配電網(wǎng)的可靠性越來越成為一個十分重要的話題，由于芬蘭新出臺法案的需求，芬蘭的農(nóng)村配電網(wǎng)也急需進行一些重要的變革。低壓直流(LVDC)配電在某些特定場合是一個可以選擇的配電方式。它的優(yōu)點主要在于電壓等級低、節(jié)約成本，適合負荷密度較低地區(qū)的需要，且分布式電源及儲能設備也更易于接入，同時具有更好的供電可靠性和更高的電能質(zhì)量?，F(xiàn)有的研究表明低壓直流配電技術(shù)在芬蘭農(nóng)村配電網(wǎng)中可以有一定的應用前景。
2013年6月，芬蘭通過了新的電力市場運行法案，該法案對電力系統(tǒng)可靠性以及由于停電對用電客戶的賠償都提出了更高的要求。這些法案正在逐步生效，在未來不遲于15年的時間內(nèi)，芬蘭Elenia Oy公司配電系統(tǒng)調(diào)度中心(DSO)必須達到發(fā)生嚴重自然災害時，“在城市規(guī)劃地區(qū)停電不允許超過6h，在其他地區(qū)不允許超過36h”的要求，這類停電主要是指由風暴或大雪引起的停電。在過去的幾年中，芬蘭也發(fā)生過一些由自然災害引起的電網(wǎng)停電故障，其中最嚴重的甚至造成了一些用戶長達幾周的停電。因此，為了滿足新法案對供電可靠性的更高要求，需要對配電網(wǎng)，尤其是芬蘭的農(nóng)村地區(qū)配電網(wǎng)進行大范圍地改造。
在未來15年中，考慮到新法案的具體要求，改革的投資將主要集中在芬蘭農(nóng)村地區(qū)中壓配電網(wǎng)的主干線路上，這是因為這些中壓主干線路的供電安全性對用戶停電時間產(chǎn)生的影響最大。對中壓主干線的改造主要采取鋪設地下電纜的方式，而對于原有的大部分長度較短的中壓分支線路，由于其大多數(shù)都已達到機械壽命，因此對于這部分中壓短分支線路的改造需要進行論證。
芬蘭80%的電力供應中斷都是由20kV中壓配電網(wǎng)故障引起的。由于客戶分散、負荷密度低，在農(nóng)村地區(qū)通常要建設中壓分支線路來為單獨(或若干)配電變壓器供電。這些中壓分支線路發(fā)生的故障有時會導致整條中壓饋線供電中斷。芬蘭的農(nóng)村中壓配電網(wǎng)通常設在森林中，其大部分是在1950～1970年間建設的，壽命已達40～50年，因此在不久的將來需要重建。重建工作的結(jié)果必須能夠適應未來40～60年的發(fā)展需要，而且還需要盡可能的具有成本效益。
低壓直流配電網(wǎng)是重建這些中壓短分支線路的解決方案之一。它的主要優(yōu)點在于低壓直流線路在節(jié)約成本方面的潛力很大，并且還能提升整個配電網(wǎng)的可靠性和供電質(zhì)量。同時它還可方便地為分布式發(fā)電以及儲能提供接入點，使配電網(wǎng)能夠更加朝著智能配電網(wǎng)的方向發(fā)展。此外，因為低壓直流系統(tǒng)具有隔離作用，用戶端造成的電流畸變以及無功電流也不會在中壓配電網(wǎng)中傳播。因此，低壓直流配電可以降低交流中壓配電網(wǎng)在電能質(zhì)量方面的壓力。
迄今為止，低壓直流配電唯一被認為足夠成熟的應用領域為數(shù)據(jù)中心和電信供電系統(tǒng)。在這些應用中，直流電源不僅用來為服務器和其他這樣的信息通信技術(shù)設備提供電力，而且也用于照明、空調(diào)和電動車輛(EV)的充電。在其他應用環(huán)境，如家庭、工業(yè)和LVDC公共配電系統(tǒng)，實用公共直流電網(wǎng)目前還沒有相應的標準。
芬蘭Elenia Oy公司配電系統(tǒng)調(diào)度中心(DSO)和ABB電氣傳動系統(tǒng)部于2014年3月合作開發(fā)了此低壓直流配電系統(tǒng)。
芬蘭Elenia Oy公司利用低壓直流配電線路替代中壓短分支線路進行試點運行的目的，主要是獲取低壓直流線路運行和維護的長期實踐經(jīng)驗，同時通過試驗運行明確低壓直流配電系統(tǒng)在壽命周期內(nèi)的費用情況。到目前為止，已運行的低壓直流配電線路還沒有出現(xiàn)任何故障，未來的運行情況也十分樂觀。
通過估算低壓直流配電線路在壽命周期內(nèi)的費用，并與傳統(tǒng)中壓分支線路比較，作為中壓分支線路的替代法案，低壓直流配電是一個更經(jīng)濟的解決方案。但由于缺少低壓直流設備在配電網(wǎng)中運行的長期經(jīng)驗，對低壓直流配電系統(tǒng)壽命周期費用的估算還存在一定的不確定性。在過去的20年中，構(gòu)成直流換流器的電力電子設備的費用正以每年5%左右的幅度降低，然而傳統(tǒng)交流配電設備的費用卻大幅增加。低壓直流配電憑借其節(jié)約成本的巨大潛力，可為未來芬蘭大范圍的農(nóng)村配電網(wǎng)中壓分支線路的重建工作提供合適的替代方案。
1應用區(qū)域分析
1.1芬蘭Elenia Oy公司的現(xiàn)狀及展望
芬蘭Elenia Oy公司是芬蘭第二大配電網(wǎng)公司，擁有將近41萬客戶，覆蓋了5萬km2的地區(qū)，市場份額約占芬蘭全國的12%，中低壓配電網(wǎng)的線路總長度超過了6.5萬km，其中，中壓配電線路的總長度約2.2萬km，低壓線路的總長度約4.3萬km。公司的配電網(wǎng)主要向人煙較稀少的地方供電，所以農(nóng)村地區(qū)電網(wǎng)的配電技術(shù)發(fā)展極為重要。芬蘭Elenia Oy公司決定通過鋪設電纜來建設一個新網(wǎng)絡，現(xiàn)在該公司中壓電壓等級(MV)電網(wǎng)的電纜鋪設率已經(jīng)達到了19%，低壓電壓等級(LV)則達到了39%，總體的電纜鋪設率為32%。該公司已決定在未來15年內(nèi)，將電纜鋪設率提高到70%。在這段時間之后，芬蘭Elenia Oy公司將會有7 000km左右的農(nóng)村中壓電網(wǎng)分支線路等待重建。
1.2更新配電網(wǎng)絡的主要驅(qū)動力芬蘭Elenia Oy公司更新配電網(wǎng)絡的主要驅(qū)動力，就在于試圖采用經(jīng)濟的方案對老舊中壓配電網(wǎng)的分支線路進行改造，并提高配電網(wǎng)的整體供電可靠性和電能質(zhì)量。
低壓直流配電是一項全新的技術(shù)，現(xiàn)今的換流器運行時間最長的也僅僅只有15～20年，這只是配電網(wǎng)其他一次設備平均壽命的1/2。但是，電力電子技術(shù)是不斷發(fā)展的，未來電力電子設備的壽命還會延長，結(jié)構(gòu)也會更加模塊化，局部適應性也會更加靈活。
1.3芬蘭農(nóng)村地區(qū)中壓配電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)與負荷特性
芬蘭農(nóng)村地區(qū)的負荷具有供電距離長，負荷分散，單一負荷小的特點。因此，芬蘭Elenia Oy公司農(nóng)村地區(qū)中壓配電網(wǎng)饋線的典型結(jié)構(gòu)，一般為魚骨放射型(中壓主干線亦可與對側(cè)中壓饋線互聯(lián)構(gòu)成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，開環(huán)運行)，即在中壓主干線上分出許多短分支線，通常負荷(配電變壓器)接在短分支線的末端，見圖1。
芬蘭Elenia Oy公司對其當前運行的整個中壓配電網(wǎng)進行了統(tǒng)計分析。統(tǒng)計分析僅局限于分支線路末端接單一配電變壓器或多配電變壓器的情況(低壓直流配電技術(shù)也主要被應用于此類情況)。統(tǒng)計分析中不包含長度少于100m的分支線路。統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。
根據(jù)表1，符合要求的分支線路的總長度約占芬蘭Elenia Oy公司整個中壓配電線路總長度的22%，分支線的平均長度只有579m，且?guī)缀跞糠种Ь€均為架空線路，配電變壓器的平均容量只有88kVA。
2低壓直流運行電壓與線路選型
2.1低壓直流運行電壓選擇
芬蘭Elenia Oy公司交流配電網(wǎng)的中低壓電壓等級分別是中壓交流20kV和低壓交流400V，其中低壓交流400V是終端用戶當前用電器的使用電壓。采用低壓直流配電系統(tǒng)為終端用戶供電，可以采用更高的低壓直流電壓等級，這是由于在低壓電纜規(guī)程2006/95/EC中，低壓電纜的最高運行電壓為交流1000V和直流1500 V，當前的交流電纜亦可被用于直流送電。因此，留出一定的安全裕度后，芬蘭Elenia Oy公司采用的低壓配電電壓等級為低壓直流900V。
2.2低壓直流電纜選型
芬蘭Elenia Oy公司的低壓交流網(wǎng)絡采用3種類型的AXMK鋁芯電纜，分別為AX50、AX95和AX150，而這些型號的電纜也適合直流900V采用。低壓直流配電線路的功率傳輸容量可按如下思路考慮，因為單極直流采用兩根導線，所以直流電纜線路的最大電流max是單根導線最大電流I max_wire的2倍。表2給出了不同截面直流電纜的部分參數(shù)。
當直流配電線路的額定電壓n為直流電壓900V時，按相關(guān)逆變器的輸出電壓為交流600、575 V和550 V時，逆變器的電壓降分別為直流26、62V和99 V，也就是逆變器電壓降的百分比為2.9%、6.9%和11%。
圖2給出了功率傳輸容量與直流電纜傳輸距離的關(guān)系(以電壓降限值為6.9%時為例)。因此，曲線表示達到電壓降限值時的功率傳輸容量的極限值，直流電纜傳輸?shù)膶嶋H功率應低于曲線所給出的限值，曲線的線性部分是由于電流已達最大限制電流。從圖中可以看出，AX50型直流電纜可滿足平均配電變壓器容量(88kVA)及平均分支線長度(579m)的要求，而AX95、AX150型直流電纜則可滿足超出平均配電變壓器容量或平均送電距離的負荷需求。
采用同樣的方法將電壓降限值分別設為2.9%和11%進行計算。對于AX95類型的導線，當電壓降為2.9%時，100kW的功率能夠傳輸?shù)淖畲缶嚯x為0.71km;當電壓降限值為6.9%時，傳輸距離增加到1.63km;當電壓降限值為11%時，傳輸距離增加到2.48km，是采用2.9%電壓降時傳輸距離的3.5倍。
3交直流配電網(wǎng)典型案例
3.1典型結(jié)構(gòu)
芬蘭Elenia Oy公司設計的交直流配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)見圖3。該典型結(jié)構(gòu)從中壓交流20kV線路上引出中壓交流20kV分支線，先通過20/0.63kV配電變壓器降壓到低壓交流0.63kV，并經(jīng)過整流換流器升壓到低壓直流900V，然后通過低壓直流900V配電線路輸送給用戶，到用戶處再經(jīng)過逆變換流器變成低壓交流600V，再通過600/400V低壓隔離變壓器輸出低壓交流400V為終端用戶供電。
3.2實際結(jié)構(gòu)示例
芬蘭Elenia Oy公司規(guī)劃的交直流配電線路的典型實際結(jié)構(gòu)見圖4。
4結(jié)語
芬蘭Elenia Oy公司根據(jù)所運行配電網(wǎng)的實際情況，通過論證及實驗運行，表明采用低壓直流配電網(wǎng)絡替代芬蘭農(nóng)村地區(qū)負荷較低的中壓短分支線路的方案是可行的。本文介紹了芬蘭Elenia Oy公司與ABB電氣傳動系統(tǒng)部合作開發(fā)的單級點對點四線接地電纜的低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)芬蘭Elenia Oy公司配電網(wǎng)的實際情況，給出了可滿足實際送電距離和配電變壓器配置的低壓直流電纜的選型建議。
目前，可用于公共配電網(wǎng)絡的低壓直流系統(tǒng)的研究已經(jīng)開始起步，全球也已開展相關(guān)系統(tǒng)的研發(fā)。制定相關(guān)標準進行規(guī)范是非常重要的問題。但目前可用于公共配電網(wǎng)絡的低壓直流系統(tǒng)還沒有制定相關(guān)的標準，而系統(tǒng)的標準化要求從不同的應用和案例系統(tǒng)獲得可行的實踐經(jīng)驗，根據(jù)國際標準化組織IEC策略組4(SG4-LVDC)的建議，低壓直流系統(tǒng)的標準化應該基于市場需求和實踐經(jīng)驗的可用性。
然而，由于公共低壓直流系統(tǒng)的應用剛剛起步，當?shù)蛪褐绷飨到y(tǒng)大規(guī)模應用以后還不清楚將會發(fā)生什么，一個大的直流系統(tǒng)的不同部分之間的不兼容性也有可能導致較差的能量效率，以及全壽命周期成本的增加。由此可見，對多功能應用以及實際用例之間的互聯(lián)關(guān)系的全面了解是必須的。眾所周知，全局最優(yōu)不是局部最優(yōu)的簡單疊加。相當大的風險在于根據(jù)實際應用或?qū)嵱脤嵗贫ǖ臉藴驶?，有可能對其他應用的?yōu)勢和發(fā)展產(chǎn)生不可預期的影響。因此，對于公共低壓直流配電技術(shù)來說，既要抓緊制定相關(guān)標準，也有必要根據(jù)實際情況適時修訂，以滿足低壓直流配電技術(shù)健康發(fā)展的需要。
