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从HVDC-MVDC-LVDC-BVDC ——看不同等级直流电的应用情况
日期:2018/8/14 访问:

转载自直流建筑联盟

伴随着新能源、新电力、新技术的发展,配电网发展到目前阶段也悄然发生着直流-交流-交/直混合的趋势变化,直流配电系统发展也开始多样化,从HVDC-MVDC-LVDC-BVDC(即从高压直流-中压直流-低压直流-建筑直流)。直流供电技术以其高供电质量和优异的供电能力,将成为未来电源发展中心。

  • 高压直流(HVDC)

十九世纪八十和九十年代,交流电几乎完全替代了直流电,并发展成今日规模巨大的电力系统。但随着输电功率和输电距离进一步增加,交流电遇到了一系列不可克服的技术困,特别是交流远距离输电会受到同步运行稳定性的限制,并且由于直流输电具有交流输电所不能取代的优点,如直流输电的输送容量不受同步运行稳定性的限制,用电缆输电时不受电缆线路的长度限制等,世界上有许多科学家和工程技术人员坚信继续发展直流输电的重要性。

因此美国、瑞典、联邦德国等国家仍继续研究直流输电技术,并陆续地建设了一些试验性工程。但这并不是简单地恢复到德普勒时代的那种直流输电,而是采用换流设备,把交流高压变成直流高压,其间曾采用气吹电弧整流器,闸流管和引燃管作为交直流输电变换的换流设备。

直到1954年,瑞典建成了海底直流电缆标志着直流输电进入了一个新的发展阶段,这是世界上第一个投入商业运营的基于汞弧阀的高压直流输电系统。

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20世纪70年代以后电力电子技术和微电子技术迅速发展,科学家们研制出的晶闸管换流阀成功克服了汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高、可靠性较低、运行维护不便等缺点,有效地改善了直流输电的运行性能和可靠性。从此后,直流输电都采用可控硅换流阀,几乎全都采用超高压、单回线路的输电模式,输电能力比前阶段有了很大增加,发展速度很快。

中国高压直流电网建设起始于直流电大力发展时期,但是起步晚不代表发展慢。

我国首个高压直流输电工程——±500kV葛洲坝至上海直流工程于1989年投运,输电距离1046km,最大传输功率达1200MW。

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近二十年来,随着清洁能源比例迅速增长,电能生产与负荷中心间的距离不断增大。中国电网共建成并投运高压直流输电工程29个,包含7个±800kV特高压直流输电工程,,形成大规模“西电东送”、“北电南送”的能源配置格局,有效解决水电、风电、光伏等清洁能源开发、输送和消费的问题,产生巨大的经济和社会效益。

  • 2007年,中国第一个直流自主化示范工程——±500kV贵州至广东二回直流工程投运,标志着我国建成高压直流输电成套设计集成技术体系;

  • 2009年,世界首个特高压直流输电工程——±800kV云南至广东直流工程投运,标志着世界进入特高压直流时代;

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▲±800kV云南至广东直流工程

  • 2013年,世界首个多端柔性直流工程——广东南澳直流工程投运;

  • 2014年,世界容量最大的特高压直流输电工程——±800kV哈密至郑州直流工程投运,容量达800万千瓦,标志着特高压直流输电达到一个新的高度;

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▲±800kV哈密至郑州直流工程

  • 2014年,世界首个五端柔性直流工程——浙江舟山直流工程投运;

  • 2016年,云南鲁西背靠背直流工程投运,百万千瓦柔性直流单元的电压和容量均处于世界最高水平。

  • 中压直流(MVDC)

随着高压直流电快速崛起,科学家们的目光逐渐转向中压直流电和低压直流电。一方面,在海上风电及大规模光伏电网并网领域,中压直流配电技术表现出优越的技术经济特性,得到了行业的广泛关注;另一方面,在城市配电、数据中心供电、智能楼宇与智能家居、分布式发电与微电网等领域,中低压直流配电技术也由于其具备的高可控性、强兼容性和潜在的运行经济性等特点,而表现出很强的竞争力。

中国的003型航母就是采用中压直流供电技术。马伟明院士讲解的“全能舰”,就是全电力舰。综合电力系统就是通过原动机(核反应堆+蒸汽轮机或者燃汽轮机)带动发电机发电,并通过储能、智能电力分配,再带动电动机推动舰船前进、各种电子探测系统工作,未来还会成为电磁炮、电磁弹射器等装备的工作动力来源,从而成为划时代的新一代“全电力”舰船。

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在欧美等国发展高功率密度集成化发电技术中,由于采用的中压工频交流同步发电有整流环节,而整流是非线性的,系统稳定性较低。这类整流发电机带反电势负载或者多机整流并联带任意负载时,可能产生一种固有低频功率振荡,引起系统失效。

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▲美军DDG-1000驱逐舰

而马伟明院士团队创造性的发明了12相交流整流型一体化发电机,又在这个基础上,研制成功了交直流双绕组发电机电力集成供电系统,从而在原理上解决了这一固有问题。完全满足整个舰船中用电设备所需的各种电压,实现效率条件下的直流、交流电供电,并能在各系统工作过程中,不产生电磁兼容性问题。同该系统设计紧凑,大幅度节省了动力系统所需占用的空间,提高了动力系统布置的灵活性。

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▲交直流集成式双绕组发电机样机

另一方面,由于中国舰船在综合电力系统上,直接采用了中压直流体制,原动机转速不再受交流频率限制,因此也就不需要在原动机和发电机之间加装减速齿轮箱,而将两者直连,使得舰船机械震动大幅度降低,其安静性、经济性和整个发电系统的体积将是目前舰船难以企及的,也全面领先西方综合电力系统一代。

  • 低压直流(LVDC)

随着电子设备与高压直流的快速发展,科学家们意识到发展低压直流电是势不可挡的。低压直流配电在某些特定场合是一个可以选择的配电方式。它的优点主要在于电压等级低、节约成本,适合负荷密度较低地区的需要,且分布式电源及储能设备也更易于接入,具有更好的供电可靠性和更高的电能质量。

迄今为止,低压直流配电唯一被认为足够成熟的应用领域为数据中心和电信供电系统。在这些应用中,直流电源不仅用来为服务器和其他这样的信息通信技术设备提供电力,而且也用于照明、空调和电动车辆的充电。

但在其他应用环境,如家庭、工业和LVDC公共配电系统,实用公共直流电网目前还没有相应的标准。

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▲LVDC系统结构图

据统计,世界上仍有12亿人尚未得到电力供应,并且另有27亿人的电力供应非常有限。由于电力供应的缺乏,他们很大程度上被排除在了现代经济的发展之外,阻碍了他们摆脱贫困的道路。而分布式低压直流供电系统由于其充利用可再生能源、不依赖于市政电网的特点,其规模化的推广普及可以帮助那些电力供应无法得到充分保障的地区极大的改善生活质量。

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低压直流是一种工具,在可再生能源的帮助下,它可以实现非电网的可持续电力接入,成功地将电力供应到发展中国家众多偏远地区。光伏板的成本降低,LED照明的发展,以及最近低成本高性能电池的出现,都在本地电力供应装置的快速发展中发挥了作用,这些装置通常不与主电网相连。这些自给自足的设施在郊区也迅速发展。这就是低压直流独特的魅力。

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最后通过芬兰农村配电网发展的情况,我们来看一下低压直流的应用前景。

芬兰80%的电力供应中断都是由20kV中压配电网故障引起的。低压直流配电网是重建这些中压短分支线路的解决方案之一。它的主要优点在于低压直流线路在节约成本方面的潜力很大,并且还能提升整个配电网的可靠性和供电质量。同时它还可方便地为分布式发电以及储能提供接入点,使配电网能够朝着智能配电网的方向发展。此外,因为低压直流系统具有隔离作用,用户端造成的电流畸变以及无功电流也不会在中压配电网中传播。因此,低压直流配电可以降低交流中压配电网在电能质量方面的压力。

芬兰Elenia Oy公司利用低压直流配电线路替代中压短分支线路进行试点运行的目的,主要是获取低压直流线路运行和维护的长期实践经验,同时通过试验运行明确低压直流配电系统在寿命周期内的费用情况。到目前为止,已运行的低压直流配电线路还没有出现任何故障,未来的运行情况也十分乐观。

  • 建筑直流(BVDC)

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。

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。

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。

在中国,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。

南京众彩农副产品物流配送中心是现代化农副产品物流基地,供电可靠性要求较高。目前,配送中心园区内已接入装机容量达6.18MWp的分布式屋顶光伏以及5MW的填埋气发电等可再生能源发电。园区内已投运的用电负荷主要包含有农副产品物流区、交易和展示区、冷库区以及商务办公、商业服务、酒店餐饮娱乐、滨水娱乐中心等业态,负荷性质多样。

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▲物流园地理区位图

南京众彩农副产品物流配送中心目前由位于区域南侧的220kV高桥变电站新出的4回10kV线路提供电源,分别为10kV佘村线、大理线、谢家1号线和谢家2号线。其中,10kV佘村线和大理线接入位于交易市场1区的1号中心站供电,10kV谢家1号线和谢家2号线接入10kV开闭所后分别接入位于交易市场5区的2号中心站和位于冷库区的润恒物流配电室。

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▲物流园局部现状中压配电网接线示意图

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▲物流园区分布式电源接入接线示意图

目前物流园区的负荷主要为仓储、照明、空调、办公、冷库、电梯、电动汽车充电桩等。先对现有的主要用点设备进行梳理,找出潜在可能改造的直流用电设备(负荷)。

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▲物流园区内潜在直流用电设备统计

考虑到先期试点应用,为不影响物流园用电可靠性,构造中压交直流混合微电网宜选取部分方便改造、易于接入的设备。最终选取物流园水果区的屋顶光伏、水果区办公楼及酒店的部分负荷接入,构建中压交直流混供微电网。

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▲物流园区内计划接入直流母线的用电设备

此外,5台物流园区内直流快速充电桩及1台园区内已有的储能装置也一并接入交直流混合网。

物流园区交直流混合微电网的构建方案为:从物流园水果区的屋顶太阳能光伏板的2个汇流母线箱分别引出两路直流电源至新建的直流母线箱,考虑到日后直流负荷的发展,本次新建的直流母线箱预留2个可扩展接口,方便新增的直流负荷接入。同期新建5台DC/DC转换装置,物流园水果区的LED照明、酒店餐厨等用电设备通过DC/DC转换器接入直流母线箱。物流园低压交直流混供接线见下图。

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▲物流园低压交直流混供接线示意图

南京众彩物流园中压交直流混供微电网的建设方案对园区内潜在的直流用电设备做了梳理,评估了其建设改造的可行性,通过构建低压交直流混合微电网同步建立了交直流微电网能量管理系统,并在现有的直流母线箱中预留可扩展接口,便于日后新上直流负荷的接入。

  • 未来直流电配电系统

1、直流配电电压等级序列研究是直流配电网络架构设计的首要问题。根据CIGRE SC6.31工作组各国直流领域专家的建议和对全球直流配电的调研情况,以及我国交直流电网目前的发展现状,结合我国现行的交直流电压标准、负荷需求、直流电源和直流设备发展情况,电网结构以及配电方式等,提出了我国直流电网未来的发展方向和设想,并进一步给出了我国直流配电电压等级序列的初步设想。我国直流配电的电压等级序列的初步设想是:

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▲直流配电的电压等级序列

2、未来交直流混联电力系统初步设想,构建直流配电网的典型应用场景是推动直流配电网体系建立的关键。不同的应用场景要发挥直流配电的技术优势,满足直流发展的技术需求,适应不同的电网结构与运行模式,还需要配置最优的直流配电设备。应从高、中、低三个电压等级提出7种直流配电系统的典型应用场景:其中,低压直流配电的典型应用场景包括:数据中心直流配网、工业园区直流配电网、居民住宅直流配网;中高压直流配电的典型应用场景包括:交流配网增容受限的城市负荷中心直流改造、不同步分区互联、多端柔性直流配电网、集结可再生能源发电的直流配电网几种典型应用场景。

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▲直流配电网典型应用场景

引用文献:

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