国产低压直流电能质量分析仪研发成功并投入试用

2022-08-03

        近日,国产首套低压直流电能质量分析仪在国网河北电科院投入试用,并率先开展多个低电压等级直流电能质量测试分析。
 
        直流配电系统与交流配电系统不同,直流配电系统中由于缺少惯性元件,其中各类电力电子器件产生的电能扰动在系统中传播更快,极易造成事故扩大。此外,直流配电系统不具有频率和相角的概念,电能质量问题的产生机理和评估指标均与交流系统存在较大差异,交流电能质量的常规测试和分析方法不再适用。
 
直流配电系统
 
       为求解直流电能质量测试难题,国网河北电科院技术人员深度分析直流电力系统典型拓扑结构和运行机理,从交直流配电网供电品质交互影响的关键因素出发,在电压波动和纹波系数基础上提出了快速电压变化和纹波频谱测试分析方法,研发出能够表征低压直流特征指标的直流电能质量测试技术,并配套研制出适用于1500伏及以下的低压直流电能质量分析仪。为验证装置实效性,研究人员选取直流微网、分布式源网荷和电动汽车充电桩等典型直流应用场景,分别完成了±375伏、400伏和±110伏等多个低电压等级直流配电系统电能质量测试。
 
  测试结果显示,该装置不仅可以监测分析直流系统中电压偏差、纹波、闪变以及不平衡度等稳态参数,还能够捕捉和测量直流电压暂升暂降、短时中断等暂态参数,以12.8千赫兹超高采样频率,实现对直流配电系统运行全量参数的精确测量。
 
        直流配电网
 
      直流配电网是相对于交流配电网而言的,其提供给负荷的是直流母线,直流负荷可以直接由直流母线供电,而交流负荷需要经过逆变设备后供电,如果负荷中直流负荷比例较大,直流配电将会有较大优势。直流配电网线损小,可靠性高、无需相频控制、接纳分布式电源能力强。
 
       直流配电网优势
 
      直流配电网技术特点
 
交流配电系统面临着线路损耗大、电压瞬时跌落、电压波动、电网谐波、三相不平衡现象加剧等一系列电能质量问题,迫切需要改变现有的配网结构,从而引入了直流配电网概念。直流配电网具有以下优势:
 
1、直流配电网的线路损耗小。考虑交流电缆金属护套涡流造成的有功损耗和交流系统的无功损耗,当直流系统线电压为交流系统的2倍时,直流配电网的线损仅为交流网络的15%到50%。虽然交流系统可通过无功补偿等措施来降低线损,但这将大大增加系统的建设成本和复杂性。直流配电网采用的电压源换流器和直流变压器,一般采用基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的脉宽调制(PWM)技术,因此通态损耗和开关损耗较大,所以其电能转换效率略低于交流变压器。但直流配电网的线损远低于交流配电网,且随着电力电子技术与器件的发展,其换流器的通态损耗与开关损耗不断降低,因此直流配电网的总体效率存在很大的上升空间,未来可能超越交流配电网。
 
2、直流配电网供电可靠性高。交流配电一般采用三相四线或五线制,而直流配电只有正负两极,两根输电线路即可,线路的可靠性比相同电压等级的交流线路要高。当直流配电系统发生一级故障时,另一级可与大地构成回路,不会影响整个系统的功率传输。当发生常见的单相或单极瞬时接地故障时,直流系统比交流系统响应更快、恢复时间更短,且可通过多次启动或降压运行来消除故障确保系统的正常运行。对于低压直流配电系统,可以采用多母线冗余结构来保证更高的供电可靠性。由于接入了电力电子变换器使得直流配电系统内可以形成独立的保护区域,其故障不会波及到外部系统。此外,相较交流配网而言,直流配网更便于超级电容,蓄电池等储能装置的接入,从而提高其供电可靠性与故障穿越能力。
 
3、不涉及相位、频率控制,和无功功率及交流充电电流等问题。交流系统运行时需要控制电压幅值、频率和相位,而直流系统则只需要控制电压幅值,不用涉及频率稳定性问题,没有因无功功率引起的网络损耗,也没有因集肤效应产生的损耗等问题。此外,配电网采用电缆线路己经成为趋势。但电缆沿线电容大,因此,传送交流电时会产生很大的电容充电电流,既降低了线路输电容量,也增加了线路损耗。而采用直流供电,上述问题都可以避免。
 
4、直流配电网便于分布式电源、储能装置等接入。未来的配电网应能够兼容风能、太阳能等大规模的分布式电源并网。光伏电池等发出的是一种随机波动的直流电,需要DC/DC, DC/AC换流器,并配置适当的储能装置和复杂的控制系统等才能实现交流并网;风电等则是一种随机波动的交流电,同样需要AC/DC/AC换流器,并配置适当的储能装置和复杂的控制系统才能实现交流并网;各种储能装置,如蓄电池、超级电容器、作为分布式储能单元的电动汽车充电站等,本身就是以直流电形式工作,需要双向DC/AC接入交流电网。而在直流配电网情况下,实现分布式电源并网发电及储能等接口设备与控制技术要相对简单得多。
 
5、具有环保优势。直流线路的“空间电荷效应”使电晕损耗和无线电干扰都比交流线路小,产生的电磁辐射也小,具有环保优势。直流输电的两条极性相反的架空线通常相临排布,两条电缆电流的大小相同,方向相反,且相距很近,所以,其对外界产生的磁场可以等效为0,相互抵消。而交流输电系统采用三相制,所以,其产生的磁场强度和磁场范围比直流输电线路大很多,且对人体和其他动植物产生的危害较直流更大。
 
直流配电网拓扑结构
 
       直流配电系统的未来趋势应包括中压配电网和用户侧低压配电网的公共配电网络,即中压直流配电系统和低压直流配电系统。其中直流配电网的拓扑结构和电压等级的选择是直流配电网的重要因素。
 
确定直流配电网的拓扑结构有以下几点需要注意 :
 
1、直流配电系统必须能够与大电网并网运行,所以并网变换器必须具有功率双向流动的特性,以便将DG发出的过剩能量传输给交流电网;
 
2、直流配电系统必须能够为负载提供较为稳定的电压;
 
3、直流配电系统必须具有较高的安全可靠性。
 
低压直流配电网拓扑结构
 
1、按上层传输方式分类
 
低压直流配电网即用户侧直流配电网。按上层传输方式分类,配电网的拓扑结构可分为两类。如图7所示,交流传输、直流传输的DC配电系统结构。
 
低压直流配电网拓扑结构
 
       由于目前各国对直流配电网的研究都还处在试验探索阶段,对直流配电网的深入研究,尤其是对直流配电网接入电网装置的研究及其关键设备的研制目前接近空白,因此,现在大部分的研究都集中在如图7中(a)所示的上层为交流传输的低压直流配电系统;图7中(b)所示的直流配电系统将是未来的发展方向。
 
2、按交流负荷供电方式分类
 
按交流负荷供电方式分类可分为两种:集中型供电模式和模块式的辐射型供电模式。集中式低压直流配电系统参见图8中(a),两个交流系统靠一条直流线路相连。用户与直流系统相连,多个用户从一个变流器取电。辐射型参见右图8中(b)。用户不直接与直流系统相连,每一个用户对应一个变流器。
 
1)集中式供电模式是类似于高压直流输电的直流配电系统。多个用户从一个变流器取电,此种拓扑结构简单,变流器效率高,但其扩展和冗余能力较差,不适宜分布式电源的接入,且变流器容量大、负担重、可靠性也会降低。适用于电源和负荷均比较集中的情况。
 
2)模块式直流配电系统。用户间接与直流系统相连,每个用户作为一个单独模块各自对应一个变流器,此种拓扑结构扩展能力和冗余能力都很强,但变流器效率低。适用于电源和负荷均比较分散的情况。
 
       直流配电系统有利于分布式电源并网和直流负荷用电,通常分布式电源由于地理环境因素,安装会比较分散;低压直流配电网的直流用户可直接通过变换器从直流母线上取电,故用户也可比较分散;为了兼容更多的分布式电源和负荷接入系统,就必须充分考虑到系统的扩展性,因此,直流配电系统适合采用辐射型网络结构。
 
       当前,国内直流配电工程建设步入了快速发展阶段。直流配电系统通过电力电子技术,以直流形式实现源荷储的互联和调节,具有供电容量大、可靠性高、源荷适应性强等优势。
 
       该装置的研制成功将满足低压直流配电系统的电能质量测试需求,同时为直流配电工程的规划设计、运行维护以及直流电能质量标准制定提供了有力依据。
 
 
 
 
 
 
广州市广镒机电有限公司
来源:科技日报
 
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