面向中压配电网直流代替交流的典型应用场景分析

郭 沛

(国网河南省电力公司，河南 郑州 450000)

随着我国城市化进程的快速推进，以及第二、第三产业的快速发展，配电网中各类重要负荷、非线性负荷及敏感负荷逐步增多。传统的交流配电网面临供电走廊紧张、长距离输电线损大、线路末端低电压等影响用户供电质量的问题，因此改变传统配电网结构与配电方式的需求愈发强烈。

随着电力电子技术的发展，相对于传统的交流配电网而言，交直流混联配电网在许多方面都具有明显优势，在中低压配电网应用中具有广阔的前景[1]。经济的发展需要电网传输更大的用电容量和更远的供电距离，需要接入并要消纳各类分布式电源。然而，建设新的供电走廊造价极高并且建设难度很大，如果对原有的配电网进行升级改造，可以将部分交流输电线路改为直流输电线路，使其变为一个交直流混联系统。根据相关研究，将交流配电网部分线路改造成直流线路之后，将具有减少线损、提高供电容量、改善电能质量与隔离故障等优点[2]。直流网络的线损仅是交流网络的15%～50%[3]，而直流网络的传输功率比交流网络提升约1.5倍，因而可以有效提高输电半径，减少电压的降落，提高用户的电能质量。我国在配电网直流代替交流方面也进行了一些工程应用与实践探索，如苏州吴江区多电压等级直流配电网示范工程、珠海唐家湾多端交直流混合柔性配网互联工程等。但现有研究少有深入分析中压配电网直流代替交流的典型应用场景，也少有对比总结直流替代交流的经济性优势。

为此，本文模拟并搭建3个典型的传统交流配电网，分别对实际配电网中出现的偏远农村输电线路过长、城市内重要负荷输电走廊受限、分布式电源接入等几个典型问题进行仿真分析与研究。针对每个场景出现的问题，将有问题的负荷部分由交流改为直流，将两者的数据进行分析与对比，证明交直流混联配电网相较于传统的交流配电网能减少线损，提高电压，拥有更好的电能质量和更大的供电容量，并且方便接入分布式电源，减少电力电子器件的使用。

1 城市负荷中心供电走廊受限应用场景

城镇化的不断推进，致使城市供电负荷越来越集中化，而城市的供电走廊往往有限，扩容难度大。负荷的增大与扩容难的矛盾在当今中国的大城市，尤其是发达的一线城市表现得越发显著，特别是一线城市的医院、商场以及高层办公区等[4]。利用直流线路输送容量大于交流线路的特点，在原有交流线路供电走廊的基础上，进行交流/直流改造，可以有效解决这一难题[5-6]。

1.1 案例仿真

针对供电走廊受限的这种情况，利用仿真软件对其进行建模。软件中的拓扑结构如图1所示，圈处为医院负荷，设置为20 000 kVA，采用双端供电结构。在图1中，左右两边AC电压源同为220 kV，分别接到2个同样的三绕组变压器的高压侧，该三绕组变压器的高中低压侧的电压分别为220，110，10 kV，额定功率分别为140，100，40 MVA。2个三绕组变压器的中压侧接其他负荷，设置为5 MW，低压侧10 kV接入图中的主要电网。将医院的输电线路由交流改为直流，其拓扑结构如图2所示。将画圈处的线路变成交流，项目整体变成交直流混联形式[7]。

图1 城市重点负荷原供电线路拓扑图

图2 城市重点负荷交直流混联线路拓扑

城市重点负荷在两种结构下的电压标幺值如图3所示。图3中，重点负荷连接在12号节点处，因为负荷增大，供电走廊紧张，12号节点在传统交流结构下电压标幺值下降到接近0.6，严重影响到了电能质量。因此，将连接12号节点的交流线路改造为直流线路(如图2圈内所示)。改为直流后，12号节点处在交直流混联结构下的电压标幺值恢复明显，标幺值为1.01，可以满足电能需求。原医院交流结构因为负荷增大，又由于输电走廊的限制，所能够承载的负荷大小受到限制；母线电压下降明显，无法满足电能质量的要求，将严重影响用户各类重要设备的使用效果。将通往该重点负荷的部分线路改换成直流线路之后，电压等级得到明显回升，达到可接受的范围，并且可以接入更大容量的负荷，这对于此处以后的发展也有重要的促进作用。

图3 城市重点负荷两种拓扑结构电压标幺值对比

1.2 交直流经济性对比

对交流线路改造为直流线路前后的经济性进行比较，在改造时主要需要增加换流站的建设，而在换流站中主要有换流器、交流变压器、交流滤波器与直流电容器等。根据现有研究与实际操作经验来判断，可以把换流站的建设成本按照1 000元/kW进行计算。对于交流变电站，主要成本按照300元/kW进行计算。

直流电缆相较于交流电缆的绝缘要求更低，因此直流电缆的造价相对于交流电缆的更低。对于向中压交流负荷供电的线路，交流电缆的价格约为330元/m，7.5 kV直流电缆的价格约为150元/m，15 kV直流电缆的造价约为100元/m；对于向中压直流负荷供电的网络，交流电缆的造价约是400元/m，7.5 kV直流电缆的造价约是220元/m，15 kV直流电缆的造价约是100元/m；对于向低压侧负荷供电的线路，交流电缆的造价约是200元/m，7.5 kV直流电缆的造价约是100元/m，15 kV直流电缆的造价约是100元/m。

在7.5 kV与15 kV电压等级的直流断路器价格约为45万元/台和70万元/台，而交流断路器约为2万元/台。7.5 kV 及15 kV直流变压器造价约为50万元/台和85万元/台，而交流变压器在容量为1 MW时，价格约为15万元/台。应用于中压配电网的逆变器与断路器，价格约为800元/kW。该城市重点负荷场景的投资成本比较如表1所示[8]。

表1 城市重点负荷场景投资成本统计

2 改善长线路末端低电压的应用场景

我国城镇化进程迅速，但是依然拥有大量农村人口，偏远农村虽然平常用电较少，但是夏天用电高峰或者节假日用电量急剧上涨，传统的配电网往往无法保证用户的用电质量。对偏远地区长距离输电进行直流改造，对改善居民生活，提高人民幸福感具有现实意义[9]。

2.1 案例仿真

偏远地区长距离交流供电线路的主要问题为输电距离过长导致电压跌落过大，并且输送容量受限，因此将部分线路改为直流线路。原有交流拓扑图中的AC电源为110 kV，经过变压器降压为10 kV，线路长度原为15 km，改造后变为10 km，用户的负荷设为8 000 kVA。交流供电线路的拓扑结构如图4所示。将划圈部分线路改为直流，拓扑结构如图5所示。

图4 偏远地区长距离交流供电线路拓扑图

图5 偏远地区交直流混联结构拓扑图

将连接偏远地区的负荷线路改换成直流之后，电压等级得到明显回升，在可允许的偏差内，可以接入更大的负荷，改善了村民的用电质量。

偏远地区场景下两种供电结构电压标幺值对比图如图6所示。如果要使原有纯交流配电网在远距离节点处的电压水平达到电能要求，则该节点所接负荷最多为1 500 kVA，而改用交直流混联结构后，负荷可以达到10 000 kVA。

图6 偏远地区场景下两种结构电压标幺值对比图

偏远地区场景下两种结构所能承载负荷功率对比如图7所示，此时所承载的负荷容量也得到了大幅提升，从1 500 kVA提升到了10 000 kVA，极大地改善了偏远地区用户的用电质量，并提高了供电容量。

图7 偏远地区场景下两种结构所能承载负荷功率对比

2.2 交直流经济性对比

该场景的各类设备单价与表1一致，而设备数量、线缆长度、负荷功率等不一致，其经济性比较如表2所示。

表2 长距离输电场景投资成本统计

3 促进分布式新能源消纳的应用场景

绿色经济的提出，促使了各类新能源发电快速发展，部分地区安装了大量分布式新能源装置，包括风电、光伏发电与蓄电池等。这些新能源设备有的是交流，有的是直流，并且都需要接入配电网。如果接入传统的交流网络则需要大量的电力电子设备，不仅控制复杂、维修不便且会造成建设成本过高。将交流配电网进行直流改造后，将大大改善这些问题[10]。

3.1 案例仿真

针对含有大量分布式电源接入的情形，本文采用一种典型的手拉手式两端配电网结构，如图8所示。

在图8中，左右两个交流电源采用110 kV电压等级，通过变压器降压到10 kV交流电，再通过整流器变为7.5 kV的直流电，左右两侧的电压源、变压器、整流器，以及母线参数均保持一致。在此场景下，有直流负荷与交流负荷交替出现的情况，同时分布式电源也有交流与直流两种模式同时存在。在此种结构下，直流负荷和直流式的分布式电源接入电网将更加方便，可以省去大量电力电子器件，从而节省大量设备成本。同时，通过换流装置接入的交流负荷虽然增加了一些换流设备，但是负荷的电能质量可以得到提升，所能承载的负荷功率也能得到大幅提高。综合整个配电网而言，会比传统的纯交流配电网拥有更好的电能质量，也可提升用户的用电可靠度[11-14]。随着电力电子技术的发展，该方案的经济性也能得到进一步提高。

图8 有分布式电源大量接入的交直流混联配网结构

3.2 经济性对比

各个设备的成本单价与表1一致，该结构的建设投资成本统计数据如表3所示。在线路拓扑和电能传输容量基本相同时，由于各类电力电子设备的造价比较贵，交直流混联配网的投资成本高于传统的纯交流配电网，并且随着电压等级的提升，交直流混联配电网的投资成本也会随之提高[7]。随着电力电子技术的迅速发展，各类设备价格将持续降低，使得交直流混联配电网具有比较大的降价空间。

表3 促进新能源消纳场景投资成本统计

4 直流代替交流的综合性分析

对于配电网整体而言，直流配电网传输电能的能力明显高于交流网络，用户侧所获得的整体电能质量更高。虽然交直流混联配电网前期投资成本更高，但是长期而言具有更大的经济效益、更好的供电性能，并且具有巨大的发展潜力和研究价值。纯交流模式与进行直流改造后几种模式的5种性能对比如图9和图10所示。直流改造过后的配电网在新能源消纳、可靠性等方面优势明显。

图9 两种结构性能对比

图10 4种结构性能对比

5 结语

本文着眼于对交直流混联配电网和传统交流配电网进行对比，交流部分为10 kV，直流部分为7.5 kV，依据潮流数据对两种配电网模式进行比对，得出以下结论。

(1)交直流混联配电网可以明显提升远距离负荷处的电压，并且可以缩短线缆长度，降低线损。

(2)将直流改造为交流之后，可以提高电网所能承载的负荷容量，提升电网的传输效率。

(3)交直流混联配电网的结构有利于接入各类直流或是交流形式的分布式电源，对于分布式电源较多的地区，可以减少大量电力电子设备的使用，降低配电网的设备成本，并且对于新能源的利用也有促进效果。

综上，随着经济发展，用电负荷逐年升高，用户对电能质量的要求也逐渐提高，对现有配电网的升级改造变成了一项必然的要求。随着各项技术的发展，电力电子设备造价会逐渐降低，交直流混联配电网将拥有良好的综合优势、经济效益和发展前景。