直流配电系统的未来趋势应包括中压配电网和用户侧低压配电网的公共配电网络,即中压直流配电系统和低压直流配电系统。其中直流配电网的拓扑结构和电压等级的选择是直流配电网的重要因素。
确定直流配电网的拓扑结构有以下几点需要注意 :
(1)直流配电系统必须能够与大电网并网运行,所以并网变换器必须具有功率双向流动的特性,以便将DG发出的过剩能量传输给交流电网;
(2)直流配电系统必须能够为负载提供较为稳定的电压;
(3)直流配电系统必须具有较高的安全可靠性。
与多端直流输电技术相比,直流配电技术更关注直流入户的实现,必然涉及多级直流配电及供电可靠性、电能质量等问题,如中压直流配电网中的部分电能,需经直流变压器等直流降压装置送到低压直流配电网后再供用户使用,因此其系统结构与工程实现相对而言比多端直流输电要复杂得多。其基本的拓扑结构主要有环状、放射状与两端配电3种,如图4~图6所示。
交流电网、分布式电源、储能设备、交直流工业负载等各类电源与负载,根据自身要求经不同类型的适配器接入不同电压等级的直流配电网。各类交、直流电源产生的电能,分别经VSC和DC/DC换流器转换成一定电压等级的直流电并通过直流配电网输送到各负载端,再经VSC或DC/DC换流器分别转换成交流或直流电为相应的交流或直流负载供电。一般来讲,与交流大电网连接的VSC具备能量双向流动的功能,以便实现直流配电网与交流大电网之间的电能交换与功率平衡;连接储能设备的DC/DC换流器涉及充、放电,同样也是双向型的。通常来说,环状网络及两端配电网络的供电可靠性相对较高,但故障识别及保护控制配合等也相对困难,放射状网络供电可靠性相对较低,但故障识别及保护控制配合等相对容易。选定直流配电网络拓扑结构需要综合考虑直流配电网供电可靠性、供电范围牌离)及投资等实际工程需要。一般情况下,网状结构主要用于直流输电,而树状结构主要用于直流配电。
(1)按上层传输方式分类
低压直流配电网即用户侧直流配电网。按上层传输方式分类,配电网的拓扑结构可分为两类。如图7所示,交流传输、直流传输的DC配电系统结构。
由于目前各国对直流配电网的研究都还处在试验探索阶段,对直流配电网的深入研究,尤其是对直流配电网接入电网装置的研究及其关键设备的研制目前接近空白,因此,现在大部分的研究都集中在如图7中(a)所示的上层为交流传输的低压直流配电系统;图7中(b)所示的直流配电系统将是未来的发展方向。
(2)按交流负荷供电方式分类
按交流负荷供电方式分类可分为两种:集中型供电模式和模块式的辐射型供电模式。集中式低压直流配电系统参见图8中(a),两个交流系统靠一条直流线路相连。用户与直流系统相连,多个用户从一个变流器取电。辐射型参见右图8中(b)。用户不直接与直流系统相连,每一个用户对应一个变流器。
1)集中式供电模式是类似于高压直流输电的直流配电系统。多个用户从一个变流器取电,此种拓扑结构简单,变流器效率高,但其扩展和冗余能力较差,不适宜分布式电源的接入,且变流器容量大、负担重、可靠性也会降低。适用于电源和负荷均比较集中的情况。
2)模块式直流配电系统。用户间接与直流系统相连,每个用户作为一个单独模块各自对应一个变流器,此种拓扑结构扩展能力和冗余能力都很强,但变流器效率低。适用于电源和负荷均比较分散的情况。
直流配电系统有利于分布式电源并网和直流负荷用电,通常分布式电源由于地理环境因素,安装会比较分散;低压直流配电网的直流用户可直接通过变换器从直流母线上取电,故用户也可比较分散;为了兼容更多的分布式电源和负荷接入系统,就必须充分考虑到系统的扩展性,因此,直流配电系统适合采用辐射型网络结构。