含电力电子变压器的低压直流配电网接线形式探讨

邹 晗 王 磊 梁文军

（江苏省电力设计研究院有限公司，江苏南京210012）

0 引言

近年来，并网的各种中小型分布式直流负荷有了爆发式增长，低压直流配电网络受到众多设计单位、项目实施单位的广泛关注。在该领域的技术研究主要包括短路电流建模计算、潮流计算、调度技术等。直流配网既要面向待接入的直流发电系统及直流负荷，又要考虑接入交流电网系统，还要考虑接地设计。本文就某省综合能源服务项目，对直流配网的主接线及接地形式进行探讨。

1 直流配网的优势

中、小容量应用电子变频技术在用电设备中的应用越来越普遍，很多设备采用直流电驱动。小型风光电源、储能装置及充电汽车等设备的大量接入，其AC/DC转换环节提升了系统能耗，增加了谐波。通过构建直流配电网，不需要AC/DC转换环节就可以给该设备供电，缩短了供配电环节，降低了系统能耗，也减少了网络谐波。

直流配电网优势如下[1-2]：

（1）在小型配电网中只需铺设两三条电缆通道，节约线路造价，提高了输送容量，减少了损耗；

（2）无需配置无功补偿装置，且系统无频率问题，具有良好的稳定性；

（3）系统能够闭环运行，具有高可靠性；

（4）对于直流供电负荷，可减少电源与负荷之间的交直流转换装置，节约设备投资，减少中间环节损耗。

2 直流配网主接线方式（接入侧）

现有已实施工程的主接线方式有4种，分别为单极大地回线主接线、单极电缆回线主接线、伪双极主接线（图1）和双极主接线（图2）。

单极大地回线需设置接地极，其流过的电流可能对周边人与物产生影响，故极少采用。

图1 伪双极接线方式图

图2 双极接线方式图

在剩余3种接线中，主接线均采用两路直流线路进行电能输送，但伪双极或双极主接线具有相对称的直流电压，在相同的极间电压下，伪双极或双极主接线直流极线及变压器所耐受电压是单极主接线的1/2，且可避免不对称运行对变压器的影响。

双极主接线在一极出现故障时仍可采用单极运行，可靠性高，但需在次级转换回路中采用多个换流器。同时，换流站的变压器及交流侧设备需考虑直流电压一半的直流偏置电压，而伪双极接线方式下则只承受交流电压，因此，双极接线方式下换流站的变压器及交流场的设备单价较伪双极方案高。同时，双极接线需要为直流电缆双极短路时设置阻断柜以达到限流的目的，增加了相关设备费用。此外，双极系统接线需要加入类似常规直流的金属回线转换操作顺控流程以及金属回线电流均衡控制策略，因此控制保护系统较伪双极系统接线要复杂得多。

综上，双极主接线通常用于可靠性要求较高的大容量场合。而直流配电系统电压等级低、容量小，并且一般采用两端甚至多端配电系统结构，可靠性较高，采用双极主接线意义不大。因此，在目前已投运及在建的工程中，综合考虑经济性、项目负荷水平及工程方案的成熟度等要素，中压侧多采用伪双极接线。

本工程系统容量较大，同时可靠性要求相对较高，故选用双极接线方式。

3 直流配网低压侧主接线

3.1 低压交直流负荷的接入方式

从图3（a）所示的典型拓扑结构可见，低压侧接入直流负载和分布式电源。伪双极接线的灵活性较双极差距较大，同电压等级，当采用双极接线时，系统可提供两种电压等级供接入。在单极故障时，不影响另一极所接负载的运行。对于某些非居民用电且输入电压差要求较高的设备，可采用接入正负极线的方式，如图3（b）所示。

图3 低压直流负荷接入方式示意图

本工程交流380 V网络，须经过逆变接入。对于双极接线系统而言，三相交流负载可采用如图4所示的方式接入。对于伪双极系统，由于直流侧只有单极和N线，逆变装置的直流侧两极应分别接入正极（或负极）和N线，导致交流侧无法接地，引不出N线。因此，对于存在交流负荷的交直流混合配电网，采用双极接线方式更优。

图4 低压交负荷接入方式示意图

3.2 低压侧主接线

目前，中低压直流侧双极系统中线引出方法已经比较统一，如图5所示。高压交流母线经变压器后与变流器相连，经中间隔离级后输出低压直流，该低压直流可按照双极对称方式连接，两极可独立运行，中间采用接地极形成返回电流通路。输出级两个DC/DC单元分别并联在双极低压直流母线上，输出直流可按照双极对称方式连接。针对系统中的交流设备，输出级的DC/AC电能变换单元通过并联在负极低压直流母线中经换流器后可产生低压工频交流为其供电。

电力电子变压器是连接高低压侧的关键设备，对于由多个单元模块组合而成的变压器而言，其组合接线分别如图6所示。其中，图6（a）采用两台电力电子变压器，高压侧并联，低压侧串联引出中线。图6（b）采用调整电力电子变压器内部结构的方法，各单元模块高压侧串联，低压侧两等分各自并联后再串联。第一种较第二种多使用一台直流变压器，考虑到功率元器件散热，对于容量较小的直流配网的接入，推荐使用第二种方式，而对于大容量的直流配网或直流微网则可使用第一种方式。

图5 低压侧主接线

图6 直流配网低压侧主接线

4 接地方式

4.1 高压侧接地方式

对于高压侧采用双极接线的直流配电网，高压侧接地主要有两种形式。当连接变采用“Dyn”联接时，其中性点可作为高压侧的接地点，此时应首先考虑采用交流侧接地方式，直接在变压器中性点经大电阻接地。若PCS所连接的变压器绕组采用非Y型绕组，或未配置连接变压器时，须在PCS直流侧设置专门的接地点。当采用直流侧大电阻接地时，接地支路会产生稳态有功损耗，且随着直流侧电压等级的升高而愈加严重，因此尽量不要采用大电阻。鉴于上述原因，现有直流配网中多采用交流侧接地方式。

4.2 低压侧接地方式

根据IEC 60364-1（2005-11），低压直流配电系统的接地形式如下[3-5]：

（1）TT接地方式。系统中电源侧和负载侧各自接地，负载侧电气装置的外露导电部分接至电气上与电源侧接地点无关的接地装置。从电源侧看，对于单极直流系统，一般将电源侧负极出线接地；对于双极直流系统，将电源侧中线接地。

（2）IT接地方式。系统电源侧与大地间不直接连接（经阻抗接地或不接地），负载侧电气装置的外露导电部分直接接地。该接地方式当发生接地故障时，故障电流较小，负载仍可正常运行。

（3）TN接地方式。系统有一点直接接地，负载侧电气装置的外露导电部分用保护线与该点连接。该接地方式当发生接地故障时，会产生较大的故障电流，影响其他负载运行，但故障容易检测并可快速清除。

5 结论

（1）结合示范工程的实际情况，直流配电网高压侧采用双极接线形式。

（2）考虑到配网用电习惯及单相交流负荷的接入要求，直流配网低压侧采用双极主接线方式。

（3）低压侧双极系统可由两台直流变压器高压侧并联低压侧串联实现，也可由单台直流变压器通过低压侧改接线实现。对于大容量的低压直流配网或低压直流微网的接入，推荐采用前者，对于小容量，则建议采用后者。

（4）直流配网接地方式采用IT接地方式。