中低压直流配电关键技术与典型示范应用

IEECAS 中低压直流配电关键技术与典型示范应用 邓卫 中国科学院电工研究所 InstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofSciences IEECAS 背景与趋势 直流配电相关问题 OSNTENT目录 直流配电关键技术 直流配电典型应用 IEECAS 1.背景与趋势 根据《能源生产和消费革命战 略（20162030）》与党的十 九大报告要求，“十四五”期 间我国可再生能源、天然气和核能利用将持续增长，高碳化石能源利用大幅减少，能源发 展外部环境将面临深刻变化。 分布式可再生能源增长迅速 我国看眼世界大后和中国处2015-2020分布式光伏发电累计和新增井网容量 境，把能源安全性、经济性和限计井间容量（万千瓦）■新增井河套重（万千瓦） 80007236 可持续性放在首位，加强可自 主掌控的非化石能源的发展， 使分布式能源规模化，在推动4000 能源国际合作的同时，努力强 化能源自给的能力。 473 208 2810 1681 4701 1891 5773 1072 1463 2015201620172018201920.20 IEECAS 1.背景与趋势 高占比并网灵活接入 轴电网 充分消纳与稳定供能 高效利用 挑战配电网 ·分布式可再生能源电动汽车/LED/直流 发展迅速设备等广泛应用 IEECAS 1.背景与趋势 配电网中用电设备的形态和数量发生了一定变化，大量电动汽车、储能设备、直流照明等直流用电设备广泛使用。 光伏、燃料电池等分布式发电（distributedgeneration， DG)如果采用直流接入的方式，可以省去变换环节，提高整体 的运行效率。 用电设备与电源的新需求，使得发展直流配电技术成为必然！ IEECAS 背景与趋势 直流配电相关问题 OSNTENT目录 直流配电关键技术 直流配电典型应用 IEECAS 2.直流配电相关问题 1：直流配电设计复杂、经济性难以提升 交流系统直流系统互联换流站DC/DC变换器输出类型电压/V 风力大功率风电 AC690 发电小功率风电DC48,DC96,DC120,DC220,DC240 光伏 发电光伏组件（单个）DC17~DC47 铅酸蓄电池（单个)DC2,DC12,DC16,DCI8 负荷类型 直流电压/V ZA系列小型直流电动机 160,200,400,440 地铁 750,1200,1500 有轨电车 690 舰船供电系统 50,250,500,1200 企业数据中心 240,336 电动汽车 114,288,320,346,400,576 互联电压标准不统一 储能超级电容器（单个） 装置 飞轮储能（单个） 互联结构多样 >直流配电系统设计时，输出电压、直流互联电压等级缺之标准化，增 加了不必要的电力电子变换环节，降低了经济性和系统效率 IEECAS 2.直流配电相关问题 2：系统协同控制复杂度提升 desubgridinterlinkingutilitygrid dc-linkconverterac-link950 dc/ac 900 energy850 source 2.012.022.032.04 Vs 2.03 deloadsacloads acsubgrid 750 energy storageenergy 700 systems sources650 1.92.1 32 2.32.42.5 高度电力电子化短时间尺度特征 >高度电力电子化导致系统的阻尼能量较小，抵御扰动能力偏弱；运行模式切换以及故障状态时缺乏控制与保护之间的高效协调配合，无法支撑高可靠的负荷不间断转供 IEECAS 背景与趋势 直流配电相关问题 OSNTENT目录 直流配电关键技术 直流配电典型应用 IEECAS 3.直流配电关键技术1 直流电压标准 直流配电的应用范围涵盖了轨道交通的牵引供电系统、数据中心直流供电、工业园区直流负荷、直流负 载集中区的示范工程等。 >国际大电网会议（CIGRE）SC6.31认定直流配电电压等级的合理区间为1.5~100kV。 >IEEEStandard1709-2010标准推荐了用于船舶的额定电压优选值及备选值，范围为1~35kV。 >IEC60038标准将低压直流定义为低于1500V，应用范围涵盖了计算机电子、汽车、船和航天电力系统等领域。 >中国针对主要的直流应用场景，也给出了相应的电压标准，如表1所示（2018年之前） 表1直流配电相关国家及行业标准 Table1Nationalandindustrialstandards forDCdistribution 序号标准名称标准类别 行业标准 DL/T5044-2004 1 《电力工程直流系统设计技术规程》 2GB/T1402—2010国家标准 《轨道交通牵引供电系统电压》 YD5210—2011 3《数据机房高压直流供电系统技术规范》 行业标准 4T/CEC107一2016直流配电电压）团体标准 IEECAS 3.直流配电关键技术1 直流电压标准 标准规范用户侧优选值备选值 1500V：低压直流1500V：牵引系统， 限幅，IEC600381500光伏系统 1400 50000 ±35kV中45000 ±50kV中 压直流 30kV中压直流 （用于船舶） 1300压直流 120040000 1100±20kV中 ±10kV中35000压直流 24kV中压直流 （用于船舶） 1000 400V：直流通信900750V：有轨电车 压直流18kV中压直流 （用于船舶） 源限制，ETSI供电系统±3kV中 30000 12kV中压真流 EN300132-3-1 800压直流（用于船舶） 380V：紧急联合 （数据/通信标准） 700 400V：电 380V:数 3000V低压 25000 ±6kV中 压直流 600动汽车 据中心 直流（±1500） 120V：安全超低200001000V：低 电压和保护特500压直流 低电压限幅， LEC61140 49050V:以 24V:照 1500V低压 直流（±750）500060压0V：直低流 75V:欧盟LDV下限00 2006/95EC（将会被欧盟） LDV2014/35/EU取代） 太供电网明系统 48V:12V:车750V低压:10000400V:低 44压0V：直低流 SOV:IEEE 300农村 紧急联合 光伏系 用照明直流（±375) 压直流 802.3bt.802.3bu 5V:微处5000 336V:1 240V:低 24V: 理机，电子 220V低压 压直流 压直流 （空间占用标准） 产品直流(±110) 48V低 压直流 不同直流标准电压在不同领域的应用情况国内中低压直流配电电压导则电压等级情况 IEECAS 3.直流配电关键技术1 直流电压标准 中压直流配电系统的标称电压 GBkv 中华人民共和国国家标准 优选值备选价 ±50 GB/T357272017 ±35 ±10 ±3 ±20 ±6 中低压直流配电电压导则3(±1.5) CaidelisrferstandndvutiagnofediamaadlesultageDC ditribetiessysee低压直流配电系统的标称电压 V 优选俏备选值 (0于)00S 1000 750(±375) 600 440 400 2017-12-29.882018-47-01减州336 中中华国人民国共家和国标家准质量化教营督检理放委检技员总局会 220(±110) 240 110 IEECAS 3.直流配电关键技术2 系统拓扑设计 (1)基于多端口电 电力电子 变换器(1)手拉手型(2)星型 低压直流子网ACACAC ACTDCACDCACDC 力电子变换器的交直流组网形态 中压交流电网 AC LVDC MV LVAC 低压交流子网 国 (2)基于多变换交流子网1 器的交直流子网 直流子网区交流子网n ALAL ACACACTDC ACTDCACTDC 图 混合形态 交流子网2 (3)多端并供(4)环形 组网形态典型结构 IEECAS 3.直流配电关键技术2 系统拓扑设计 星型结构和环网结构的供电能力优于多端并供结构，在取得相同供电能力的情况下，星型结构更有利于负荷的均衡 0.07 D星型 0.06环型 多端并供 0.05 0.04 载负均衡度0.03 0.02 0.01 口 口 00 00090品 口 ++++++++++ 4.04.55.05.56.06.57.0 供电能力/MW Pareto前沿 IEECAS 3.直流配电关键技术2 系统拓扑设计 负荷分布比较均匀时，星型结构和环形结构可再生能源消纳能力更高：负荷分布 不均匀的情况下，多端并供结构具有更高的可再生能源消纳能力 1.091.085 环型环型 多端并供多端并供 1.08星型 电压上限 1.06 星型 电压上限 1.07 负荷 分匀布均 最大电压p.u. 1.06 1.05 1.05 负荷分布不均匀 1.045 1.04 1.03 0102030405080708090100 1.04 40424446485052545660 可再生能源渗透率/%可再生能源渗透率品 IEECAS 3.直流配电关键技术3 稳定性分析 直流网络中，常见的恒功率负载具有负阻抗特性，将会减小系统阻尼，因此需要评价恒功率负载的接入范围对系统稳定性的影响 恒阻抗负载 Source 稳定性分析方法 分析方法优缺点 物理概念明确，原理简单：具有明确、 特征值分析法 严格的判据。高阶系统建模与分析比 Load较复杂：系统结构或参数发生变化时 需要重新建模分析，效率低 阻抗分析法 仅通过阻抗匹配关系即可判断系统的稳定性，分析效率高，阻抗值可以通过实验测量获取。对于系统的稳定裕量等具体模态无法进行分析和解释 V+FP-精度高，能够直观的反映出系统受到 V4时域仿真法扰动后的响应保证精度依赖于建模过 程，仿真计算时间长。 解析法 Load Source 计算速度快。构造函数复杂、难以全面的考虑到系统中的扰动因素 恒功率负载 蒙特卡洛法 对扰动的考虑比较全面，精度高，本质上仍是仿真，计算量大：模拟结果极大地依赖于采样数量 A+A分岔理论分析可以得到稳定裕度的具体信息，得到 法系统各种情况下的运动模态。建模过 IEECAS 4.直流配电典型应用 多端拓扑：苏州工业园区直流配电示范工程 至金鸡湖变电站MMCIMMC3 1段母线 AC/DCDCIAC 20kV连接变压器1TIT3连接变压器3 20kV 园区变电站 段母线 至金鸡湖变电站MMC2MMC4 Ⅱ段母线 AC/DCDCIAC 连按变压器2T2T4连接变压器4 20kV20kV 园区变电站 Ⅱ段母线 四端口柔性接口站直流母线交流断路器 一直流负荷开关 换流站额定工况 项目MMCI站MMC2站MMC3站MMC4站 额定功率P./MW 16 16 16 16 额定直流电流Iacn/A 400 400 400 400 额定直流电压Uasp/kV ±20 ±20 ±20 ±20 IEECAS 3.直流配电关键技术3 稳定性分析 D inkMekHok C变换器 i(s)=C.sk(sI-Ak)Bkl.(s)+ C(sI-A)"Bkd,(s)+ C(sI-A,k)"Bu(s) GsG,(6)[(-(0)G(0)-f()] G.(g)=3(c) [t-1(0)]G(g)=(0) 交直变换器 ioj.b LineRine ILi,b Wci,h UinWoj,kRj.b Cline Cline 直流线路 恒功率负载 (S (1+G_G(-)G.(1+G_Gg(a))-G_G(-)Gg: Zine=Rime+Lines 建立了光伏发电等分布式能源、AC/DC、DC/DC变换器、恒功率负载、直流线路等单元的数学模型及其等效阻抗 IEECAS 3.直流配电关键技术4 不间断转供 多端直流配电系统运行时，当某一换流站