由于大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸配電技術(shù)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(shù)的發(fā)展，直流配電或用電設(shè)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(shè)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(shè)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(fù)載都是直流設(shè)備，電網(wǎng)很容易采用直流供電方式，當(dāng)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(shù)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(yīng)用實例。直流配電技術(shù)要想在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)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(shù)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(shè)，開展了主動配電網(wǎng)規(guī)劃等方面的研究。在此基礎(chǔ)上，又開展了交直流微電網(wǎng)的研究和示范應(yīng)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(shù)的實施方案，國際能源機構(gòu)(IEA)對此予以肯定。
瑞典蘭德大學(xué)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(shù)驗證項目，側(cè)重于直流微電網(wǎng)的研究。
日本政府有關(guān)部門以及日本新能源與產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機構(gòu)(NEDO)等組織了多家日本企業(yè)和大學(xué)，開展住宅直流配電技術(shù)的研發(fā)工作。
2007年，美國弗吉尼亞理工大學(xué)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(jié)構(gòu)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(fù)載供電。在SBN研究的基礎(chǔ)上，結(jié)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(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)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(luò)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(jié)構(gòu)組成了一個交直流混合的配電網(wǎng)絡(luò)。
目前，國內(nèi)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(shù)從規(guī)劃設(shè)計、調(diào)度運行、控制與保護、關(guān)鍵設(shè)備、經(jīng)濟分析等方面還有大量問題需研究。許多關(guān)于交直流配電技術(shù)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(guān)試驗項目，探索適合中國國情的直流配電適用技術(shù)及運行模式，作為技術(shù)儲備，有必要開展相應(yīng)的前瞻性研究。
2低壓交直流混合供電模式研究
當(dāng)前，能源領(lǐng)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(fù)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(fēng)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(fù)荷的接入，直流負(fù)荷亦體現(xiàn)出其優(yōu)越性。而應(yīng)用分布式儲能技術(shù)與風(fēng)電、光伏等分布式電源以及用戶多種負(fù)荷組建成能夠?qū)崿F(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(guān)鍵技術(shù)。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(shù)障礙和質(zhì)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(fù)荷結(jié)合起來形成微電網(wǎng)系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)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(yīng)用，不僅可以促進示范區(qū)內(nèi)各類可再生能源的有效消納，還可以對示范區(qū)內(nèi)多種不同類型的負(fù)荷進行有效管理和控制，同時還可以有效提高示范區(qū)內(nèi)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(shè)置
參考現(xiàn)有特殊直流供電場合標(biāo)準(zhǔn)(數(shù)據(jù)中心用380V，通信基站用48V)，已有較成熟設(shè)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(shè)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(shè)置
參考?xì)W盟標(biāo)準(zhǔn)(EU LVD 72/23/EEC)將1kV交流/1.5kV直流及以下的設(shè)備劃分為公共配電網(wǎng)區(qū)域的低壓直流設(shè)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(shè)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(shè)置
考慮到以下因素：①在存量10kV手拉手配電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)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(chǔ)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(fù)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(fù)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(yīng)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(nèi)已接入裝機容量達(dá)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(nèi)已投運的用電負(fù)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(wù)辦公、商業(yè)服務(wù)、酒店餐飲娛樂、濱水娛樂中心等業(yè)態(tài)，負(fù)荷性質(zhì)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(cè)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(shè)目標(biāo)
通過試點構(gòu)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(guān)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(biāo)：
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(yīng)用分布式能源及微電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)和分布式儲能技術(shù)，實現(xiàn)區(qū)域源—儲—荷的綜合協(xié)調(diào)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(yīng)用區(qū)域微電網(wǎng)協(xié)調(diào)運行控制技術(shù)，通過源—儲—荷間的相互協(xié)調(diào)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(fù)荷優(yōu)化配置：構(gòu)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(zhì)量。
3.4交直流混合網(wǎng)試點建設(shè)方案
在電源側(cè)，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)橹绷麟姡@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(cè)，直流配電技術(shù)的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在用電負(fù)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(shè)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(shù)的空調(diào)、冰箱、洗衣機)，計算機和辦公設(shè)備，電動汽車充電等。
目前物流園區(qū)的負(fù)荷主要為倉儲、照明、空調(diào)、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(shè)備進行梳理，找出潛在可能改造的直流用電設(shè)備(負(fù)荷)。物流園區(qū)內(nèi)潛在直流用電設(shè)備統(tǒng)計見表1。
考慮到先期試點應(yīng)用，不影響物流園用電可靠性，構(gòu)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(shè)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(fù)荷接入，構(gòu)建中壓交直流混供微電網(wǎng)。最終選取的負(fù)荷設(shè)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(nèi)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(nèi)已有的儲能裝置接入網(wǎng)絡(luò)。
物流園區(qū)交直流混合微電網(wǎng)的構(gòu)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(fù)荷的發(fā)展，本次新建的直流母線箱預(yù)留2個可擴展接口，方便新增的直流負(fù)荷接入。同期新建5臺DC/DC轉(zhuǎn)換裝置，物流園水果區(qū)的LED照明、酒店餐廚等用電設(shè)備通過DC/DC轉(zhuǎn)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(shè)投資估算
該工程共計新建低壓直流電纜約200m，DC/DC轉(zhuǎn)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(shè)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(fù)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(wù)，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(shè)備采購成本。
綜上，一年內(nèi)，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(jié)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(shè)方案，并對園區(qū)內(nèi)潛在的直流用電設(shè)備做了梳理，評估了其建設(shè)改造的可行性，通過構(gòu)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(yù)留可擴展接口，便于日后新上直流負(fù)荷的接入。本文為未來交直流混供網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)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(luò)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(fù)荷的接入投資評估，直流微電網(wǎng)的建設(shè)具有可觀的經(jīng)濟效益。
原標(biāo)題:【城市交直流靈活供電技術(shù)】南京低壓交直流混合微電網(wǎng)研究及試點應(yīng)用
