由于大規(guī)模、遠距離輸配電技術發(fā)展的推動，世界上絕大部分電力采用交流輸/配電作為主流的傳輸模式。但近年來隨著電力電子技術的發(fā)展，直流配電或用電設備越來越普遍。傳統(tǒng)配電網(wǎng)主要采用交流配電模式，直流配用電設備必須采用DC/AC換流器或AC/DC整流器。直流配電系統(tǒng)可以簡化現(xiàn)有配用電設備中大量的交直流變換環(huán)節(jié)，減少能源在傳輸過程中的損耗，提高能源利用效率。絕大多數(shù)的新能源發(fā)電和負載都是直流設備，電網(wǎng)很容易采用直流供電方式，當前采用交流供電，因此有必要探索直流供電方式。
由于電力技術發(fā)展主流方向已經(jīng)形成，目前世界上尚沒有大規(guī)模、商業(yè)化的直流公共配電網(wǎng)的應用實例。直流配電技術要想在電力系統(tǒng)中得到廣泛應用，還有很長的路要走，交直流混合配電更有可能成為可行的過渡技術模式。
南京供電公司在“十二五”期間，通過開展 “一流配電網(wǎng)”的規(guī)劃建設，開展了主動配電網(wǎng)規(guī)劃等方面的研究。在此基礎上，又開展了交直流微電網(wǎng)的研究和示范應用，對南京地區(qū)交直流混供模式的探索有開創(chuàng)性意義。
1交直流混供模式的發(fā)展現(xiàn)狀
據(jù)了解，荷蘭能源研究中心(ECN)于1997年系統(tǒng)地提出在住宅中采用直流配電技術的實施方案，國際能源機構(IEA)對此予以肯定。
瑞典蘭德大學研究了直流配電系統(tǒng)的電壓控制和功率分配，研究的對象為五端環(huán)形電網(wǎng)，探討了直流配電網(wǎng)的特征。歐洲已經(jīng)出現(xiàn)了采用直流300V供電的體育場試驗項目、采用直流350V住宅供電試驗項目以及其他一系列直流供電技術驗證項目，側重于直流微電網(wǎng)的研究。
日本政府有關部門以及日本新能源與產(chǎn)業(yè)技術開發(fā)機構(NEDO)等組織了多家日本企業(yè)和大學，開展住宅直流配電技術的研發(fā)工作。
2007年，美國弗吉尼亞理工大學CPES中心提出了“Sustainable Building Initiative (SBI)”研究計劃，主要為未來住宅和樓宇提供電力。隨著研究的深入，CPES于2010將SBI發(fā)展為SBN (Sustainable Building and Nanogrids)，其典型結構中具有兩個電壓等級的直流母線DC 380V和DC 48V，分別給不同等級的負載供電。在SBN研究的基礎上，結合高壓直流輸電的發(fā)展，CPES還提出了交直流配電分層連接的混合配電系統(tǒng)結構。在該結構中，交流配電網(wǎng)和直流配電網(wǎng)是同時存在的，系統(tǒng)根據(jù)電壓等級從低到高依次分為皮網(wǎng)、納網(wǎng)、微網(wǎng)、子網(wǎng)，這些網(wǎng)絡系統(tǒng)均通過電力電子變換器與上層配電母線連接，由此采用分層的結構組成了一個交直流混合的配電網(wǎng)絡。
目前，國內對于直流配電網(wǎng)的研究仍處于起步階段，交直流活配電技術從規(guī)劃設計、調度運行、控制與保護、關鍵設備、經(jīng)濟分析等方面還有大量問題需研究。許多關于交直流配電技術的研究成果并沒有得到實踐的檢驗，還需要不斷完善。借鑒國外經(jīng)驗開展相關試驗項目，探索適合中國國情的直流配電適用技術及運行模式，作為技術儲備，有必要開展相應的前瞻性研究。
2低壓交直流混合供電模式研究
當前，能源領域正在發(fā)生生產(chǎn)方式和消費方式的新變革，各種新能源和多樣性負荷的接入，對電網(wǎng)的發(fā)展形成了新的挑戰(zhàn)和機遇。電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行要求供需實時平衡，而風力、光伏等可再生能源發(fā)電具有間歇性、不確定性的特性，其所發(fā)電能存在無法完全消納的問題。同時，隨著多樣性負荷的接入，直流負荷亦體現(xiàn)出其優(yōu)越性。而應用分布式儲能技術與風電、光伏等分布式電源以及用戶多種負荷組建成能夠實現(xiàn)自我控制、保護和管理的微電網(wǎng)正是一項可有效解決這一問題的關鍵技術。交直流混合微電網(wǎng)使處于電力系統(tǒng)管理邊緣的大量分布式電源并網(wǎng)成為可能，有效弱化了分布式電源接入電力系統(tǒng)后的不可控、不安全和不穩(wěn)定情況，解決了分布式發(fā)電面臨的許多技術障礙和質疑。通過加入分布式儲能裝置將地域相近的分布式電源與負荷結合起來形成微電網(wǎng)系統(tǒng)進行協(xié)調控制，對配電網(wǎng)來說則表現(xiàn)為“電網(wǎng)友好型”的單個可控集合，既可以與大電網(wǎng)進行能量交換，又可在大電網(wǎng)發(fā)生故障時獨立運行。因此，開展交直流混合微電網(wǎng)示范應用，不僅可以促進示范區(qū)內各類可再生能源的有效消納，還可以對示范區(qū)內多種不同類型的負荷進行有效管理和控制，同時還可以有效提高示范區(qū)內的供電可靠性，具有積極的示范作用。
2.1直流電壓等級的選取
2.1.1 直流電壓等級的理論計算方法 (略)
2.1.2 用戶端低壓直流電壓等級的設置
參考現(xiàn)有特殊直流供電場合標準(數(shù)據(jù)中心用380V，通信基站用48V)，已有較成熟設備和供電方案。同時考慮到用雙極接線的方式，可選擇從48V(+/-24V雙極接線方式)單相供給24V直流入戶，是滿足家庭一般用電設備的安全電壓等級。用戶端低壓建議采用380V和48V。
2.1.3 公共配網(wǎng)端低壓直流電壓等級的設置
參考歐盟標準(EU LVD 72/23/EEC)將1kV交流/1.5kV直流及以下的設備劃分為公共配電網(wǎng)區(qū)域的低壓直流設備。1.5kV直流相比380V(0.4kV)和1kV交流系統(tǒng)可輸送能力大大提高，1.5kV直流采用雙極接線的方式，可方便通過單相接出750V直流電壓，利用成熟變換設備，作為原380V交流系統(tǒng)及規(guī)劃中入戶低壓直流系統(tǒng)的備用供電支路。因此，公共配網(wǎng)端低壓直流電壓建議選取1.5kV。
2.1.4 中壓直流電壓等級的設置
考慮到以下因素：①在存量10kV手拉手配電網(wǎng)絡基礎上，增加直流配電互聯(lián)，可以實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)供電;②大規(guī)模分布式能源供給支路，可提供城市在緊急狀況時獨立于原交流系統(tǒng)運行所需的大容量有源接入。在現(xiàn)狀交流10kV的基礎上以絕緣、整流器為約束條件，得出直流極對地電壓可選范圍為8.49～13.45kV。
2.2直流接地模式的研究
接線方式可以采用不接地、高阻接地和低阻接地等方式，大地也可以與兩電極中的一極或者變換器和電池的中性點連接。直流單極和雙極系統(tǒng)的接地模式分別見圖1和圖2。
圖1 直流單級系統(tǒng)的接地模式
圖2 直流雙極系統(tǒng)的接地模式
2.3直流供電的典型接線模式
直流供電網(wǎng)分為單極和雙極供電兩種模式。在低負荷密度時，單極LVDC系統(tǒng)和雙極LVDC系統(tǒng)的系統(tǒng)損耗和可靠性成本差別不大。在高負荷密度時，雙極系統(tǒng)的可靠性成本較低，雙極系統(tǒng)的LVDC最小經(jīng)濟百分比比單極系統(tǒng)低。直流單極和雙極系統(tǒng)的典型接地模式見圖3和圖4。
圖3 直流單級系統(tǒng)的典型接線模式
圖4 直流雙極系統(tǒng)的典型接線模式
3南京低壓交直流混合微電網(wǎng)應用示范
3.1示范區(qū)的選取
南京眾彩農(nóng)副產(chǎn)品物流配送中心總占地面積3000畝，規(guī)劃總建筑面積107萬m2，是南京城市居民農(nóng)副產(chǎn)品消費、農(nóng)產(chǎn)品交易平臺，現(xiàn)代化農(nóng)副產(chǎn)品物流基地，供電可靠性要求較高(地理區(qū)位圖見圖5)。目前，區(qū)內已接入裝機容量達6.18MWp的分布式屋頂光伏以及5MW的填埋氣發(fā)電等可再生能源發(fā)電。區(qū)內已投運的用電負荷主要包含有農(nóng)副產(chǎn)品物流區(qū)、交易和展示區(qū)、冷庫區(qū)以及商務辦公、商業(yè)服務、酒店餐飲娛樂、濱水娛樂中心等業(yè)態(tài)，負荷性質多樣。
圖5 物流園地理區(qū)位圖
3.2示范區(qū)的供電現(xiàn)狀
南京眾彩農(nóng)副產(chǎn)品物流配送中心目前由位于區(qū)域南側的220kV高橋變電站新出的4回10kV線路提供電源，分別為10kV佘村線、大理線、謝家1號線和謝家2號線。其中，10kV佘村線和大理線接入位于交易市場1區(qū)的1號中心站供電，10kV謝家1號線和謝家2號線接入10kV開閉所后分別接入位于交易市場5區(qū)的2號中心站和位于冷庫區(qū)的潤恒物流配電室。物流園局部現(xiàn)狀中壓配電網(wǎng)接線見圖6，分布式電源接入接線見圖7。
圖6 物流園局部現(xiàn)狀中壓配電網(wǎng)接線示意圖
圖7 物流園區(qū)分布式電源接入接線示意圖
3.3示范區(qū)的建設目標
通過試點構建中壓交直流混合微電網(wǎng)，研究交直流混合供電的可行性，掌握交直流混合微電網(wǎng)運行、供電的數(shù)據(jù)，獲得相關運行經(jīng)驗，為直流供電積累經(jīng)驗。并主要實現(xiàn)以下目標：
① 分布式能源基本實現(xiàn)就地消納：充分發(fā)揮園區(qū)分布式能源優(yōu)勢，應用分布式能源及微電網(wǎng)規(guī)劃技術和分布式儲能技術，實現(xiàn)區(qū)域源—儲—荷的綜合協(xié)調運行和分布式能源的基本就地消納。
②區(qū)域微電網(wǎng)安全、可靠、穩(wěn)定運行：應用區(qū)域微電網(wǎng)協(xié)調運行控制技術，通過源—儲—荷間的相互協(xié)調運行，顯現(xiàn)區(qū)域微電網(wǎng)安全、可靠、穩(wěn)定運行。
③交直流負荷優(yōu)化配置：構建交直流混合微電網(wǎng)，集中展示交直流混合微電網(wǎng)運行水平和供電質量。
3.4交直流混合網(wǎng)試點建設方案
在電源側，逆變器型分布式電源發(fā)出的電力均為直流電或經(jīng)簡單整流變?yōu)橹绷麟?，這些直流電源如并入直流配電網(wǎng)，則可省去大量的換流環(huán)節(jié)。在用電側，直流配電技術的應用，主要體現(xiàn)在用電負荷，如辦公用電、商業(yè)用電、居民用電?？捎糜谥绷鞴╇姷挠秒娫O備主要包括：照明(白熾燈和熒光燈)，烹飪和加熱，直流電動機(采用直流變頻技術的空調、冰箱、洗衣機)，計算機和辦公設備，電動汽車充電等。
目前物流園區(qū)的負荷主要為倉儲、照明、空調、辦公、冷庫、電梯、電動汽車充電樁等。先對現(xiàn)有的主要用點設備進行梳理，找出潛在可能改造的直流用電設備(負荷)。物流園區(qū)內潛在直流用電設備統(tǒng)計見表1。
考慮到先期試點應用，不影響物流園用電可靠性，構造中壓交直流混合微電網(wǎng)宜選取部分方便改造、易于接入的設備。最終選取物流園水果區(qū)的屋頂光伏、水果區(qū)辦公樓及酒店的部分負荷接入，構建中壓交直流混供微電網(wǎng)。最終選取的負荷設備清單及進線電纜截面見表2。
此外，再選取5臺物流園區(qū)內直流快速充電樁(DC750V，60kW)接入交直流混合網(wǎng)。選取1臺(300kW)園區(qū)內已有的儲能裝置接入網(wǎng)絡。
物流園區(qū)交直流混合微電網(wǎng)的構建方案為：從物流園水果區(qū)的屋頂太陽能光伏板的2個匯流母線箱分別引出兩路直流電源至新建的直流母線箱，考慮到日后直流負荷的發(fā)展，本次新建的直流母線箱預留2個可擴展接口，方便新增的直流負荷接入。同期新建5臺DC/DC轉換裝置，物流園水果區(qū)的LED照明、酒店餐廚等用電設備通過DC/DC轉換器接入直流母線箱。物流園低壓交直流混供接線見圖8。
圖8 物流園低壓交直流混供接線示意圖
3.5低壓交直流混合微電網(wǎng)建設投資估算
該工程共計新建低壓直流電纜約200m，DC/DC轉換裝置6套，直流母線箱一面(直流斷路器型)，總投資約25萬元。物流園區(qū)試點工程一次設備規(guī)模見表3。
4效益分析
為便于分析，將該試點交直流混供微電網(wǎng)的經(jīng)濟效益簡單分為2個部分：①運行產(chǎn)生的效益;②未來直流負荷接入產(chǎn)生的效益。
第一部分運行的效益涉及的因素較多，為了簡化計算便于理解，本文只計及交直流變換環(huán)節(jié)減少后帶來的能耗的減少。一臺逆變器的年損耗約為65.7萬kWh，折算成電費約為45萬元/年。
第二部分，經(jīng)咨詢園區(qū)管委會，近兩年物流園區(qū)為配套凈菜配送業(yè)務，將新建100座直流電動汽車充電樁。由于直流充電樁具有快速充電的優(yōu)勢，充電效率為交流充電樁的1倍左右，如改為交流充電樁，為滿足園區(qū)凈菜配送的需求，則需配備160座交流充電樁。目前同功率的交、直流充電樁市場價格相差不大，按照每臺8萬元考慮，使用直流充電樁，園區(qū)節(jié)約480萬元的設備采購成本。
綜上，一年內，采用交直流混合微電網(wǎng)供電，潛在的經(jīng)濟效益約為45萬元+480萬元=525萬元，去除改造費用25萬元，經(jīng)濟效益為500萬元。
5結語
本文介紹了南京眾彩物流園中壓交直流混供微電網(wǎng)的建設方案，并對園區(qū)內潛在的直流用電設備做了梳理，評估了其建設改造的可行性，通過構建低壓交直流混合微電網(wǎng)同步建立了交直流微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，并在現(xiàn)有的直流母線箱中預留可擴展接口，便于日后新上直流負荷的接入。本文為未來交直流混供網(wǎng)絡的建設提供了改造經(jīng)驗，隨著交直流微電網(wǎng)運行經(jīng)驗的積累，可以為未來直流網(wǎng)絡的發(fā)展提供參考。該方案的經(jīng)濟效益可在未來長期運行之后得到體現(xiàn)。通過對近兩年直流負荷的接入投資評估，直流微電網(wǎng)的建設具有可觀的經(jīng)濟效益。
原標題:【城市交直流靈活供電技術】南京低壓交直流混合微電網(wǎng)研究及試點應用
