换的方向与大小。

3 低压直流配电技术应用实例及效果

配电网全直流在当前技术水平下还无法实现，但小区楼栋供电系统、家庭供电系统等低压配电系统处于配电网末端，是能够利用现有技术实现低压直流配电的。

图2为家庭低压直流配电系统的基本结构设计图，在该系统设计光伏发电（PV）接入电源容量为3kW，采用蓄电池作为储能单元，以保证供电的稳定性与可靠性。该设计能够满足1.5kW直流负荷与最大3kW交流负荷的用电需求，同时设计中将220V交流系统保留。

该低压直流配电系统设计的优势与可行性在于：①采用48V电压等级的直流母线，安全性高；②直流母线与蓄电池直接连接，兼具效率与可靠性；③采用最简单的Buck变换器将PV电源接入系统，变换效率有保障；④48V直流母线实现了电位隔离220V交流母线，且采用负极接地方式，接地可靠性高；⑤功率在交流母线与直流母线间可实现双向流动，使PV电源能量得到充分利用，同时提升直流负荷与交流负荷供电效率及可靠性。

基于该设计进行模拟运行实验后，得到结果如图3所示。

从实验结果可看出，作为唯一电源的PV电源供电时，直流负载为1.5kW，蓄电池可缓冲多余电能；3kW交流负载在0.1s时投入，系统在0.5s时并入电网；PV电源在1.0s时输出最大，功率开始减小。分析结果后可知，在最初PV电源产生功率超过负荷需要时，蓄电池会将多余电能用于自身充电，在交流负荷投入后，功率输出不足的部分由蓄电池进行补充。并入电网后，功率输出不足部分则由直流负荷提供。通过这一微型案例模拟实验表明，低压直流配电技术的应用可对供电的经济性、稳定性及可靠性起到显著的提升作用。

4 结束语

我国的低压直流配电技术及其应用还需要与时俱进，根据社会经济与科学技术的发展趋势，不断创新技术，探索更多的应用可能。这样才能够真正使低压直流配电技术得到推广和普及，从而全面提升我国现代化电网建设水平，为我国现代化经济转型提供坚实的基础和有力的支持。

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