低压直流配电技术的研究综述

摘要：文章首先对低压直流配电技术的发展历程做了概述，之后对低压直流配电系统的分类、元件组成、特点、换流器理论及存在的问题进行了分析。与交流配电技术相比，低压直流配电技术在电能输送能力、线路损耗和输电质量等方面具有优势，但是其本身仍然存在诸多不足，低压直流配电系统的设计和改进是相关专业人员今后重要的研究方向。

关键词：低压直流；配电技术；电力系统；电力电子技术；换流器；滤波器 文献标识码：A

中图分类号：TM721 文章编号：1009-2374（2016）33-0127-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.062

1 概述

近年来，人们对电力系统的要求越来越高，电力电子技术的发展相对成熟，更多先进的、满足人们不同需求的电力技术被应用到电力系统中。比如，相对高压直流配电技术的广泛运用，低压直流配电（简称LVDC）也逐渐得到了国内外学者的关注和电力系统中的运用。虽然早期配电系统中的直流配电技术存在电压过低、容量小和输送距离短等不足，并且一度被交流技术所取代，但是随着电力系统不断完善和改进，直流配电技术在元器件上的改进，如降低换流器的造价成本和耐压值、提高电流输送量等，使本技术重新得到了广大的关注。

从早期的研发到后期的改进，重新得到重视，可以看出低压直流配电技术一直是人们研究的热点，比如LDVC技术分析和问题研究等。研究的重点主要是围绕如何提高电力系统的传输能力和如何最大程度降低传输过程中造成的损耗等。相对交流电来说，后期得到广泛应用的直流配电拥有的优势包括：（1）直流电流不受输电线路电感的影响，从而提高电能输送；（2）直流配电电压要比交流电配电电压高，从而延长了电能的输送距离，保证了电能的输送质量。

本文详细介绍了低压直流配电技术，包括低压直流配电技术的类型、主要元器件和理论基础等，并对此技术中存在的问题加以分析研究。低压直流配电技术一直都是电力领域讨论的重点，在其取得可观成绩的同时，也存在着诸多严重的不足，如输电电压、电容量和输电距离等。随着电力电子技术的逐渐成熟，研究人员只有不断对低压直流配电技术的研究和改进，才能保证电力系统的可靠度和高效运行，满足现代人对电力系统更高的要求。

2 低压直流配电技术的综述

电力系统中，随着高压直流输电技术的不断成熟，其应用范围不断扩大。2009年12月，世界第一个达到±800kV特高压的直流输电工程建成，其起始点是云南，终点为广东，此直流输电线路电压从0kV成功升至800kV。直流配电从此以后便成为在更换线路成本较高时首要的替代选择。相较高压直流配电技术，低压直流配电技术在电力系统的运用较晚，究其原因，低压直流配电技术有其自身的不足，同时人们对这些问题的研究还不够深入，尚未妥善解决，这跟低压直流配电系统分类复杂有一定的关系。因此，相关研究人员有必要进行更深层次的钻研并且解决相应问题是推动整个电力系统安全高效运行的基础。本文在此对低压直流配电技术的分类、主要组成元器件、特点及基本原理做了详细的介绍。

2.1 低压直流配电技术的分类

2.1.1 按拓扑分类。（1）高压输电型。此类型的配电技术系统中的两个交流系统通过连接一条直流线路而相通。用电用户可以与直流系统连接，并且多个用户可从一个变流器中获取电能；（2）辐射型。此类型的低压直流输电系统中与高压输电型有明显不同的是，本系统中的用户与直流系统不直接相连，并且每一个用户对应唯一的变流器。

2.1.2 按直流输电系统中连接方式分类。（1）单极型。单极型的低压直流配电系统是利用一条导线来连接，通常情况以大地或水作为返回回路，显示负极特性。但是，在强的干扰情况下，如电阻率太高或者其他金融结构性干扰等，用金属代替大地作为返回回路，并且使金属回路在低电压下运行。更特别的是，必须用额定电压器来测量每端的直流电源，两级结构的运行可独立开来。（2）双极型。顾名思义，双极型的低压直流配电系统是用正负两条导线连接的，是比较常见的配电系统类型。系统两端在直流侧串接两个换流器，这两个换流器额定电压相同，同样两极运行可独立。需要特别注意的是，接地电流对附近的煤气或天然气管道可产生局部影响，由于管道可作为导体，从而有可能对金属造成腐蚀，因此用大地作为回路时需要妥善解决此类问题。

2.2 低压直流配电系统的组成元件

2.2.1 换流器。换流器是完成交流/直流（AC/DC）和直流/交流（DC/AC）之间变换的元件，由阀桥和带负载调分接头的变压器组成，其中阀桥是由电力电子元件的六脉或十二脉电路组成。

2.2.2 平波电抗器。平波电抗器串联在换流器的每个极上，其规模和规模相对都较大，用途是减小直流线路内的谐波电压和电流、保证轻载电流的连续、防止逆变器的性能降低和一旦发生短路时能够限制整流器的峰值电流等。

2.2.3 滤波器。滤波器就是一个过滤掉交流电与直流电运行中产生的谐波形式的元件，从而避免或降低干扰因素对电力电子元件的影响。

2.2.4 无功源。换流器在工作过程中离不开无功功率，因此换流器周围需要安装无功功率装备，同时交流滤波器在运行过程中也会产生部分无功功率。

2.2.5 接地。通常情况下，直流系统以大地为接地；特殊情况下，如大地电流过大或电阻率过高时需要特别安装接地极。

2.2.6 直流线路。架空线或电缆可以用来做直流线路。

2.3 直流配电技术特点

直流配电技术主要采用直流形式进行电能输送，其相对交流配电技术有一定的优势。

2.3.1 可靠性高。直流配电线路中需要两根导线，其线路可靠度相对同电压等级的交流线路要高。当其中一条线路出现故障时，另一条线路与大地构成回路，继续输送功率，对于处理不完全故障的反应速度相比，直流配电技术更快，修复时间更短，甚至可以通过其他手段来自动排除故障、恢复线路正常运行等。

2.3.2 效率更高。在直流配电系统中产生的损耗很小，比如相对交流电产生的损耗，直流电中除了电力电子变换器损耗外，几乎没有无功功率的网络损耗和集肤效应损耗。随着科技的不断完善，变换器的效率也在快速提高。

2.4 换流器理论

由上述对低压直流配电系统主要组成元件的叙述和特点的分析，本段对其中换流器理论加以分析。对换流器理论的研究就要从换流器的电路、交流电流跟相位的关系以及逆变器的工作原理等方面进行。

2.4.1 换流器电路。换流器电路主要是三相全波桥式电路形式，三相全波桥式电路形式相较其他接线模式有更高的电压器利用率。换流变换器通常在交流侧具有带负载调分接头用来控制电压，通常用中性点接地的星形接线或者三角形接线。系统内部恒定电压和频率，是直流电流在恒定状态下将电子器件作为安全可靠的开关。接通电源时，电阻为零；在断开状态下电阻无限增大。

2.4.2 交流电流和相位的关系。交流电流和相位关系的判定可通过变量和常量设置来确定。无论是整流还是逆变状态，换流器都需要吸收无功功率来进行正常运行。在各常量达到标准时便可实现无功补偿。

2.4.3 逆变器。与HVDC系统逆变侧的交流输出不同的是，低压直流配电的交流输出可以是单相。因为低压配电网的形式主要是辐射型，线路多数连接用户和电源。由于用户一般情况下只使用单相交流电，因此逆变单元可只利用单相逆变或者三相逆变。

3 低压直流配电存在的问题

3.1 谐波

大量电力电子器件的广泛运用产生了谐波。低压直流配电系统中的变流器主要由电力电子电路组成，本节主要分析了变电器中谐波的特性，并对滤波器设计做简要说明。

3.1.1 低压直流配电系统交流侧的谐波。低压直流配电系统交流侧产生的谐波，其波形并未有换相重叠或没有脉动现象，可以采用设定或假定的方式对正弦换相的电压和换流器的间隔程度加以计算等。

3.1.2 滤波器。凭借当前的研究水平，研究谐波的方法目前有两种：设置滤波器和改造谐波源。通过改变滤波器电容来提高整流装置相数和无功补偿部分功能，这样能同时减轻无功补偿装置负担和降低设备运行成本。

3.2 谐波与无功补偿

低压直流配电系统主要通过无功功率来控制电压，且低压直流配电系统的无功功率损耗较大，因此无功补偿技术在低压直流配电系统运行中尤为重要。要实现更好地控制无功功率，可通过电容器并联方法，将电容器并联既节约成本、操作简单，又方便灵活，成为控制无功功率的主要方式。

3.2.1 谐波对并联电容器影响。谐波电流在电容器基波上的叠加使电容器的电流增加了利用价值，温度的升高容易降低电容器的寿命。

3.2.2 电容器并联对谐波影响。电容器并联后参与到低压直流配电系统的运行，造成系统谐波阻抗感性或者容性的变化。另外，针对特定的谐波来说，电容器并联可能还会与低压直流配电系统发生并联谐振等现象。

3.3 电力电子元件可靠性

变流器被运用到低压直流配电系统中是影响电力电子元器件寿命、干扰系统电路可靠度和引发电力电子元件故障的因素。寿命问题继而影响到了元件的维护成本和整个系统中换流器的运行成本。

3.4 低压直流配电的电能质量标准

低压直流配电系统连接了用户和电力系统，用户侧交流用电系统和整流变压器一侧电能质量的评价考核应与交流系统的要求一致。低压直流配电系统的完善是为了更加高效地进行电能输送，因此保证换流器的效率、线路的可靠性和电力电子元件的寿命是电力系统正常、高效运行的基础。

参考文献

[1] 林立功，高永乐.低压直流配电技术分析和存在的问 题[J].电工电气，2013，3（9）.

[2] 曲林.低压直流配电技术分析和存在的问题[J].科技 与企业，2015，32（3）.

作者简介：郭长刚（1970-），男，山东禹城人，供职于国网德州供电公司开发客户分中心业扩拓展班，研究方向：配电线路。

（责任编辑：小 燕）