光伏发电直流接入与消纳的方案设计和工程实践.pdf

光伏发电直流接入与消纳的方案设计和工程实践杨朝翔，李红建，陈蕾，陈翔宇国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京 100038摘 要随着柔性直流技术的发展，配电网领域源-网-荷的构建方式更加丰富，可实现集中式光伏直流并网、数据中心直流供电等新型电网模式。依托张北交直流配电网及柔性变电站示范工程，介绍光伏发电站直流并网方案以及工程实施途径，同时，设计了数据中心直流供电的接线方式，计算了供电可靠性。在此基础上，对比直流配电网和传统交流配电网，从电能传输效率、供电可靠性、电能质量等方面体现了直流配电网的优势。示范工程实现了光伏发电直流接入与消纳，设计成果和实践经验可为同类工程提供参考。关键词直流配电网；光伏；直流并网；直流供电；传输效率中图分类号 TM72 文献标志码 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2018120140 引言近年来，直流输电技术成为研究热点，不仅是高电压大容量的直流输电工程，而且直流配电网同样受到人们的高度关注[1-2]。得益于柔性直流技术的发展，配电网领域源-网-荷的构建模式更加丰富。例如，光伏发电属于典型的直流电源，数据中心的服务器本质上是直流负荷，如果不经逆变和整流将两者直接联系，将催生新的网络模式，同时最大限度地发挥直流配电网的优势。因此，集中式光伏发电直流并网和消纳的可行性以及实施方案的研究具有重大意义。在全世界范围内，电力电子技术的进步引导电力系统朝着交/直流混合的趋势发展，促进与新能源发电相联系的直流配电网研究[3-5]。美国弗吉尼亚理工大学致力于未来住宅和楼宇电力供应研究，所提出的直流微电网包含直流并网的光伏、风电和储能单元，直流母线为380 V，实现清洁能源的就地消纳[6]。美国北卡罗莱纳大学提出了FREEDM系统结构，交流母线和直流母线同时存在，其中交流母线主要用于负荷供电，直流母线可用于接入分布式电源、分布式储能[7]。在中国，适用于分布式新能源的直流配电网供电模式受到广泛关注，电压等级选择[8-9]、系统拓扑构建[10-11]和运行控制策略[12-16]均得到充分研究。深圳宝龙工业城、江苏主动配电网得以实施，均选择400 V直流母线接入分布式光伏，同时接入电动汽车充电桩等直流负荷，实现了清洁能源的友好接入与消纳[17-18]。这些设计方案均需要配合储能提升供电可靠性，同时，光伏容量较小，电能接入与消纳过程中没能充分发挥直流配电网在输电上的优势，网络构建仍有探索和优化的空间。本文依托张北交直流配电网及柔性变电站示范工程，对集中式光伏发电的直流并网和直流消纳开展方案设计，在保障发电企业利益、提升用户供电可靠性上做深入分析。此外，本文还讨论直流配电网在电能传输效率、供电可靠性、电能质量等方面的特点，体现了本工程的优势。通过总结方案设计成果和工程实践经验，可以为同类工程提供参考，为新的配电网模式扩展思路。1 工程概况张北交直流配电网及柔性变电站示范工程概况如图1所示，其中小二台柔性变电站和光伏直流升压站通过±10 kV线路相连。示范工程的核心是四端口柔性变压器，联络交流10 kV、直流±10 kV、直流±375 V、交流380 V4个电压等级。根据运行方式需要，变压器任一端口可作为输入或输出，四端口间的能量流动灵收稿日期2018−12−06； 修回日期2019−04−13。基金项目国家重点研发计划资助项目高压大容量柔性直流电网关键技术研究与示范，2016YFB0900900。第 52 卷 第 10 期中国电力Vol. 52, No. 102019 年 10 月ELECTRIC POWER Oct. 2019108活可控。柔性变压器的拓扑如图2所示。特殊设计为三相一体式结构，将3个单相高频变压器做成一个整体，高频变和低压侧功率模块的数量均减少为常规设备的1/3，借鉴多绕组变压器思路，通过相间二倍频波动抵消可大幅减少高压侧直流电容容量，从而降低设备成本、缩减设备体积。高度集成的柔性变压器可替代传统的变压器、断路器、无功补偿等一次设备。示范工程的光伏电源来自张北县50 MW光伏扶贫电站。工程实施前光伏电站已采用常规方式经逆变器交流上网。选取其中2.5 MW对光伏集电线路进行改造，可将光伏发电接入直流升压站，从而并入±10 kV直流电网。示范工程的主要负荷为阿里巴巴张北创新研发展示中心，与小二台柔性变电站合建于同一建筑内。展示中心的总负荷约2.5 MW，主要为服务器，一般采用交流供电。选取展示中心内2个模组的服务器，列头柜接受直流供电，接自柔性变压器的低压直流端口。2 光伏发电的直流并网2.1 集电线路改接方法光伏扶贫电站采用集中式光伏系统，选取的2.5 MW光伏组件来自2个光伏阵列，对应28回集电线路。由于前期经逆变器交流上网的集电线路已经建成，需要对其进行改造。在并网逆变器前将电缆“破口”，“一进一出”接入直流配电柜。为保证发电企业的效益，直流配电柜内可实现直流上网和交流上网间“二选一”切换，正常情况采用直流上网，当直流配电网检修或故障时可以切换至传统的交流上网模式。典型的改接线示意和直流配电柜内接线如图3和图4所示。共配置5面直流配电柜，可实现28路光伏电源的独立切换控制。为了防止同一电源在直流上网和交流上网间形成冲突，切换开关加设互锁装置，消云计算110 kV变电站10 kV母线干变10 kV–375 V阿里巴巴张北创新研发展示中心2.5 MW 负荷小二台柔性变电站5MVA/5MW/5MW/2.5MVADCACDCAC–10 kV–10 kVDCDC集中式光伏2.5 MW约 0.65 km约4.0 km光伏直流升压站2.5 MW380 V极间750 V图 1 工程概况示意Fig. 1 Project overview子模块1 DC/ACAC/DC DC/ACDC/ACAC/DC子模块1 DC/ACAC/DC子模块N DC/ACAC/DC−ABCNBAC−低压直流接口低压交流接口高压直流接口高压直流接口高压交流接口子模块N图 2 柔性变压器拓扑Fig. 2 Topology of VSC transer光伏阵列直流配电柜直流升压交流升压ACDC并网逆变器160 A汇流箱160 A汇流箱共6组图 3 光伏集电线路改接线示意Fig. 3 Wiring renovation of the PV collector lines第 10 期 杨朝翔等光伏发电直流接入与消纳的方案设计和工程实践109除了运维隐患。2.2 直流并网方案集电线路改造后，位于光伏场区的5面直流配电柜可输出5回直流集电线路，单回容量大约500 kW，将电能送至光伏升压站。在升压站中配置5台DC/DC装置，实现最大功率跟踪（MPPT）。为了与小二台柔性变电站配置相同的直流配电设备，从而减少设备型号，方便工程实施和后期运维，直流升压变压器前端电压选择为750 V。电能汇集后经升压变接入±10 kV直流电网。集中式光伏直流并网如图5所示。由图5可知，本工程采用多级汇流、集中升压的并网方式，全过程均为直流，省去逆变环节。光伏逆变器还兼备最大功率跟踪的作用，为了保证光伏组件的最大出力，本工程设置DC/DC变换器，控制前端电压以实现最大功率跟踪；直流升压变稳定前端电压（极间750 V），直流±10 kV电压控制由小二台站柔性变压器实现。光伏直流并网的控制策略如表1所示。通过上述并网方式，实现了集中式光伏发电不经逆变器直流上网，既提出了光伏上网的新途径，也为直流配电网找到了理想电源。3 光伏发电的直流消纳3.1 直流消纳方案小二台柔性变电站为阿里巴巴张北创新研发展示中心的服务器负荷供电。每台服务器接入两路相对独立的直流电，由相邻的两面列头柜提供。传统做法中，输入至列头柜的是380 V交流电源，柜内转换为直流240 V后供给服务器。由于柔性变压器能够输出低压直流，供电过程中可以取消整流环节，只需将柔性变压器直流低压侧750 V极间电压转换为240 V即可接入列头柜进行电能分配。为了进一步提升供电可靠性，在低压直流母线上配置一组超级电容储能装置，变流器容量1.5 MW，可为低压直流和低压交流负荷短时供电。服务器直流供电部分如图6所示。3.2 服务器负荷接线方式选择展示中心内2个模组的服务器，每模组总负荷均为300 kW。单个模组内，服务器柜双列布置，对应2面列头柜，其中1面采用直流电直供。传统模式下，列头柜接入单路交流电源。由于直流配网允许并列运行，直流供电列头柜可同时接入两路直流电源，由2个DC/DC变换器交叉供电。具体接线方式如图7所示。由图7可以看出（1）如果交流电源或者直流电源失电，对侧电源可以转供所有负荷；（2）单个DC/DC变换器故障，另一台可以提供300 kW容量，能够满足两列服务器的用电需求；表 1 光伏直流并网的控制策略Table 1 The control strategy of PV DC grid-connection设备目的控制模式小二台柔性变压器稳定±10 kV直流电压定直流电压直流升压变稳定极间750 V直流电压定直流电压DC/DC变换器光伏发出最大有功功率最大功率跟踪逆变器共6组交流并网直流并网直流升压站逆变器光伏汇流箱1光伏汇流箱6160 A 160 A160 A160 A800 A图 4 直流配电柜柜内接线Fig. 4 Wiring of DC distribution cabinet约500 kW共5组汇流箱直流配电柜DC/DC 变换器 MPPT500 kW极间 750 V直流升压变2 500 kW– 10 kVDCDC..图 5 光伏直流并网示意Fig. 5 Schematic diagram of PV DC grid-connection中国电力第 52 卷110（3）单个模组内列头柜故障，另一面列头柜具有为模组内全部服务器供电的能力；（4）如果服务器的一回电源线故障，可以由另一回电源线供电，而且两回直流电源具备并列条件，不存在交流电源切换时的风险。采用上述交直流混合供电的方式，可以规避多种故障引起的停电隐患，进一步提升服务器负荷的供电可靠性。4 讨论以下对集中式光伏发电的交流并网消纳和直流并网消纳两种模式进行比较。4.1 “发输用”途径对比两种模式都经过光伏发电、升压并网、降压分配、电能消纳等主要环节，传统模式借助交流配电网和常规设备完成上述过程，而示范工程在全部环节中没有逆变和整流，是基于直流配电网和先进电力电子设备的另一电网型式。两种模式主要环节的对比如图8所示。4.2 电能传输效率直流输电不存在无功损耗，其电能输送效率往往高于交流输电[19]。两种输电方式的电能损耗分别为∆PAC P2Q2UAC2 R（1）∆PDC P2UDC2R（2）P式中为输送功率，本工程取光伏发电站容量2.5 MW；Q为交流输电过程中产生的无功功率，与功率因数有关；UAC为交流电压有效值，取10kV；UDC为直流极间电压，取20 kV；R为线路导体的电阻。极间750 V阿里巴巴张北创新研发展示中心直流电直供列头柜DCACDCAC柔性变压器5MVA/5MW/5MW/2.5MVADCDCDCDC极间 240 V超级电容1.5 MW图 6 服务器直流供电示意Fig. 6 Schematic diagram of DC power supplyto serversDCDCDCDCDCDC5 MW750 V 母线750 V300 kW750 V240 V240 V300 kW柔性变电站ACAC列头柜 直流列头柜 交流列头柜 交流列头柜 直流服务器1服务器2服务器3服务器4服务器5服务器1服务器2服务器3服务器4服务器5服务器1服务器2服务器3服务器4服务器5服务器1服务器2服务器3服务器4服务器5阿里巴巴配电室交流.... 图 7 服务器供电接线Fig. 7 Wiring of power supply to servers电源光伏集电装置电压变换 MPPT升压电能传输降压负荷总受电终端负荷汇流箱逆变器 DC/AC变压器交流线路 10 kV变压器列头柜 AC/DC服务器光伏组件汇流箱 配电柜DC/DC 变换器直流变压器直流线路 10 kV柔性变压器列头柜 直流受电 服务器交流并网消纳 直流并网消纳光伏组件图 8 两种模式主要环节比较Fig. 8 Comparison of main parts between two modes第 10 期 杨朝翔等光伏发电直流接入与消纳的方案设计和工程实践111针对光伏上网、输送、消纳的各主要环节，通过式（1）和式（2）计算线路上的功率损耗，同时调研各关键设备的额定效率，对比了在最大光伏出力（2.5 MW）情况下两种模式的电能传输效率，结果如表2所示。表2中交流网络的功率因数取值0.9，如果功率因数进一步降低，将导致交流损耗增加，效率下降。线路长度设定为4 km，如果供电距离增加，意味着线路电阻增加，交流和直流的输电效率差距将更大。在光伏场区和数据中心内，集电用和配电用的电缆长度较小，没有进行电能损耗的估算。通过表2可以看出，直流并网消纳的整体效率高于交流。分项比较，电压变换过程中两者的效率相近，输电环节中直流比交流有着明显的优势，而损耗不足交流输电的50，因而体现出更高的电能效率和更好的经济效益。4.3 供电可靠性末端负荷的直流供电电源可以并列运行，对于服务器等高可靠性要求的用电设备，直流供电成为理想电源型式。在直流模式下，单电源故障后能够实现另一侧电源的即时转供，不存在投切过程，同时避免了投切装置故障后停电范围进一步扩大的风险。如图6所示，柔性变压器低压直流母线接入了一组超级电容，可以在上端电源短暂故障时提供电压支撑。另外，展示中心内列头柜和服务器柜均配置了大量蓄电池，能够保障短时间内的电能供应，等待自备柴油发电机的启动。可见，直流配电网更易于超级电容、蓄电池等储能装置的接入，从而提升供电可靠性和故障穿越能力。供电可靠性受到元件故障率和供电网络的影响，经过调研和试验，各元件的故障率及修复时间如表3所示。在系统内所有元件故障率和恢复率的基础上，多次仿真计算平均停电时间，并应用式（3）推算供电可用率。供电可用率1 系统平均停电时间年历时小时数100（3）经计算，平均供电可用率为99.999 91。相比于传统交流模式99.999的供电可用率要求，交直流混合供电模式有着更高的可靠性。4.4 电能质量本工程构建了柔性直流配电网，光伏发电侧和负荷用电侧的电能质量均能得到提升。光伏传统并网模式逆变过程中不可避免地引入了谐波，电流畸变率可能达到35，外部电源不够强大时还存在电压骤降等问题[20]。如果采用直流配电网接入光伏电能，不存在谐波，当储能电池等技术突破瓶颈后也可以有效解决电压骤降的问题。本工程的负荷侧经过DC/DC装置将输出电压稳定至直流240 V，不存在交流谐波。另外，列头柜和服务器处均配置电池，提升可靠性的同时也消除了电压骤降的隐患。5 结论基于张北交直流配电网及柔性变电站示范工程，创新性地设计了集中式光伏直流并网方案、服务器负荷直流供电方案，并且在工程中得以实施验证。主要形成以下成果表 2 不同光伏并网模式的效率比较Table 2 Efficiency comparison of different PV grid-con-nection models并网模式效率/并网模式效率/交流并网消纳逆变器（含MPPT功能）98直流并网消纳DC/DC变换器98升压变压器98直流升压变98交流10 kV线路96.7直流±10 kV线路98.5降压变压器98柔性变压器98整体效率91.0整体效率92.7表 3 各元件的故障率及修复时间Table 3 Comparison of failure rate and repair time ofeach element元件故障率/（次·年–1）更换/修复时间/h交流断路器0.006 0 4直流断路器0.299 9 10换流器0.023 7 2.55交流变压器0.015 0 10柔性变压器（直流升压变）0.047 4 24光伏组件0.518 0 167中国电力第 52 卷112（1）设计示范工程中光伏集电线路的改接线方法和直流并网方案，可实现集中式光伏发电站不经逆变器直流并网；（2）设计服务器负荷的直流供电方案，优化接线方式，使直流供电具备更高的可靠性；（3）相比于传统方式，集中式光伏直流上网和消纳在电能传输效率、供电可靠性、电能质量等方面更具优势；（4）本示范工程的设计思路和实践经验是直流配电网领域的有益尝试，可为相关研究的进一步开展提供借鉴。参考文献江道灼, 郑欢. 直流配电网研究现状与展望[J]. 电力系统自动化,2012, 368 98–104.JIANG Daozhuo, ZHENG Huan. 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