直流配电网技术在连岛智能电网中的应用研究

吴旺东

摘要：随着社会与经济的高速发展，工业生产和社会生活对电力的需求日益增高，系统稳定、供电质量高的直流配电网引起越来越多的关注与重视。本文通过对连岛智能电网建设的应用研究，阐述直流配电网的基本拓扑、应用实例，希望为我国智能电网建设，特别是分布式能源接入微电网建设提供新的思路、技术和方向。

关键词：能源互联网；智能电网；直流配电网；连岛

随着光伏发电、风电以及风光互补路灯、直流充电桩等分布式能源日益普遍地接入电网，众多采用直流方式供电的家用电器越来越多的应用以及电力电子技术的发展，交流配电网网架结构繁杂、电能供应不稳定、效率不高等问题浮出水面。相对于交流配电网，直流配电网在电网结构、系统稳定性、电能质量等方面拥有优势，可以有效解决分布式电源、多样性负荷与电网间的矛盾，充分发挥新能源价值。

一、直流配电网概述

1.1直流配电网拓扑结构

直流配电网一般分为放射状、两端供电和环状等三种拓扑结构，各自具有不同的成本、电网可靠性和自动化控制程度。

在放射状的拓扑结构中，电流只能沿着指定路径向低压配电网或负载进行供电，或者与光伏、风电等分布式的电源进行简单的电能转换。它的结构往往不复杂，对控制保护要求低，运行简便，故障识别、保护控制配合等等都比较简单。但是，一旦网架中高一级直流母线故障时，整个配电网都会停止工作，进而造成较大面积的停电事故，可靠性较低。

两端供电拓扑结构中，直流母线与分布式电源等双向流通。这样，当一侧电源发生故障时，可以通过网络中的联络开关，将负荷投切至另一侧电源进行转供，大大提高供电可靠性，且对故障定位迅速，可以有效缩短故障抢修时间，减少停电损失。

环状配电结构具有最高的供电可靠性，当环网中任何地方故障时，保护装置都可以迅速动作，进行故障定位、隔离，其余配电部分依然可以采用两端供电结构运行，不用切断负荷。环状配电结构对保护装置的配置要求很高，造价昂贵，但考虑到其供电可靠性高，恢复供电速度快，在配电网中应用越来越广泛，日益发展成为一种新潮流。

1.2直流配电网优势

（1）便于分布式能源接入

采用直流配电网，大量的风能、太阳能以及储能设备的接入得到简化。同时，电动汽车、直流充电桩、直流空调等采用直流供电方式的多样性负荷无需采用整流方式即可以直接从电网取电，效率得到大幅提升。

（2）系统稳定性好

直流配电网避免了交流电网中频率不稳定和无功功率不足等问题，同时因线路中不再有电抗的存在，因此电力电子装置具有较好的故障隔离的能力和较好的故障穿越能力，从而大大提高了稳定性。

（3）电能质量高

在直流配电网中，随着储能设施的运用，直流电网将会更加稳定，有效地解决诸如电压闪变等一系列问题。同时，变流器还能起到SVC的作用，通过无功功率的补偿，使电压更加稳定。

二、直流配电网技术在连岛智能电网建设中的应用研究

2.1连岛电网建设现状

连岛旅游度假区位于黄海之滨海州湾畔的连岛，与连云港港口隔海相望。岛上原有35kV变电站两座，分别为连岛变和海棠变。2017年，岛上新建110kV沙湾变，通过沙湾变的10千伏配线，实现全岛覆盖，同时以海棠变作为后备电源，从而降低线路长距离输送的损耗，减少重复压降，提高能源利用率。

图1连岛10kV线路示意图

2.2直流配电网技术在连岛电网建设的应用

根据连岛发展规划，拟在连岛新建直流充电桩、直流空调等一系列直流负荷以及风光互补路灯、光伏步行道、太阳能手机充电桩、卧式风电等直流可控负荷，如单纯采用交流网架并网，需要逆变等环节，电网结构复杂。由此，结合直流配电网的优势，考虑连岛的网架采用交直流混供配电网。同时，综合考虑可靠性等因素，直流配电网部分排除放射状结构和两端供电结构，拟建成以交换路由器为中心的环状直流配电网结构。其中，考虑在110kV沙湾变旁原供电所改造建设交直流能源路由站一座，汇聚展示中心周边各类分布式能源发电系统和重要负荷；在能源路由站内建设500kVA四端口电力电子变压器1台，建设包含10kV、AC380V、DC±375V、DC±750V四个电压等级的交直流混供系统；同时在站内建设交直流混合配电网管控平台一套，对交直流混供系统进行监测管理，并将主要运行数据上传至调度网，形成多源互补、交直流混供的智能电网。具体网架如下图所示。

图2连岛交直流混合配电网总体架构示意图

考虑到岛内计划建设直流充电桩、卧式风机、分布式光伏，电动汽车充电站的母线电压约为直流750Ｖ，小型风机的出口电压为直流700Ｖ，可考虑接入直流750Ｖ电压级。故拟在西连岛构建低压直流环网，光伏、风电、储能及直流负荷就近通过DC±750V接入。同时在已建成的电力电子变压器变换站基础上再新建电气化街区变换站、电气化居民区变换站、西连岛民宿变换站共三个交直流变换站，每个站自成一个交直流微网，同时高压交流和低压直流互联成环，实现供电的安全、可靠、智慧、绿色和高效，具体接线图如下。

图3连岛主接线示意图

可以看出，通过建设分布式电源、柔性负荷及储能设备接口，改善了目前直流分布式源及负荷接入对传统配电网的影响，满足了连岛区域负荷、分布式能源快速增长需求，建立了高效可靠的交直流混合互联配电网络。

三、连岛直流配电网建设的创新性及推广价值

3.1连岛直流配电网技术创新性

项目融合了分布式风电、分布式光伏、储能等多种能源形式，通过各能源形式的优化配比及互补，实现了削峰填谷，降低供电区域容量需求，提升了电网设备利用。同时，项目采用源网荷协同调度控制系统，优化传统调度及运行模式，将负荷侧纳入统一调度，通过电源、电网和负荷三者间的多种交互形式，达到提高电力系统功率动态平衡的目标，实现能源高效利用的运行模式。

3.2连岛直流配电网推广前景

项目综合考虑常规能源和清洁能源，将目标区域中分散的小型的分布式能源（包括储能、光伏发电，风电等）所生产的电，通过连接各分散的电力微网实现新能源电力与市网的互联互通，互相补偿，实现了电能的绿色应用，对于能源互联网的建设示范作用明显。同时，有效拉动相关产业升级发展，改善区域的能源结构，为连岛旅游区的建设提高了良好的电力基础，具有广阔的推广前景。

四、结束语

随着现阶段全球性的能源紧张，智能电网的建设对于提高电力能源使用效率，提高供电系统稳定性具有重要意义。将直流配电网技术应用到智能电网的建设当中是社会进步和科技水平提高的结果，是提高电网智能化水平的重要方法，符合国家能源战略的相关要求，具有重要意义和实践价值。

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