适应可再生能源接入的城市中低压直流配电网电压等级序列

2021-10-14陈喆刘宗扬李家淇黄学劲王睿喆李海波江坷滕

广东电力 2021年9期

陈喆，刘宗扬，李家淇，黄学劲，王睿喆，李海波，江坷滕

(1.广东电网有限责任公司东莞供电局，广东东莞 523000；2.清华四川能源互联网研究院，四川成都 610213)

随着可再生能源与电动汽车的快速发展，未来城市中低压配电网的发展需要考虑大量分布式可再生能源和充电站的接入，城市配电网的升级改造面临巨大挑战。与交流配电网相比，直流配电网具有更大的供电能力、更高的传输效率、更紧凑的安装布置方案[1-4]，且可减少分布式电源、充电桩的并网环节及损耗[5]。此外，采用直流柔性互联技术，可实现多条交流馈线间的功率支援，解决目前交流配电网整体容载比虚高、局部地区供电能力不足的矛盾，并且能够提升可再生能源的接入比例，有效提高原有交流配电网的供电能力与可靠性[6]。

城市中低压直流配电网的规划方向应该参考传统交流配电网，从独立的端对端系统发展到多端系统，先以局部供电网的形态接入现有交流配电网，形成交直流混合配电网；然后对交流电网进行改造、升级和替代，逐步形成直流配电网，实现与传统电网的融通供电和过渡[5-9]。制订合理的电压等级序列是电网规划的前提与基础，既要考虑与现有交流配电网的兼容，满足融通供电、电网容量、负荷需求等边界条件；又要考虑可再生能源接入、供电能力和技术水平等的约束，满足经济性、安全性、可靠性和普遍适用性；还要具备高度前瞻性，为未来大规模建设的直流配电网体系提供关键节点和主要电压等级支撑，适应未来电网的结构变化[9-13]。

近年来，对直流配电系统电压等级的评价与选取取得了丰富的理论成果，包括电压等级选取依据的分析、评价方法、评价指标和评价模型等[14-22]。部分学者参照交流配电系统电压等级的制订方法，提出采用级倍数[14]、几何均值[16]、“舍二求三”[17]等方法，进行直流配电系统电压等级制订、规划和验证，但是忽略了现有交流系统融通供电和可再生能源接入等实际情况，缺乏对经济性、安全性的评价分析和计算[16-17]。

在此基础上，有学者从多个宏观层面对电压等级的评价选取进行了理论分析。文献[18]采用模糊综合评价法，选取供电能力、经济性、适应性等宏观指标，进行电压等级序列的评价选取，但是各指标的评分结果缺少理论计算，结论缺乏说服力。文献[19]结合可再生能源和现有输电工程的兼容性，针对不同负荷率的城市，分别提出直流配电网电压等级配置方案，但是缺少理论依据。文献[20]特别关注不同电压等级下直流配电网与现有交流配电网的融通互联，提出相应的电压等级序列，但是缺少对系统经济性的分析。文献[12]采用解释结构模型详细梳理各影响因素的层次关系，基于模糊综合评价法，选取380 V作为低压电压等级，但是指标集的计算过程和评判结果高度模糊化，缺乏客观性。文献[21选取优劣解距离法对评价指标进行归一化处理，分别从可靠性、经济性和适应性进行计算分析，但是没有考虑可再生能源接入与现有交流电网的融通互联。文献[22]在理论上提出电压等级的选取应该考虑配电半径、故障保护和经济成本，但是计算过程仅考虑了损耗和适应性，分析计算过于简单，缺乏理论支撑。以上研究主要从电网侧进行电压等级规划，缺少对可再生能源和用户侧适应性的调研分析。

目前直流配电网电压等级的规划研究一般尝试通过单一模型来求解适用于不同电压等级的最优解，一方面缺乏对现有交流用电设备兼容方面的考虑，另外针对未来大规模电动汽车、可再生能源接入的场景考虑不足，难以适应交流配电网融通供配电的要求。因此，本文针对不同电压等级(依据GB/T 35727—2017《中低压直流配电电压导则》划分电压等级)应用不同方法选取合适的电压等级，主要开展以下工作：①基于电缆改造和器件耐压水平等因素，确定入户的直流电压等级。②结合几何均值原理和工程实际，给出直流电压备选集；针对大规模电动汽车接入场景，通过广泛调研直流充电桩电压等级，提出低压直流电压等级。③考虑系统经济性、供电能力和适应性，建立综合评价最优模型，通过模糊综合评估方法，求解得到满足城市交流配电网融通供电的中压直流配电电压等级，并利用技术成熟度进行校验。④根据“舍二求三”原则，对本文所提出的电压等级体系进行合理性校验。

1 直流配电电压序列构建方法

1.1 融通型城市直流配电网典型场景

融通型城市直流配电网是指直流配电网通过电压源换流器(voltage source converter，VSC)连接到现有交流电网形成的配电网，其典型应用场景如图1所示[9]。系统通过四端柔性直流配电网，实现10 kV交流配电层面的功率融通，主要包括“源-网-荷”3个层面的功率融通：当交流线路出现负载率过高或故障的情况下，直流配电网可以实现功率支援，同时分布式电源、储能及充电站可通过DC/DC直接并入直流配电网，实现“源端”的融通发电。其次，各个负荷点可通过多个电源回路实现取电，使得系统具有更高的灵活性与供电可靠性，实现“网络”的融通供电。最后，考虑到民用电气设备变频化和直流化趋势越来越明显，低压直流建筑近几年得到了快速发展，未来民用低压直流建筑也可直接通过DC/DC并网，实现“负荷”的融通取电。

图1 直流配用电的典型场景

1.2 自下而上的中低压直流电压等级构建方法

电网等级的合理布局能有够效降低电网的综合运行费用。大量研究和经验表明，当相邻电压等级满足几何均值约束时，系统上下级电压等级更为合理，变电设施便于生产、安装和检修，具有较好的经济性[15]。因此，直流配电网电压等级的初步制订可以参照几何均值原理，首先根据住宅、充电桩等负荷用电情况，给出基本电压等级，然后依此推导城市中低压直流配电网电压等级体系[19]。

在确定低压直流电压等级之前，首先需要考虑IGBT、MOSFET、GaN和SiC等宽禁带器件的耐压水平。常用器件中，IGBT的电压等级较少，一般分为600 V和1 200 V两类。MOSFET器件有较多的电压等级，尤其是300 V以下，300 V电压等级以下的MOSFET器件有很多不同产品，包括100 V、150 V、200 V、250 V、300 V等，而300 V以上电压等的产品相对较少。GaN和SiC等宽禁带器件由于自身器件的原因，更多情况下使用较高的电压等级，比如GaN器件均超过650 V，SiC也都在1 200 V以上。

其次，对于换流器来说，计及关断过电压抑制、纹波电流吸收、阻尼控制等，其会大量使用各类型电容，其中直流滤波电容对直流电压等级的影响较大。直流滤波电容器的电容主要以电解电容为主，所以电压等级最高为450 V，可以满足400 V或800 V(需要串联)的应用。此外，光伏发电、交流电动机变频驱动、电动汽车驱动器和充电机等领域的电力电子器件主要采用600 V和1 200 V电压等级，并形成了包含直流滤波电容在内的较完善的配件体系。

再次，文献[23]根据相关标准，结合电缆敷设和改造情况，分别从电击防护、导体经济性、供电能力、改造成本等方面分析指出，我国建筑物的直流电压等级范围位于[0.19 kV/0.38 kV，0.24 kV/0.48 kV](单极接线级间电压/双极接线级间电压，本文所述电压等级主要依据单级接线中的极间电压)，该电压带在安全、环保、经济等方面具有综合优势。

综上所述，结合电缆敷设和改造情况，本文建议采用0.19 kV/0.38 kV作为入户的低压直流电压等级，既可以保障客户用电安全，又可以满足大部分器件的耐压水平。因此，根据几何均值原理推算的直流电压等级以及现有交流电压等级如图2所示。

图2 基于几何均值原理的电压等级序列

由图2分析结果可知，基于几何均值原理推算的部分直流电压等级(0.38 kV、5.76 kV)能够直接与现有交流电压等级实现互联互通，但还需考虑可靠性、供电能力、可再生能源消纳等问题，分析绝缘配合、传输距离、运维技术发展及器件生产水平等的影响，方便可再生能源发电设施、充电桩等直流设备并入。其中，超低压直流电压作为户用电压，主要影响因素为其安全性和节能性，与供电距离和容量相关性不大，因此推荐人体安全电压48 V作为超低压直流电压，形成±0.048 kV/0.19 kV/0.38 kV的建筑低压电压等级体系。

1.3 低压直流电压等级确定

1.3.1 电动汽车等其他直流负荷电压等级

目前电动汽车和数据中心都是典型的直流负荷，其中数据中心直流母线的电压一般是0.4 kV，与0.38 kV接近。对于电动汽车来说，由图2可知，在入户低压电压等级0.19 kV/0.38 kV的基础上，结合几何均值原理，推算得到0.75 kV/1.48 kV作为低压电压等级。结合实际生活场景，该电压等级主要供电动汽车等大容量直流设备充电使用。随着电动汽车在城市的大规模发展，其在提高能量消纳的同时还能实现能量储存，将形成一个规模可观的储能市场，有效帮助电网实现削峰填谷。因此，应当针对电动汽车充电，选取合适的低压电压等级。本文调研了电动汽车市场上主流充电接口电压，见表1。

表1 电动汽车市场主流充电接口电压统计

由表1可知，为了适应目前交流电网民用电电压等级，调研对象中37.5%的电动汽车采用0.22 kV作为标准充电电压等级。但是为了实现大功率和高效快充，以比亚迪、宝马等品牌为代表的62.5%的电动汽车选择0.75 kV作为充电接口电压。0.75 kV不仅可以提高充放电功率，而且便于与1.5 kV配电网连接。随着充电电池性能的提升和充放电技术的成熟，电动汽车充电电压有望直接使用1.5 kV，便于与地铁牵引供电电压相连。

综上所述，考虑到电动汽车充电接口电压的现状和未来趋势，以及还要与现有配电网融通供电，本文建议将1.5 kV(±0.75 kV)纳入直流配电网电压等级的规划设计，形成±0.048 kV/0.19 kV/0.38 kV/0.75 kV/1.5 kV的低压电压等级体系。

1.3.2 城市中低压直流电压等级备选方案

根据现有理论分析和工程实例，表2整理了城市中低压直流配电网电压等级序列推荐值及选取依据，为电压等级的进一步筛选提供备选方案。

表2 城市中低压直流电压等级备选方案

2 直流电压等级综合评价优选模型

中压电压等级的选取过程中，不仅需要计及所推荐电压等级的直流电网与交流电网之间的融通供电，还需要考虑工程建设的经济性、供电能力和适应性。建立直流配电系统电压等级综合评价指标体系如图3所示。

图3 直流配电系统电压等级综合评价指标体系

综合评价模型表示为

(1)

式中：bi为电压等级i的综合得分；n为评价因素数量；ωk为第k个评价因素的权重因子；μk，i为第k个评价因素电压等级i对应的隶属度函数值。

2.1 经济性

工程经济性分析主要包括投资成本、运行成本和回收期分析，并选取合适的隶属度函数进行归一化分析。对于中低压配电网工程来说，系统投资成本主要集中在断路器、变压器和相关变流器等设备。运行成本主要指工程实施及运行过程中的正常支出，包括传输损耗以及年运行维护等正常运行带来的支出损耗消费。

系统损耗费用

Ftra=(Pline+Pcon)Sh=(0.002RI2+PcapCrate)Sh.

(2)

式中：Pline为线路损耗；Pcon为换流站损耗；S为相应电压等级的输配电价，本文取0.15元/kWh；h为利用时间，本算例选取为6 000 h；R为线路阻抗；I为线路传输电流；Pcap为传输容量；Crate为换流站损耗率，本文取1.6%。线路传输造成的损失可等效估算为系统总投资的5%[18]。

直流配电工程的运行维护费用主要指系统硬件设施的运行维护费用Fopr，计算方法为

Fopr=foprCtotal.

(3)

式中：fopr为运行维护费率，本文取1.8%；Ctotal为工程总造价，包含电缆、断路器、变压器、换流器等设备的成本，以及变电站(换流站)的建设成本。

为了分析直流配电系统的投资收益能力，本文采用投资收益率finv和回收期N进行量化评估，投资收益率的计算方法为

(4)

式中：P1为售电负荷量，本项目中售电量取传输负荷量Pcap的80%；Pd为工程首付款；Pr为总银行还款额。以等额本息还款法为例，假设贷款额为总工程造价的50%，贷款年利率为5.9%，贷款期限为25年。

投资回收期计算方法如下：

(5)

式中:Itotal为总工程投资；Cincome为年投资收益。

为了将经济性评估结果归一化，利用降梯形函数进行描述分析[24]，经济性隶属度μ1数学表达式为：

(6)

式中：Ni为电压等级i下的投资回收期；Nmax和Nmin分别为最长和最短投资回收期，根据工程实际经验，最短投资回收期和最长投资回收期分别为10年和25年。

2.2 供电能力

线路的供电能力可以通过负荷矩λdc来量化计算，计算方法为[18]

(7)

式中：Udc为双极直流供电线路的电压；eU为电压损耗相对值，取7%；r0dc为线路单位长度的直流电阻，铜芯电缆的线路单位长度的直流电阻取为0.000 307 Ω/km。

不同电压等级对应的负荷矩区别较大，难以直观对比，因此本项目采用项目总投资与负荷矩的比值对系统电压等级进行综合评估，并定义该比值为造价系数fcost，其计算方法为

fcost=Ctotal/λdc.

(8)

引入负线性隶属度函数对造价系数进行评价，供电能力隶属度μ2计算方法为

(9)

式中系数符号加下标max、min分别表示中压电压等级的最高造价系数和最低造价系数。

2.3 适应性

直流配电系统与交流配电系统的互联互通需要通过换流器，以VSC为例，当VSC采用正弦脉宽调制时，其两侧交直流电压间的换算关系[12]表示为

(10)

式中：M为调制比，取值范围为0.8～1.0；Uac为交流相电压有效值，其取值参照图2所示的现有交流电压等级。

本文提出交直流电压的差异度，对交直流电网间的接入复杂度进行量化评估，差异度越小说明规划的直流系统与现有交流系统的兼容性越好，所需变压设备越少。差异度

(11)

(12)

3 中压直流电压等级算例分析

由表2可知，±10 kV便于光伏接入和配电容量的扩增，±8 kV常用于高压配电，便于改造。因此±10 kV和±8 kV作为中压电压等级各有优势，需要进行综合评价和对比分析，支撑中压电压等级的选取。根据上文所建立的综合评价最优模型，分别选取经济性、供电能力和适应性等评价指标及相应的隶属度函数进行计算分析，然后通过模糊综合评价方法，进行电压等级的综合评估。

3.1 经济性

为了对多级直流配电网进行投资成本分析，首先进行各电压等级的投资成本和运行成本分析，然后计算其投资回收期，最后采用相应的隶属度函数，对±10 kV和±8 kV电压等级的经济性进行量化计算。根据各设备造价进行整体估算，不同电压等级下的造价参数见表3。

表3 中低压工程造价预估表

由表3可知，对于城市中低压直流配电工程，其造价与电压等级呈正相关，变电站(换流站)的建设成本为工程造价的主要影响因素。根据式(3)—(6)得出的相关经济性参数见表4。

表4 经济性评价结果

由表4可知，±10 kV电压等级高，对设备绝缘水平要求高，初始投资和银行还款额相应增加，并且运行维护费用也高，因此投资回收期较长，投资收益率较低，与其成正相关的隶属度函数值相应较小。

3.2 供电能力

根据式(7)—(9)，系统供电能力主要通过负荷矩进行量化评估，结合工程实际经验，中压电压等级的最低造价系数fcost，min和最高造价系数fcost，max分别为1万元/(MW·km)和2.5万元/(MW·km)，则各电压等级负荷矩和造价系数的计算结果见表5。

表5 供电能力评价结果

由式(7)可知，电压相对损耗和传输线路相同情况下，负荷矩与电压等级的平方成正相关，表5的分析结果进一步验证了该特性，以±10 kV电压等级下负荷矩为代表的供电能力约为±8 kV电压等级下供电能力的1.56倍。结合不同电压等级总投资，±10 kV传输情况下，传输1 MW·km电能投资约1.43万，造价系数明显低于±8 kV，节约了系统用能投资，具有显著的经济意义，因此描述±10 kV供电能力的负线性隶属度较高。

3.3 适应性

由图2可知，与±10 kV和±8 kV电压等级相邻的现有交流电压等级包括6 kV、10 kV和35 kV，结合式(10)可得相应约束上下限和平均值见表6。

表6 交流电压等级适应性约束条件

结合式(11)和式(12)，±10 kV和±8 kV电压等级下与交流电网相匹配的适应性参数见表7。

表7 适应性评价结果

±10 kV和±8 kV均位于交流电压10 kV和35 kV形成的[4.59 kV，16.07 kV]区间内。±8 kV直流电网需要通过变压器接入35 kV交流电网，±10 kV与现有±35 kV交流电网能够形成较好的匹配，与现有交流系统的兼容性好，所需变压设备较少，可以降低现有交流电网的工程改造工作量。

3.4 评价模型的求解

模糊层次分析法是将评价对象的属性、指标进行分层，逐层合成指标得到综合评价指标的方法。在层次分析中，利用指标间的重要性对比确定指标的权重，从而对指标进行合成。模糊层次分析法利用模糊一致判断矩阵对各个指标进行重要性比较，改进了层次分析法判断矩阵一致性检验、权重求取方面的问题。模糊一致判断矩阵S为n×n的矩阵，其元素具有以下性质：

(13)

式中sij代表第i个指标与第j个指标之间的关系，取值为0.5时，表示2个指标同等重要，取值越大表示指标i越重要。模糊一致判断矩阵可以由专家打分等方法，通过统计专家的意见得出，专家打分后生成的模糊一致判断矩阵为

(14)

在得到模糊一致判断矩阵后，即可由矩阵计算得到模糊层次分析法各指标的权重，从而确定层次指标间的关系及计算更高层次的指标。权重计算方法为

(15)

式中β为决定权重分辨率的参数，参数越大代表重要的指标权重值越高，而非重要指标权重值越低。本文分辨率参数β为105，则得到权重系数向量为(0.4，0.3，0.3)，由此得到中低压直流系统电压等级评价指标结果见表8。

表8 城市中压电压等级评价结果

模糊评价的算子主要有最大最小算子、乘和最大算子、乘加算子等，这些算子都以一定的权重选择最优的1个指标或合成全部指标，对评价对象进行定量评价。例如乘加算子先将评价指标与权重相乘，然后加和得到合成评价指标。

当综合考虑系统经济性、供电能力和技术成熟度时，10 kV电压等级由于供电能力和适应性高，综合得分也最高(0.53分)，因此推荐作为中压直流配电网电压等级。

考虑到直流电压等级越高，其供电能力越强，线路损耗越低，运行经济性越好，但同时绝缘要求增大。对于10 kV系统，由于一般采用中性点不接地系统，因此绝缘水平是按照线电压配置的，交流10 kV电缆的绝缘水平能够满足±10 kV直流系统的要求，无需新增加投资。

3.5 中压直流电压等级评价结果的验证

从20世纪90年代末开始，国内日益重视对技术成熟度评估的研究。我国于2009年6月实施的GB/T 22900—2009《科学技术研究项目评价通则》，为科学技术研究项目的投入产出效率评价提供了科学规范的方法，实现了对科学技术研究项目的量化管理，并给出了基础研究项目、应用研究项目、开发研究项目的技术就绪水平(technology readiness level，TRL)量表。TRL定义引用自2009版美国技术就绪评估手册，其分为硬件TRL和软件TRL两种，本文主要介绍硬件TRL，其基本等级划分与定义见表9。

表9 硬件技术就绪水平的定义

中低压直流系统工程的建设研究以及相关直流设备的研发生产处于初级阶段，可以基于TRL对不同电压等级直流设备的技术成熟度进行统计分析，从而对该直流电压等级的实际应用可行性进行验证。

根据相关文献报告，国内目前已建成或正建设的中低压直流工程项目统计情况见表10。并且认为已投运工程中所采用的电压等级设备已达到TRL9阶段，在真实系统中能够成功执行任务，得到检验；尚未投运的工程所采用的电压等级设备达到TRL8阶段，经过实验测试与演示验证，真实系统研制完成并证明合格。不同电压等级的TRL统计结果见表11。

表10 国内目前已建成或正建设的中低压直流工程项目统计

表11 直流系统不同电压等级TRL统计

由统计结果可知，目前已投运的直流系统工程中，接近一半的工程采用了±10 kV作为标准电压等级。由此可见，工程应用中对±10 kV的研究应用较为充分，技术成熟度较高，有良好的应用前景。

3.6 城市中低压直流电压等级的检验

在城市中低压直流配电网电压等级的设计过程中，电压等级的极差倍数需要控制在合理范围。极差过大会导致供电范围不能合理覆盖，增加出线和线路损耗，同时对变压器等设备的制造也提出了更高要求；极差过小将导致不能充分发挥各电压等级的作用，供电范围交叉覆盖，增加变电次数和设备投资。

因此，国际电工委员会提出了“舍二求三”原则，即中高压领域中，相邻两级电压之比应该靠近或超过3，不应小于2[18]。本文所提的电压等级序列检验结果如下：0.19/0.048=3.96，0.38/0.19=2，0.75/0.38=1.97，1.5/0.75=2，10/1.5=6.67。

因为“舍二求三”原则主要适用于中高压和高压输配电，低压侧由于用电主题和设备的差异，一般极差接近2也是可以接受的。检验结果表明，通过上述步骤形成的中低压直流配电网电压等级基本满足“舍二求三”的核心原则。因此，通过本文提出的针对不同电压等级采用不同侧重的自下而上的规划方法，规划的城市中低压直流配电网电压等级间的极差符合国际电工委员会电压标准，具备合理性和可行性。