直流供配电系统在高速公路中的应用构想

彭晓春，和绍君

(广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

近年来，随着社会进步和经济发展，电力负荷快速增长，直流负载和含有直流环节的负载增长迅速。交流配电网向直流负载供电时，需要进行AC/DC变换，降低了用电效率。相比交流配电网，在同等的建造费用及占用同等走廊宽度条件下，直流配电网能够有效提高供电容量或供电半径[1]。随着风能、太阳能等可再生能源的迅速发展，直流配电网以其灵活、便捷的并网条件在新能源并网中拥有广阔前景。基于此，近年来一些国家陆续展开了直流配电的研究，提出了各自的发展思路，取得了很多实质性的进展，并建成了一系列直流供电技术验证项目。

随着公路行业的不断发展，从电力输送角度来看，高速公路全程用电具有沿线设备多、供电点分散、传输距离远的特点。而且随着电动汽车的推广，短时大功率充电设备的投入将使高速公路的用电负荷大为增加。公路沿线的新能源诸如风电站、太阳能电站等有较多的并网需求。基于这些特点，本文对直流供配电系统在高速公路中的应用进行分析构想，为今后进一步深入研究提供参考。

1 高速公路用电情况分析

高速公路沿线用电设施设备主要有收费站、服务区房建用电、收费及通信设备用电、监控设备用电、电动汽车充电桩用电、隧道机电用电等。图1为广西某高速公路的沿线设施示意图，由图可见，用电点几乎遍布整条公路沿线。

图1 广西某高速路段的沿线设施示意图

对用电负荷性质进行分类研究，高速公路工程中需要负荷直流电源的设施设备有：计算机和网络设备(包括监控、收费、通信设备)，LED照明设备，房建内的诸如变频洗衣机、变频空调、变频电冰箱、充电器、电视机等设备，变频给水泵，摄像机、可变情报板、气象环境检测器、车检器等外场设备。交流负荷有消防泵、检修电源、消防风机等设备。经统计，交通沿线设施中直流负荷约占80%，隧道机电中直流负荷约占50%，合计该段高速公路直流负荷约占总负荷的67%。

2 高速公路直流配电网的拓扑结构

直流配电网的基本拓扑结构主要有环状、放射状与两端式三种[4]，如图2～4所示。放射状网络供电可靠性较低，但故障识别及保护控制配合相对容易；环状网络及两端配电网络的供电可靠性高，但故障识别及保护控制配合相对困难。

图2 放射状直流配电网结构示意图

图3 环状直流配电网结构示意图

图4 两端式直流配电网结构示意图

根据高速公路用电设备分布特点及设备对供电可靠性的需求，高速公路直流配电网的拓扑宜采用两端式配电结构(见图5)。正常情况下，直流电网由两端变流器VSC共同供电，每一用电点均相当于双电源供电，由此保证重要负荷的供电可靠性。在该运行方式下，一端采用定直流电压控制，另一端采用定功率或下垂控制。当直流电网中某一段中压直流母线故障断开时，两端交流系统可以通过各自的变流器形成两个独立的放射状直流配电网，运行方式变为单端独立供电。在设备供电不受影响前提下，运维人员对故障进行检修，检修完成后再投入联网断路器，系统再次变为双端供电运行方式。目前，光伏发电、风电等分布式电源已经取得了一些成效，在未来其发电量会逐步提高。在此系统中，分布式电源的产能主要用于本电网的消耗，发电量充裕情况下可以向主电网反送电能。为此，变流器VSC采用全控型电压源换流器，能量可以正反两个方向输送。

图5 高速公路直流配电网结构示意图

结合高速公路实际情况，高速公路直流配电系统可分为四种接入形式：

(1)交通工程沿线收费站、服务区的房建用电、机房用电、充电桩用电、隧道LED照明用电、沿线情报板监控设施用电等直流负荷，仅从电网吸收功率，此类负荷使用DC/DC变压器进行供电。

(2)服务区、收费站等设置的光伏发电输出为直流电，且仅向电网输送功率，此类设备使用DC/DC换流器向系统反送电能。

(3)公路沿线附近设置的风力发电输出为交流电，且仅向电网输送功率，此类设备使用AC/DC整流器向系统反送电能。

(4)消防水泵、消防风机等交流负荷，仅从电网吸收功率，此类负荷使用DC/AC逆变器进行供电。

3 高速公路直流配电网的电压序列

关于直流配电电压等级序列的设定，国内外学者均有相关研究，但尚未达成一致性的意见。国际上直流配电研究项目中，瑞典学者选用32 kV中压和325 V低压系统进行了供电效率研究；美国学者选用13.8 kV电压等级对直流配电系统的供电能力进行了研究；日本学者从人体安全和设备安全角度提出了400 V的民用直流配电电压；瑞典哥德堡市查尔斯理工大学的Sannino A.等对直流配电系统在商业设施中的可行性进行了研究，最后从技术和经济两方面考虑，最合适的直流配电电压是326 V，这个电压适用于当前系统并可以使用现有电缆。

我国盛万兴、李蕊等学者[5]也作了相关研究，提出适用于我国国情的直流配电电压等级序列的初步设想，如表1所示。

表1 直流配电电压等级序列表

根据用电负荷实际情况，高速公路直流配电网电压序列可选为±10 kV、400 V、110 V、48 V。具体考虑如下：

(1)±10 kV：采用双极结构供电，可使用现有交流10 kV电缆，但其供电容量(距离)比现有交流10 kV大一倍多；且±10 kV与现有的交流10 kV匹配，易于变流实现。

(2)400 V：与我国380 V三相交流衔接，易于逆变给交流负荷(风机、水泵等)供电；根据国外学者研究，400 V左右的直流电压从技术、经济、安全角度取得较好平衡；400 V直流电压也能满足电动汽车充电需求。

(3)110 V：多数家电、各类个人护理电子产品、移动设备充电器等均适配110 V直流电压，故选用110 V电压作为住宅、办公类场所的供电电压。

(4)48 V：用于局部需要安全电压的部位，另外通信类设备直流负载电压为48 V。

4 结语

关于直流供电技术，在全球范围内已逐步展开研究。直流配电线路的损耗低、传输效率高，节省线路走廊；相比于传统交流配电线路，直流配电系统更容易实现系统扩容和故障隔离；直流配电系统理论上不需输送无功功率，也无需进行无功补偿，可减少相应的设备投资；直流配电系统便于新能源及储能设备的接入，还可以与储能技术结合提供更可靠的电源。

根据高速公路用电分布及用电性质，可将高速公路分段建立直流供配电系统，选用±10 kV双极结构供电，电缆沿公路全线敷设，采用两端式配电结构，依据“遇点设站”原则，在沿途各服务区、收费站、隧道、互通立交等处设置变配电所。相比高速公路现有交流配电网，直流供配电系统提高了供电可靠性，减小了施工难度。在直流配电配套设备技术成熟情况下还能大大减小设备投资。在新能源快速发展的形势下，建立直流供配电系统，便于沿途各类分布式电源的接入也是发展的必然趋势。未来15年内，国内新能源新车将达到占比40%，高速公路沿途电动汽车充电桩也将达到一定规模，该类充电桩特点是分布范围广、装机容量大，高速公路全线实现中压直流系统供电，将使这一问题迎刃而解。

本文从高速公路用电情况及特点出发，提出高速公路直流供配电系统的应用设想，对该系统的拓扑结构形式及电网电压序列进行了初步构思，为今后进一步深入研究提供参考。目前，直流配电网及其相关技术还存在大量问题尚未解决，仍需广大学者进行更广

泛深入的研究，以期早日实现直流配电系统的推广应用。

[1]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，2012，36(8)：98-104.

[2]王 丹，毛承雄，陆继明，等.直流配电系统技术分析及设计构想[J].电力系统自动化，2013，37(8)：82-88.

[3]赵 彪，赵宇明，王一振，等.基于柔性中压直流配电的能源互联网系统[J].中国电机工程学报，2015，35(19)：4843-4851.

[4]刘国伟，赵 彪，赵宇明，等.中压柔性直流配电技术在深圳电网的应用框架[J].南方电网技术，2015，9(9)：1-9.

[5]万盛兴，李 蕊，李 跃，等.直流配电电压等级序列与典型网络架构初探[J].中国电机工程学报，2016，36(13)：3391-3403.