低壓直流配電技術(shù)的研究綜述

摘要：文章首先對低壓直流配電技術(shù)的發(fā)展歷程做了概述，之后對低壓直流配電系統(tǒng)的分類、元件組成、特點、換流器理論及存在的問題進(jìn)行了分析。與交流配電技術(shù)相比，低壓直流配電技術(shù)在電能輸送能力、線路損耗和輸電質(zhì)量等方面具有優(yōu)勢，但是其本身仍然存在諸多不足，低壓直流配電系統(tǒng)的設(shè)計和改進(jìn)是相關(guān)專業(yè)人員今后重要的研究方向。

關(guān)鍵詞：低壓直流；配電技術(shù)；電力系統(tǒng)；電力電子技術(shù)；換流器；濾波器 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM721 文章編號：1009-2374（2016）33-0127-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.062

1 概述

近年來，人們對電力系統(tǒng)的要求越來越高，電力電子技術(shù)的發(fā)展相對成熟，更多先進(jìn)的、滿足人們不同需求的電力技術(shù)被應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。比如，相對高壓直流配電技術(shù)的廣泛運用，低壓直流配電（簡稱LVDC）也逐漸得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和電力系統(tǒng)中的運用。雖然早期配電系統(tǒng)中的直流配電技術(shù)存在電壓過低、容量小和輸送距離短等不足，并且一度被交流技術(shù)所取代，但是隨著電力系統(tǒng)不斷完善和改進(jìn)，直流配電技術(shù)在元器件上的改進(jìn)，如降低換流器的造價成本和耐壓值、提高電流輸送量等，使本技術(shù)重新得到了廣大的關(guān)注。

從早期的研發(fā)到后期的改進(jìn)，重新得到重視，可以看出低壓直流配電技術(shù)一直是人們研究的熱點，比如LDVC技術(shù)分析和問題研究等。研究的重點主要是圍繞如何提高電力系統(tǒng)的傳輸能力和如何最大程度降低傳輸過程中造成的損耗等。相對交流電來說，后期得到廣泛應(yīng)用的直流配電擁有的優(yōu)勢包括：（1）直流電流不受輸電線路電感的影響，從而提高電能輸送；（2）直流配電電壓要比交流電配電電壓高，從而延長了電能的輸送距離，保證了電能的輸送質(zhì)量。

本文詳細(xì)介紹了低壓直流配電技術(shù)，包括低壓直流配電技術(shù)的類型、主要元器件和理論基礎(chǔ)等，并對此技術(shù)中存在的問題加以分析研究。低壓直流配電技術(shù)一直都是電力領(lǐng)域討論的重點，在其取得可觀成績的同時，也存在著諸多嚴(yán)重的不足，如輸電電壓、電容量和輸電距離等。隨著電力電子技術(shù)的逐漸成熟，研究人員只有不斷對低壓直流配電技術(shù)的研究和改進(jìn)，才能保證電力系統(tǒng)的可靠度和高效運行，滿足現(xiàn)代人對電力系統(tǒng)更高的要求。

2 低壓直流配電技術(shù)的綜述

電力系統(tǒng)中，隨著高壓直流輸電技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用范圍不斷擴大。2009年12月，世界第一個達(dá)到±800kV特高壓的直流輸電工程建成，其起始點是云南，終點為廣東，此直流輸電線路電壓從0kV成功升至800kV。直流配電從此以后便成為在更換線路成本較高時首要的替代選擇。相較高壓直流配電技術(shù)，低壓直流配電技術(shù)在電力系統(tǒng)的運用較晚，究其原因，低壓直流配電技術(shù)有其自身的不足，同時人們對這些問題的研究還不夠深入，尚未妥善解決，這跟低壓直流配電系統(tǒng)分類復(fù)雜有一定的關(guān)系。因此，相關(guān)研究人員有必要進(jìn)行更深層次的鉆研并且解決相應(yīng)問題是推動整個電力系統(tǒng)安全高效運行的基礎(chǔ)。本文在此對低壓直流配電技術(shù)的分類、主要組成元器件、特點及基本原理做了詳細(xì)的介紹。

2.1 低壓直流配電技術(shù)的分類

2.1.1 按拓?fù)浞诸?。?）高壓輸電型。此類型的配電技術(shù)系統(tǒng)中的兩個交流系統(tǒng)通過連接一條直流線路而相通。用電用戶可以與直流系統(tǒng)連接，并且多個用戶可從一個變流器中獲取電能；（2）輻射型。此類型的低壓直流輸電系統(tǒng)中與高壓輸電型有明顯不同的是，本系統(tǒng)中的用戶與直流系統(tǒng)不直接相連，并且每一個用戶對應(yīng)唯一的變流器。

2.1.2 按直流輸電系統(tǒng)中連接方式分類。（1）單極型。單極型的低壓直流配電系統(tǒng)是利用一條導(dǎo)線來連接，通常情況以大地或水作為返回回路，顯示負(fù)極特性。但是，在強的干擾情況下，如電阻率太高或者其他金融結(jié)構(gòu)性干擾等，用金屬代替大地作為返回回路，并且使金屬回路在低電壓下運行。更特別的是，必須用額定電壓器來測量每端的直流電源，兩級結(jié)構(gòu)的運行可獨立開來。（2）雙極型。顧名思義，雙極型的低壓直流配電系統(tǒng)是用正負(fù)兩條導(dǎo)線連接的，是比較常見的配電系統(tǒng)類型。系統(tǒng)兩端在直流側(cè)串接兩個換流器，這兩個換流器額定電壓相同，同樣兩極運行可獨立。需要特別注意的是，接地電流對附近的煤氣或天然氣管道可產(chǎn)生局部影響，由于管道可作為導(dǎo)體，從而有可能對金屬造成腐蝕，因此用大地作為回路時需要妥善解決此類問題。

2.2 低壓直流配電系統(tǒng)的組成元件

2.2.1 換流器。換流器是完成交流/直流（AC/DC）和直流/交流（DC/AC）之間變換的元件，由閥橋和帶負(fù)載調(diào)分接頭的變壓器組成，其中閥橋是由電力電子元件的六脈或十二脈電路組成。

2.2.2 平波電抗器。平波電抗器串聯(lián)在換流器的每個極上，其規(guī)模和規(guī)模相對都較大，用途是減小直流線路內(nèi)的諧波電壓和電流、保證輕載電流的連續(xù)、防止逆變器的性能降低和一旦發(fā)生短路時能夠限制整流器的峰值電流等。

2.2.3 濾波器。濾波器就是一個過濾掉交流電與直流電運行中產(chǎn)生的諧波形式的元件，從而避免或降低干擾因素對電力電子元件的影響。

2.2.4 無功源。換流器在工作過程中離不開無功功率，因此換流器周圍需要安裝無功功率裝備，同時交流濾波器在運行過程中也會產(chǎn)生部分無功功率。

2.2.5 接地。通常情況下，直流系統(tǒng)以大地為接地；特殊情況下，如大地電流過大或電阻率過高時需要特別安裝接地極。

2.2.6 直流線路。架空線或電纜可以用來做直流線路。

2.3 直流配電技術(shù)特點

直流配電技術(shù)主要采用直流形式進(jìn)行電能輸送，其相對交流配電技術(shù)有一定的優(yōu)勢。

2.3.1 可靠性高。直流配電線路中需要兩根導(dǎo)線，其線路可靠度相對同電壓等級的交流線路要高。當(dāng)其中一條線路出現(xiàn)故障時，另一條線路與大地構(gòu)成回路，繼續(xù)輸送功率，對于處理不完全故障的反應(yīng)速度相比，直流配電技術(shù)更快，修復(fù)時間更短，甚至可以通過其他手段來自動排除故障、恢復(fù)線路正常運行等。

2.3.2 效率更高。在直流配電系統(tǒng)中產(chǎn)生的損耗很小，比如相對交流電產(chǎn)生的損耗，直流電中除了電力電子變換器損耗外，幾乎沒有無功功率的網(wǎng)絡(luò)損耗和集膚效應(yīng)損耗。隨著科技的不斷完善，變換器的效率也在快速提高。

2.4 換流器理論

由上述對低壓直流配電系統(tǒng)主要組成元件的敘述和特點的分析，本段對其中換流器理論加以分析。對換流器理論的研究就要從換流器的電路、交流電流跟相位的關(guān)系以及逆變器的工作原理等方面進(jìn)行。

2.4.1 換流器電路。換流器電路主要是三相全波橋式電路形式，三相全波橋式電路形式相較其他接線模式有更高的電壓器利用率。換流變換器通常在交流側(cè)具有帶負(fù)載調(diào)分接頭用來控制電壓，通常用中性點接地的星形接線或者三角形接線。系統(tǒng)內(nèi)部恒定電壓和頻率，是直流電流在恒定狀態(tài)下將電子器件作為安全可靠的開關(guān)。接通電源時，電阻為零；在斷開狀態(tài)下電阻無限增大。

2.4.2 交流電流和相位的關(guān)系。交流電流和相位關(guān)系的判定可通過變量和常量設(shè)置來確定。無論是整流還是逆變狀態(tài)，換流器都需要吸收無功功率來進(jìn)行正常運行。在各常量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時便可實現(xiàn)無功補償。

2.4.3 逆變器。與HVDC系統(tǒng)逆變側(cè)的交流輸出不同的是，低壓直流配電的交流輸出可以是單相。因為低壓配電網(wǎng)的形式主要是輻射型，線路多數(shù)連接用戶和電源。由于用戶一般情況下只使用單相交流電，因此逆變單元可只利用單相逆變或者三相逆變。

3 低壓直流配電存在的問題

3.1 諧波

大量電力電子器件的廣泛運用產(chǎn)生了諧波。低壓直流配電系統(tǒng)中的變流器主要由電力電子電路組成，本節(jié)主要分析了變電器中諧波的特性，并對濾波器設(shè)計做簡要說明。

3.1.1 低壓直流配電系統(tǒng)交流側(cè)的諧波。低壓直流配電系統(tǒng)交流側(cè)產(chǎn)生的諧波，其波形并未有換相重疊或沒有脈動現(xiàn)象，可以采用設(shè)定或假定的方式對正弦換相的電壓和換流器的間隔程度加以計算等。

3.1.2 濾波器。憑借當(dāng)前的研究水平，研究諧波的方法目前有兩種：設(shè)置濾波器和改造諧波源。通過改變?yōu)V波器電容來提高整流裝置相數(shù)和無功補償部分功能，這樣能同時減輕無功補償裝置負(fù)擔(dān)和降低設(shè)備運行成本。

3.2 諧波與無功補償

低壓直流配電系統(tǒng)主要通過無功功率來控制電壓，且低壓直流配電系統(tǒng)的無功功率損耗較大，因此無功補償技術(shù)在低壓直流配電系統(tǒng)運行中尤為重要。要實現(xiàn)更好地控制無功功率，可通過電容器并聯(lián)方法，將電容器并聯(lián)既節(jié)約成本、操作簡單，又方便靈活，成為控制無功功率的主要方式。

3.2.1 諧波對并聯(lián)電容器影響。諧波電流在電容器基波上的疊加使電容器的電流增加了利用價值，溫度的升高容易降低電容器的壽命。

3.2.2 電容器并聯(lián)對諧波影響。電容器并聯(lián)后參與到低壓直流配電系統(tǒng)的運行，造成系統(tǒng)諧波阻抗感性或者容性的變化。另外，針對特定的諧波來說，電容器并聯(lián)可能還會與低壓直流配電系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振等現(xiàn)象。

3.3 電力電子元件可靠性

變流器被運用到低壓直流配電系統(tǒng)中是影響電力電子元器件壽命、干擾系統(tǒng)電路可靠度和引發(fā)電力電子元件故障的因素。壽命問題繼而影響到了元件的維護(hù)成本和整個系統(tǒng)中換流器的運行成本。

3.4 低壓直流配電的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

低壓直流配電系統(tǒng)連接了用戶和電力系統(tǒng)，用戶側(cè)交流用電系統(tǒng)和整流變壓器一側(cè)電能質(zhì)量的評價考核應(yīng)與交流系統(tǒng)的要求一致。低壓直流配電系統(tǒng)的完善是為了更加高效地進(jìn)行電能輸送，因此保證換流器的效率、線路的可靠性和電力電子元件的壽命是電力系統(tǒng)正常、高效運行的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：郭長剛（1970-），男，山東禹城人，供職于國網(wǎng)德州供電公司開發(fā)客戶分中心業(yè)擴拓展班，研究方向：配電線路。

（責(zé)任編輯：小 燕）