1 研究背景
早在输配电系统产生之时, 人们就将目光锁定于直流[1], 但由于早期直流输配电电压水平低、输送容量小等因素的制约以及交流系统的优越性使直流配电系统停滞不前。20世纪末, 随着直流供电技术的发展, 尤其是电力半导体技术的发展, 直流供电技术和直流电器产品克服了原有缺点, 并在某些领域重新取得了技术经济优势[2]。
近年来高压直流输电技术广泛应用于电力系统中, 换流器、滤波器、断路器等各方面发展较为成熟, 低压直流配电技术也逐渐受到国外学者的关注[2~4]。这对直流配电网的建设有着很好的借鉴作用和有力的技术支持。
基于以上两方面的背景, 本文提出了建设直流配电系统的构想。
2 直流配电网建设的必要性
2.1 分布式电源增多节省换流器件
近几年, 随着各国对节能减排和能源综合利用的需要, 分布式能源系统因变负荷灵活、较低的初投资、供电可靠、较小的输电损失和适合可再生能源应用等特点而越来越受到重视。因此配电网的电源已经不再是唯一的交流电源, 分布式电源占据着越来越大的比重。其中又以风力发电和光伏发电发展最为迅速, 产业规模、经济性和市场化程度都逐年提高。在分布式电源蓬勃发展的当口, 突发了福岛核泄漏事故, 这无疑令清洁、安全的分布式电源发展动力更足。预计在2020年以后分布式电源将会有更快的发展, 并逐步成为主导电网中的主导电源。
分布式电源的普及能够极大地促进直流配电网的发展, 其最根本的原因在于分布式电源并入直流配电网可以节省大量的换流器件。
风力发电和燃气轮机发出的是交流电, 但都不是恒定的50Hz, 因此需要经过交-直和直-交两次变换, 变频后才能并网。但如果接入直流配电网, 就可以省略变频调节中的直-交逆变环节。
光伏发电和燃料电池发电是以直流形式产生电能, 经过直-直斩波和直-交逆变才能并入传统的交流配电网。如果接入直流配电网, 也可以省略直-交逆变环节, 从而降低能耗。
综上所述, 使用直流配电系统可以大大减少直-交逆变器的使用。因为逆变器是有功率损耗的, 这样一来不仅降低了电网的构建成本, 更降低了输配电过程中的电能损耗。
2.2 用户用电形式的新发展
用户用电形式的新发展是推动直流配电网产生的另一个重要原因。近年来随着电力电子技术的进步, 用户的用电形式发生了很大变化, 主要表现在以下两个方面。
(1) 含直流环节的电器增多。
含有直流环节的电器是指需要对电能进行交-直-交转换的电器, 最普遍的就是变频电器。近年来, 变频技术的应用在我国有很大的发展, 目前已经在空调、冰箱、洗衣机、微波炉等产品上搭载。变频家电凭借节能、舒适等特性在市场竞争中异军突起, 占据着越来越大的市场份额[5~6]。
在传统的交流配电网中, 用户使用的是交流电, 必须通过交-直-交转换才能变频。如果改用直流配电网, 只需进行直-交转换即可实现, 从而省略了整流器, 因此降低能耗。
(2) 本质上使用直流的电器增多。
现在的很多电气设备其本质上都是使用直流的, 需要将交流电变成直流电再送给电器使用。我们身边有很多类似的直流驱动电器, 例如液晶电视、室内及室外LED照明灯、电动汽车、电动自行车、个人电脑、手机等。如果用直流直接供电, 必然比将交流电变成直流电再使用更加节省能源。
3 直流配电网的优势
3.1 线路造价低
(1) 交流配电为三相四线或五线制, 而直流配电只有正负两极, 能节省大量的线路建设费用。
(2) 相同有效值电压的交直流电场施加于绝缘时, 交流电压的峰值约为直流电压峰值的1.7倍, 因此对绝缘介质的绝缘强度要求比直流更严格, 所以直流电缆绝缘介质的投资要少得多。
3.2 电能损耗小
(1) 直流配网只需两根输电线, 导线的电阻损耗比交流小。
(2) 没有集肤效应, 导线的截面利用充分。在输送同样的有功功率情况下, 与交流系统相比, 相应地损耗较少。
3.3 供电可靠性高
直流供电不存在稳定性问题。在交流配电网络中, 因为要保证电力系统的所有同步发电机同步运行, 防止出现发电机失步运行, 导致机械功率和电磁功率之间不平衡, 所以交流输电能力受到同步发电机间功角稳定问题的限制, 且随着输电距离的增大, 同步机间的联系电抗增大, 稳定问题更加突出, 使得交流输配电能力受到更大限制[7]。相比之下, 如果采用直流线路连接两个交流系统, 由于直流线路没有电抗, 所以不存在上述的稳定性问题, 切换也更加容易, 从而提高了运行的可靠性。
3.4 具有环保优势
(1) 直流线路的“空间电荷效应”使其电晕损坏和无线电干扰都比交流线路小, 产生磁场小, 因而电磁辐射小, 环保优势明显。
(2) 直流输电的两条极性相反的架空线通常采取相临排布, 由于两条电缆电流大小相同, 方向相反, 且相距很近, 因此, 两条电缆对外界产生的磁场几乎可以完全抵消。经测算, 该残余磁场一般小于地磁场的1%, 距离10m时, 不超过0.2m T。交流输电系统中, 由于采用三相制, 因而产生的磁场强度和磁场所影响的范围比传统直流输电线路更大。交流电产生的工频磁场不同于地磁场和直流输电产生的静磁场, 对人身和其他动植物产生的危害都很大。
4 直流配电网建设的前景
4.1 引领家用电器节能化变革
现在的很多家用电器使用直流配电网更能节省能源, 例如变频空调、液晶电视、室内及室外LED照明灯、电动汽车、电动自行车、电脑、手机以及便携式音乐播放器等。下面将详细分析各种常见的家用电器, 从而证明直流配电网的节能性。
(1) 电动器具。
家电中, 使用电机的主要有空调、电冰箱、洗衣机、电风扇、洗碗机等。这些家电中, 风扇和洗碗机之类的电机可以用直流电机代替, 从而能够省去中间的变换环节, 直接使用直流电。而在家电中耗电最大的空调、冰箱和洗衣机, 为了节省电能、提高效率, 目前发展的趋势都是采用变频控制。如前文所述, 变频技术也更适合于直流配电网。
(2) 照明光源和媒体信息设备。
照明光源如节能灯等以及媒体信息设备如电视、电脑、音响、手机充电器等, 他们的工作原理都是把交流电经过整流滤波得到直流电, 属于本身直接使用直流的电器。
(3) 电热器具。
直接采用电流热效应的电热器具, 可以直接改用直流电。交流电的有效值就是根据电流的热效应来定义的, 因此无论是通直流电还是交流电都不影响其发热。而且目前电热器具也在向变频技术方向发展, 例如已经有了变频控制的微波炉商品, 这都适合使用直流配电网。
综上所述, 若使用直流配电网供电, 绝大部分家电都能节省大量的能耗, 必将推动电气设备节能化变革。虽然直流家用电器产品进入市场还需要解决一系列问题, 但是直流家用电器全面取代交流家用电器的进程已经启动, 在不久的将来, 会给家用电器生产行业带来重大和深远的影响, 可以说直流配电网使得直流家用电器时代即将来临!
4.2 促进新型“直流生态住宅”的发展
“直流生态住宅”是指将直流电与住宅能源管理系统集成为住宅供电的系统。这一概念与直流配电网不谋而合, 利用直流配电网可以省去用于稳定供电的直—交变换电源模块和用于将过剩的直流电转换为交流电的双路交-直流转换器, 使“直流生态住宅”技术更加简化, 减少了能耗, 从而促进其快速发展。
将风力发电、光伏发电、微型燃气轮机发电以及燃料电池发出的电能并入直流配电网后, 把直流电供给每一个家庭的住宅电源管理单元, 拟定4 8 V作为电视机、LED照明灯具、室内通风装置等小功率电器供电电压, 而350V则作为电冰箱、空调、洗衣机、电磁炉等大功率电器的供电电压, 对于必须使用交流电的家电, 可以经直-交变换供给220V的交流电。同时对于过剩的电能可以利用大容量的蓄电池等储能装置存储。
“直流生态住宅”还可以把电动汽车、电动自行车等交通工具并入家庭用电单元, 停放在车库内的电动汽车、电动自行车可以利用车库配备室外充电插座为其充电。这样可以极大地促进这类清洁交通工具的普及, 从而降低石油、柴油等化石燃料的直接利用, 因此更加低碳环保。
“直流生态住宅”技术除了在未来的节能家庭中有广泛的应用前景之外, 还能够用于工厂、学校、商业建筑等系统的供电, 可以说在不久的将来, “直流生态住宅”技术必将在得到大范围应用。据统计, 若使用直流家用电器, 仅电能转换过程中的能耗减少就能达到10%~20%, 其节能效益十分可观。
当今世界能源危机凸显, 能源战略成为21世纪各国关注的焦点, “直流生态住宅”这一概念的提出从“开源”与“节流”两个方面吻合了节能这一趋势。既尽可能发挥住宅的产能效益又大大缩减了能源的消耗。
摘要：近年来, 传统交流配电网损耗大、结构复杂的局限性日益凸显, 加剧了当今社会的能源危机。直流配电网就能很好地解决这些问题, 它能够节省输电线和换流器件的损耗, 促进低碳直流家电和“直流生态住宅”的发展。在国家对节能减排和能源综合利用的需要增长的今天, 直流配电网以其强大的节能优势拥有广阔的应用前景, 必将缓解当前的能源危机, 对我们的生活产生巨大的影响。
关键词：直流配电网,节能减排,直流家电,直流生态住宅朗读
参考文献
[1] 陈珩.电力系统稳态分析[M].北京:中国电力出版社, 1995.
[2] 林立功, 牟聿强, 高永乐, 等.低压直流配电技术分析及存在的问题[J].电工电气, 2010, 3:33～37.
[3] Pasi Salonen, Tero Kaipia, PasiNuutinenetal.An LVDC DistributionSystem Concept[J].Nordic Workshopon Power and Industrial Electronics, 2008 (6) .
[4] Pasi Nuutinen, Pasi Salonen, PasiPeltoniemietal.Customer-End Inverterin an LVDC Distribution Network[J].Nordic Workshop on Power and In-dustrial Electronics, 2008 (6) .
[5] 苏荷.变频空调的工作原理[J].大众用电, 2009, 7.
[6] 刘向阳, 刘杰英.变频技术的普及前景及其技术保证[J].信息技术, 2002, 2:20～23.
[7] 韩民晓, 文俊, 徐永海.高压直流输电原理与运行[M].北京:机械工程出版社, 2008:51～53.