交流配电网与直流配电网的经济性比较_郑欢.doc
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1、DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2013.12.018 第 37 卷 第 12 期 2013 年 12 月 电 网 技 术 Power System Technology Vol. 37 No. 12 Dec. 2013 文章编号: 1000-3673( 2013) 12-3368-07 中图分类号: TM 721 文献标志码: A 学科代码: 4704051 交流配电网与直流配电网的经济性比较 郑欢,江道灼,杜翼 (浙江大学 电气工程学院,浙江省 杭州市 310027) Economic Comparison of AC and DC Distribution Sy
2、stem ZHENG Huan, JIANG Daozhuo, DU Yi (College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China) ABSTRACT: The load in the present distribution network is 其进行经济性比较。研究表明,直流配电网的最大传输容量 classified and the maximum transmission capacity of AC 与投资成本皆大于交流网,且电压等级越高,其最
3、大传输容 distribution network and that of DC distribution network are 量与投资成本越大;直流配 电网的传输损耗率低于交流网, derived respectively. The manufacturing cost and transmission 且随着电压等级的提高而下降;中压直流负载的比例越高, efficiency of main equipments for DC distribution network are 直流配电网的投资成本越低,传输损耗率越小。 estimated according to their rese
4、 arch and development 0 引言 following three situations, namely supplying power by AC distribution network, 7.5kV DC distribution network and 15 断提高,用户对电能的稳定性、高效性和经济性要 kV DC distribution network, are calculated respectively, and 求日益增高。一方面,太阳能光伏电池和 燃料电池 transmission capacity and investment cost of DC d
5、istribution network is higher than those of AC distribution network, and SMES)等各种储能装置大多是直流电,必须通 过 the higher the voltage class is, the higher the maximum DC/AC 变流器才能并入交流配网;生活中的大量 电 transmission capacity and investment cost will be; the 器采用直流电工作更为方便、节能,如计算机、打 of voltage class; the higher the proporti
6、on of medium-voltage DC load is, the lower the investment cost of DC distribution 提高电能利用效率。电力电子变流器的大量使用不 network and the lower transmission loss will be. 但增加了分布式电源和储能装置的设备和运行成 KEY WORDS: DC distribution network; AC distribution 本,同时也牺牲了系统的整体效率和可靠性。另一 方面,我国数十年来由于城市规划与电力的条块分 割,形成了与负荷发展要求不相适应的配电网结 构,使配
7、电网规划、容量及电能质量越来越难以适 于直流断路器、直流变压器等尚未实现商业化应用的装 置, 根据其研发费用对未来的市场价格进行了估算。以典型结构 对电能质量要求逐渐提高;我国面临能源结构调整 的配电网为例,分别对其采用交流配电网、 7.5 kV 及 15 kV 的需求,需大力发展储能电站、电动汽车以及可再 生能源发电接入配电网,从而对城市配电网的运行 863 Program(2013AA050104). 力系统提出的更加环保、更加安全可靠、更加优质 calculated and analyzed, as for such equipments as the DC 关键词: 直流配电网;交流配
8、电网;经济性比较;投资成本; circuit breaker and the DC transformer, whose commercial use 传输损耗率 is not yet implemented, their market prices in future are expenditure. Taking distribution network with typical structure 随着新能源、新材料、信息技术和电力电子技 as example, its investment costs and transmission losses under 术的长足发展和广泛应用,
9、以及城市负荷需求的不 then the economic comparison among the three situations is 等可再生能源,及电动汽车蓄电池组、超级电容器、 performed. Research results show that both maximum 超导磁储能 (superconductor magnetics energy storage, transmission loss DC distribution network is lower than that of 印机、微波炉,以及洗衣机、变频空调等;电弧炉、 AC distribution net
10、work, and it will decrease with the increase 旋转电机等越来越多的工业负荷采用变频技术以 network; economic comparison; investment cost; transmission loss 摘要: 对目前配电网中的负载进行了定义与分类,并对交、 直流配电网的最大传输容量分别进行了推导;对交、直流配 应城市发展的需求。用电负荷越发密集,配电网走 电网主要设备的造价与传输效率分别进行了计算与分析,对 廊紧张,供电容量不足;高新产业比例日益扩大, 直流配电网供电时的投资成本与传输损耗进行计算,进而对 基金项目: 国家 863
11、高技术基金项目 (2013AA050104)。 The National High Technology Research and Development of China 第 37 卷 第 12 期 电 网 技 术 3369 经济并支持用户与电网双向互动等诸多要求,传统 的电网结构已越来越无法胜任。 国外研究资料表明,与交流配电网相比较,基 于直流的配电网在输送容量、可控性以及提高供电 质量等方面具有更好的性能 ,可以有效地提高供 电容量与电能质量,快速独立地控制有功、无功功 率,减少电力电子变流器的使用,降低电能损耗和 运行成本,协调大 电网与分布式电源之间的矛盾, 交流电源 换流站 直流
12、断路器; 直流电缆。 逆变器 直流 变压器 中压直流 负载 中压交流 负载 逆变器 A 类负载 B 类负载 C 类负载 充分发挥分布式能源的价值和效益,亦有助于企业 采取更多的节能技术,提高能源利用率。因此,兼 具可靠性、安全性、稳定性、经济性的直流配电网 具有巨大的 市场潜力和经济价值。 本文以典型结构的配电网为例,综合考虑其最 大传输容量、主要设备造价与传输效率,对其采用 交流配电网及不同电压等级直流配电网供电时的 经济性指标进行计算,进而对其进行经济性比较, 以期为未来直流配电网的研究与应用提供参考。 1 交流 配电网 与直 流配电 网的 负载与 最大 传输容量 1.1 交流配电网与直流
13、配电网的拓扑 以采用相同放射状拓扑结构的交流配电 网与 直流配电网为例,对交流配电网与直流配电网的经 济性进行分析比较,如图 1、 2 所示。其中,交流 配电网的设备包 括变电站、交流断路器、交流电缆、 交流变压器以及为直流负载供电所需的整流器;直 流配电网则通过换流站与交流输电网相连,其设备 主要有换流站、直流电缆、直流断路器、直流变压 器及为交流负载供电所需的逆变器。 本文仅考虑在某一地区新建配电网络的情况, 不考虑原有配电网的改造成本。 1.2 交流配电网与直流配电网的负载分类 针对如图 1、 2 所示的配电网络,本文对其负 流负载 流负载 交流电源 整流器 A 类负载 变压器 交流断路
14、器; C 类负载 交流电缆。 图 1 交流配电网放射状拓扑结构 Fig. 1 Radial topology of AC distribution system 图 2 直流配电网放射状拓扑结构 Fig. 2 Radial topology of DC distribution system 载分类方式作出以下定义: 1)对于某些对电能质量要求较高的工业负载, 通常采用变频技术以及不停电电源以提高电能利 用效率与电能质量。定义其为中压直流负载,直流 配电网可直接为其供电,而在交流配电网的投资成 本计算 中则需增加整流器的成本。 2)对于普通工业负载,则通常以交流电的形 式工作,交流配电网可直接
15、为其供电,而在直流配 电网的投资成本计算中则需增加逆变器的成本。 3)对于计算机、打印机、电视机、微波炉、 电磁炉,以及变频空调、洗衣机、冰箱等以直流电 形式工作的低压负载,定义其为低压 A 类负载。假 设直流配电网可直接为其供电,因此省略 DC/DC 换流器的成本,而在交流配电网的投资成本计算中 则需增加整流器的成本。 4)交流电机、电扇等必须以交流电形式工作 的低压负载,定义其为低压 B 类负载,交流配电网 可直接为其供电,而在直流配电网的投资成本计算 中则需增加逆变器的成本。 5)白炽灯、电热水壶、咖啡机等纯阻性低压 负载,定义其为低压 C 类负载,既可以交流电形式 工作,也可以直流电形
16、式工作。假设交流配电网与 直流配电网都可直接为其供电。 根据 2001 年美国用户负载数据,低压配电网 中 A、 B、 C 3 类负载的百分比分别为 31.4%、 52.6% 及 16% 。由于近年来变频空调、计算机、微波炉 等 A 类负载的普及应用,以及电弧炉、旋转电机等 越来越多的工业负荷采用变频技术以提高电能利 用效率 ,配电网中直流负载的比例与 2001 年相比 应有所上升。现假设低压用户 3 类负载的百分比分 别为 50%、 40%及 10%,并假设各类负载的电压等 级与容量如表 1 所示。其中,由于直流配电网通常 经联结变压器与交流电网相连,线电压可为交流配 1-7 中压直 整流器
17、 中压交 变电站 交流 B 类负载 3370 郑欢等:交流配电网与直流配电网的经济性比较 表 1 交流配电网与直流配电网负载 Vol. 37 No. 12 Tab. 1 Loads of AC and DC distribution system 负载类型 电压等级 功率 /MW 交流负载 10 kV(AC) 2.0 或 15 kV(DC) A 类负载 200 V(DC) 0.5 低压侧 B 类负载 220 V(AC) 0.4 C 类 负载 / 0.1 电网的 23 倍 ,其电压值可通过选择不同变比的 联结变压器进行调节。因此,分别设直流配电网的 线电压为 7.5 kV 及 15 kV,如表
18、1 所示。此外, 在图 1、 2 中,设每条配电电缆长度都为 l=2.5 km。 1.3 交流配电网与直流配电网的最大传输容量 随着负荷的增长,用户端直流电压将随着潮流 流动方向依次下降。考虑到线路绝缘与用户设备的 允许工作电压范围,定义交流配电网与直流配电网 线路始末端电压差最大允许值为额 定电压的 10%。 交流配电网线路始末端电压幅值差 UAC 可表示为 U AC 式中: PAC 为交流配电网负载有功功率; RAC 为交 流电缆的等效电阻; QAC 为交流配电网负载无功功 率; XAC 为交流电缆的等效电抗; UAC 为交流配电 网线电压有效值。而直流配电网线路始末端电压幅 值差 UDC
19、 可表示为 U DC 式中: PDC 为直流配电网负载有功功率; RDC 为直 流电缆的等效电阻; UDC 为直流配电网线电压。 交流电缆的介质损耗、磁感应损耗等额外损耗 通常与其电阻损耗基本相等 ,因此,若假 设交流 电缆与直流电缆的铜芯截面积相同,则在计算电缆 等效电阻时,可认为交流电缆的等效电阻 RAC 为直 流电缆等效电阻 RDC 的 2 倍;但由于直流配电网通 常采用双极系统,其等效模型需同时考虑正负极直 流电缆的等效电阻 ,因此可认为 RAC=RDC。设交 流配电网功率因数为 0.9,电缆等效电抗 XAC=2RAC, RAC=RDC=1 ,则由式 (1)(2)可得 RAC RDC
20、由式 (3)(4)可知,当线路始末端电压差最大允 许值同为额定电压的 10%,且假设交直流线路电 阻相等时,交流配电网与直流配电网各线路的最 大 传输容 量分 别为 5.1、 22.5 M W(7.5 kV)及 90 MW(15 kV)。 以如图 1、 2 所示的交流配电网与直流配电网 为例,虽然目前各线路的负载容量均未超出该线路 的最大传输容量,但在对配电网进行设计时,必须 考虑未来数年甚至数十年的负荷预测数据。若该地 区负荷增长速度较快,且采用交流配电网为该地区 负载供电,则在若干年后,可能出现传输容量不足 的情况。因此,在对交流配电网与直流 配电网进行 经济性比较前,需对各线路的最大传输
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