分析直流配电网电压等级序列

陈思岳

广东电网有限责任公司惠州惠东供电局广东省惠州市516300

摘要：近些年来，不断增长的负荷需求，用户日益提高的电能质量要求以及大量分布式电源（DU）的接入，使得传统配电系统面临挑战。采用以直流为主导的配电制，在提高配电网运行效率、改善供电可靠性和电能质量、实现分布式发电灵活安全接入等力一面显示出交流（AC：）系统所不具备的优越性。鉴于此，本文主要分析直流配电网电压等级序列，希望能够给相关工作人员提供一定的参考与借鉴。

关键词：直流配电网；电压等级序列

未来电力系统将以区域交流输、配电网络和直流网络共存的形式存在，直流配电作为直流生态系统中的中间部分，起到以直流的形式承接高压输电网并向负载馈送电力的关键作用，引起人们的广泛关注。在直流配电网发展驱动力分析的基础上，分别介绍直流配电在国内外的发展现状，提出未来交直流混联电力系统、直流配电电压等级序列、直流配电典型应用场景及网络架构3个方面的初步设想。并详细介绍未来直流配电网的轮廓，推动能源互联网的发展，为构建新型智能配电网提供创新思路。

1研究直流配电网电压等级序列的重要性

伴随着新能源、新电力、新技术的发展，配电网发展到目前阶段也悄然发生着直流-交流-交/直混合的趋势变化，直流供电技术以其高供电质量和优异的供电能力，成为了国内外研究的焦点。一方面，分布式能源、高压大功率电力电子器件、储能技术、电动汽车、多元直流负荷、高性能新型材料的发明使一些人们被直流配电内在的优势所吸引，他们希望可以与时俱进，博得先筹，驱动直流配电技术的快速发展。

另一方面，习惯于交流供电方式的人们希望可以发挥历史的作用，传承和强化传统技术的韧性，对直流配电实用化的成本，接入影响和安全运行等提出了更高的要求。因此，直流配电在与传统交流配电的交互发展中慢慢完成着自身的优化。本文将立足于直流配电在世界的发展水平，基于直流配电发展的技术需求，提出适用于我国电网现状的直流配电网络架构和技术轮廓，并对目前典型的中压直流配电工程进行介绍[1]。

2制定直流配电网电压等级的约束条件

2.1未来负荷需求

制定直流配电网电压等级还需考虑一些约束条件。如城市规模不断扩大导致部分地区负荷密度过大；在未来电网中，太阳能、风能、燃料电池等分布式能源大量接入电网，用户对用电量和电能质量的需求不断提升，电动汽车、不问断电源、轨道交通等与直流允、供电息息相关的事物进入社会生活，多级直流电网需要为其提供合理的接入电压等级。这些对直流配电网电压等级的选取提出了很多约束条件。

根据国内经济发展形势，预测2020年国内经济发达城市饱和负荷密度为10-40MW/km2；中等发达城市饱和负荷密度为5-10MW/km2；欠发达城市饱和负荷密度为3一5MW/km2。为应对负荷增长，在交流配电系统中，上海己出现高压进城区，500kV进入配电环节的情况；苏州工业园也将交流中压配电电压等级提升至20kV。负荷需求对制定直流配电电压等级的约束应注意以下两点。

（1）同等对应电压等级下，直流比交流的配电容量大。直流配电无涡流损耗和集肤效应，故输送容量高于同等级的交流输电。

（2）直流地下电缆比交流地下电缆的输送容量大。交流地下电缆由于受对地电容的影响，无功功率难以得到补偿，从而难以实现大容量、长距离的电能传输。直流电缆无此问题，在城市负荷集中地区，可通过直流低压大电流传输来满足需求。因此，直流地下电缆可实现中低压大容量传输，直流配电网的中压配电等级不必设置过高。

2.2设备制造水平

基于电压源变换器的柔性直流输电技术可以给无源网络直接供电，无最低输送有功功率限制，可以给孤立负荷供电。在潮流反转时，柔性直流仅电流方向反转而直流电压极性不变，适用于多段直流连接。其换流站占地面积小，适建于土地紧张的城市。设备可采用模块化设计，生产调试周期短。配电网具有负荷变化大。多段连接。电能质量需求高等特点。因此，柔性直流输电技术特别适合于构建直流配电网。其当前的设备制造水平以及技术发展趋势对于制定±300kV直流线缆与换流站的能力。

直流配电网中的其他关键设备，如直流变压器、直流断路器、直流保护装置等口前虽有一定发展，但总体水平有待进一步提高，部分尚在研发阶段。这给电压等级的制定和经济性评价带来了困难。口前，l0kV的交流型电子电力变压器己进入工业试验阶段，该类变压器通过改造可作为大功率直流变压器使用。1.5kV船用直流断路器己研制成功，320kV电压等级的直流断路器也己研发出，可开断直流电流[2]。

3直流配电网电压等级序列分析

3.1直流配电电压等级确定方法

直流配电网的电压等级与交流配电网的不同，需要根据不同的应用场合、现有技术的发展水平、交流系统电压等级的影响以及未来发展趋势等众多因素考虑多个电压等级。因此，本文参考交流系统的研究经验，结合已经应用直流供电行业的研究成果，考虑直流配电网电压等级的影响因素，构建直流电压等级序列确定方法。具体步骤如下：

1）基础值的确立。

结合目前关于直流电压等级的研究进展以及

不同行业应用的直流电压值，确立基础值。±0.4kV被建议应用于通信系统、未来楼宇直流配电系统以及电动汽车充电系统中；士1.SkV是目前广泛应用于城市轨道交通的直流电压等级之一，也是IEC-60038建议的低压直流配电网电压等级。鉴于这两个电压等级值被较多数专家学者认可，因此采用士0.4kV和士1.SkV两个电压等级为基础值。

2）约束原则的应用。

研究表明“几何均值”适用于直流电压等级的制定。另外，直流输配电网采用基于串并联模块化的电力电子装置，实现升压与增容。根据这一特点，选定某一低压电压等级为基础值，按照级倍数方法，得到更高一级电压等级。

直流配电网电压等级序列的确定受到现有交流系统电压等级的影响。未来直流配电网的发展将经历从交流系统的直流化改造过渡并逐渐实现全部直流化的过程。在进行直流化改造过程中，应遵循“经济性选择，技术性校核”的原则。因此，为更好适应现有系统的改造过程，计算与交流配电电压等级6/10/35/66/1lOkV相对应的直流配电网电压等级。

3.2直流电压等级序列供电能力分析

国内外学者从直流配电系统的安全性、系统损耗、建设投资成本、可靠性等角度分析相关序列值的优缺点。鉴于篇幅限制，本文将从供电能力方面出发，对给出的直流电压等级序列推荐值的配电距离、配电容量等方面进行比较分析。

配电系统的供电能力通常用负荷矩表示，即在一定电压等级下，满足供电质量要求的同时，尽可能向更远的地方传输更多的功率。线路压降是衡量供电质量的重要指标。同时，直流线路在传输中的功率损耗也有一定的要求，因此也可通过计算功率损耗分析其供电能力，功率约束下的推导过程与压降约束相同，在此不再赘述[3]。

配电网中线路常采用架空线和电缆，不妨先取线路的负载率为50%。参照交流配电线路，功率因数取为0.9，设置电压损耗为±7%UN。目前直流线路电压损耗百分数并未有严格规定。取士3%作为直流线路的电压损耗百分数。当以线路功率损耗作为约束条件计算时，参照交流输电系统经验选择功率损耗为3%。

4结束语：

直流配电系统的研究与应用已经在国内外全面展开。针对直流配电网电压等级这个基础问题，本文分析了现有交流配电网及直流配电网电压等级的约束原则，结合直流配电网发展需要考虑的因素以及不同行业的特点，提出了一种适应未来直流配电网电压等级的确定方法；依此给出了直流配电配电网电压等级的确定方法；依此给出了直流配电网电压等级序列的推荐值：士0.4/0.75/1.5/6/10/24/55/100/320kV，并分析了其序列推荐值的性能，能够满足负荷的增长需求以及供电容量和配电范围的要求。

参考文献：

[1]段建东，魏朝阳，周一，杨青.未来直流配电网电压等级序列研究[J].中国电机工程学报，2018，38（12）：3538-3545+13.

[2]姜世公，吴志力，李红军，王云飞，郑浩.直流配电电压等级及负荷距分析[J].电力建设，2017，38（06）：59-65.

[3]许阔，蔡冰倩，朱永强，夏瑞华.海岛直流微电网电压等级序列选择的研究[J].电工电能新技术，2017，36（01）：52-58.