芬兰交直流配电网规划与建设实例 张祖平,范明天 (中国电力科学研究院,北京100192) 摘要:介绍了芬兰Elenia Oy公司在农村地区将低压直流配电技术用于替代老旧中压分支线路的应用案例。 基于原有的20kV中压交流系统及用户侧的0.4kV低压交流系统,采用低压直流配电技术,构建了可用于芬 兰公共中低压配电网的交直流配电系统。文章以电压降和电缆的最大负荷为边界条件,给出低压直流电缆 选型建议及低压直流系统的功率传输容量限值,构建了单极对点低压直流配电送电模式。通过对芬兰Elenia Oy公司整个配电网的统计分析表明,农村中压配电网的老旧分支线路可以采用更经济的低压直流配电线路 来替代。可以期待低压直流配电技术在芬兰Elenia Oy公司的中低压配电网改造中将发挥良好的作用。 关键词:交直流;低压直流配电;中压主干线;短分支线 0引言 配电网的可靠性越来越成为一个十分重要的话题, 由于芬兰新出台法案的需求,芬兰的农村配电网也急需 进行一些重要的变革。低压直流(LVDC)配电在某些 投资将主要集中在芬兰农村地区中压配电网的主干线路 上,这是因为这些中压主干线路的供电安全性对用户停 电时间产生的影响最大。对中压主干线的改造主要采取 铺设地下电缆的方式,而对于原有的大部分长度较短的 中压分支线路,由于其大多数都已达到机械寿命,因此 特定场合是一个可以选择的配电方式。它的优点主要在 于电压等级低、节约成本,适合负荷密度较低地区的需 要,且分布式电源及储能设备也更易于接人,同时具有 更好的供电可靠性和更高的电能质量。现有的研究表明 对于这部分中压短分支线路的改造需要进行论证。 芬兰80%的电力供应中断都是由20kV中压配电网 故障引起的。由于客户分散、负荷密度低,在农村地区 通常要建设中压分支线路来为单独(或若干)配电变压 低压直流配电技术在芬兰农村配电网中可以有一定的应 器供电。这些中压分支线路发生的故障有时会导致整条 用前景。 中压馈线供电中断。芬兰的农村中压配电网通常设在森 2013年6月,芬兰通过了新的电力市场运行法案, 林中,其大部分是在1950~1970年间建设的,寿命已达 该法案对电力系统可靠性以及由于停电对用电客户的赔 4O~50年,因此在不久的将来需要重建。重建工作的结 偿都提出了更高的要求。这些法案正在逐步生效,在未 果必须能够适应未来40 ̄60年的发展需要,而且还需要 来不迟于15年的时间内,芬兰Elenia Oy公司配电系统调 尽可能的具有成本效益。 度中心(DS0)必须达到发生严重自然灾害时,“在城 低压直流配电网是重建这些中压短分支线路的解 市规划地区停电不允许超过6h,在其他地区不允许超过 决方案之一。它的主要优点在于低压直流线路在节约成 36h”的要求,这类停电主要是指由风暴或大雪引起的 本方面的潜力很大,并且还能提升整个配电网的可靠性 停电。在过去的几年中,芬兰也发生过一些由自然灾害 和供电质量。同时它还可方便地为分布式发电以及储能 引起的电网停电故障,其中最严重的甚至造成了一些用 提供接入点,使配电网能够更加朝着智能配电网的方向 户长达几周的停电。因此,为了满足新法案对供电可靠 发展。此外,因为低压直流系统具有隔离作用,用户端 性的更高要求,需要对配电网,尤其是芬兰的农村地区 造成的电流畸变以及无功电流也不会在中压配电网中传 配电网进行大范围地改造。 播。因此,低压直流配电可以降低交流中压配电网在电 在未来15年中,考虑到新法案的具体要求,改革的 能质量方面的压力。38 l 供用电2。15 1。 DISTRIBUTlON&UTIUZAT10N 特别策划 I.z.I 一=肖 0 U ∽ 迄今为止,低压直流配电唯一被认为足够成熟的 15年内,将电缆铺设率提高到70%。在这段时间之后, 应用领域为数据中心和电信供电系统。在这些应用中, 芬兰Elenia Oy公司将会有7 000km左右的农村中压电网 直流电源不仅用来为服务器和其他这样的信息通信技 分支线路等待重建。 术设备提供电力,而且也用于照明、空调和电动车辆 1.2更新配电网络的主要驱动力 (EV)的充电。在其他应用环境,如家庭、工业和 芬兰Elenia Oy公司更新配电网络的主要驱动力, LVDC公共配电系统,实用公共直流电网目前还没有相 就在于试图采用经济的方案对老旧中压配电网的分支 应的标准。 线路进行改造,并提高配电网的整体供电可靠性和电 芬兰Elenia Oy公司配电系统调度中心(DSO)和 能质量。 ABB电气传动系统部于2014年3月合作开发了此低压直 流配电系统。 采用低压直流配电技术是芬兰Elenia Oy公司朝着智 能配电网发展的一个重要尝试,并能为该公司未来配电 芬兰Elenia Oy公司利用低压直流配电线路替代中 网的发展带来新的机遇。低压直流配电技术的优点在于 压短分支线路进行试点运行的目的,主要是获取低压直 电压等级低、节省建设成本,且功率传输容量可以满足 流线路运行和维护的长期实践经验,同时通过试验运行 芬兰农村地区负荷密度低的要求、以及具有更好的供电 明确低压直流配电系统在寿命周期内的费用情况。到目 可靠性和电能质量。而且,它为分布式发电以及储能提 前为止,已运行的低压直流配电线路还没有出现任何故 供了更方便的接入点。 障,未来的运行情况也十分乐观。 通过估算低压直流配电线路在寿命周期内的费用, 并与传统中压分支线路比较,作为中压分支线路的替代 低压直流配电是一项全新的技术,现今的换流器运 行时间最长的也仅仅只有15~20年,这只是配电网其他 一次设备平均寿命的1/2。但是,电力电子技术是不断 法案,低压直流配电是一个更经济的解决方案。但由于 发展的,未来电力电子设备的寿命还会延长,结构也会 缺少低压直流设备在配电网中运行的长期经验,对低压 更加模块化,局部适应性也会更加灵活。 直流配电系统寿命周期费用的估算还存在一定的不确定 1.3芬兰农村地区中压配电网的典型结构与负荷特性 性。在过去的20年中,构成直流换流器的电力电子设备 芬兰农村地区的负荷具有供电距离长,负荷分散, enia Oy公司农村地区 的费用正以每年5%左右的幅度降低,然而传统交流配 单一负荷小的特点。因此,芬兰El电设备的费用却大幅增加。低压直流配电凭借其节约成 中压配电网馈线的典型结构,一股为鱼骨放射型(中压 本的巨大潜力,可为未来芬兰大范围的农村配电网中压 主干线亦可与对侧中压馈线互联构成环网结构,开环运 分支线路的重建工作提供合适的替代方案。 行),即在中压主干线上分出许多短分支线,通常负荷 (配电变压器)接在短分支线的末端,见图1。 l应用区域分析 1.1芬兰Elenia Oy公司的现状及展望 分支线 芬兰Elenia Oy公司是芬兰第二大配电网公司,拥有 将近41万客户,覆盖了5万km 的地区,市场份额约占芬 兰全国的12%,中低压配电网的线路总长度超过了6.5万 km,其中,中压配电线路的总长度约2.2万km,低压线 中 压 母 线 主干线 路的总长度约4.3万km。公司的配电网主要向人烟较稀 少的地方供电,所以农村地区电网的配电技术发展极为 图1 芬 ̄-Elenia 0y公司中压配电网馈线的典型结构 Fig.1 Typical structure of feeder lines in medium voltage distribution network of Elenia Oy 重要。芬兰Elenia Oy公司决定通过铺设电缆来建设一个 新网络,现在该公司中压电压等级(MV)电网的电缆 铺设率已经达到了19%,低压电压等级(LV)则达到了 芬兰Elenia Oy公司对其当前运行的整个中压配电网 39%,总体的电缆铺设率为32%。该公司已决定在未来 进行了统计分析。统计分析仅局限于分支线路末端接单 DISTR旧UT JON&UTILIZATl0N 供用电2。15・1。 1 39 特剔策划 U 3交直流配电网典型案例 3.1典型结构 芬兰Elenia Oy公司设计的交直流配电网典型结构 见图3。该典型结构从中压交流20kV线路上引出中压 交流20kV分支线,先通过20/0.63kV配电变压器降压到 低压交流0.63kV,并经过整流换流器升压到低压直流 900V,然后通过低压直流900V配电线路输送给用户, 到用户处再经过逆变换流器变成低压交流600V,再通 过600/400V{ ̄压隔离变压器输出低压交流400V为终端 用户供电。 通过论证及实验运行,表明采用低压直流配电网络替代 芬兰农村地区负荷较低的中压短分支线路的方案是可行 的。本文介绍了芬兰Elenia Oy公司与ABB电气传动系统 部合作开发的单级点对点四线接地电缆的低压配电系统 结构,并根据芬兰Elenia Oy公司配电网的实际情况,给 出了可满足实际送电距离和配电变压器配置的低压直流 电缆的选型建议。 目前,可用于公共配电网络的低压直流系统的研 究已经开始起步,全球也已开展相关系统的研发。制 定相关标准进行规范是非常重要的问题。但目前可用于 公共配电网络的低压直流系统还没有制定相关的标准, 而系统的标准化要求从不同的应用和案例系统获得可行 ▲ 的实践经验,根据国际标准化组织IEC策略组4(SG4. ▲ 需求和实践经验的可用性。然而,由于公共低压直流系 统的应用刚刚起步,当低压直流系统大规模应用以后还 图3 交直流配电线路的典型结构(形成低压直流LVDC ̄ 不清楚将会发生什么,一个大的直流系统的不同部分之 电系统) 间的不兼容性也有可能导致较差的能量效率,以及全寿 Fig.3 Typical structure ofAC/DC distribution lines(create LVDC LVDC)的建议,低压直流系统的标准化应该基于市场 distribution system) 命周期成本的增加。由此可见,对多功能应用以及实际 用例之间的互联关系的全面了解是必须的。众所周知, 3.2实际结构示例 全局最优不是局部最优的简单叠加。相当大的风险在于 芬兰Elenia Oy公司规划的交直流配电线路的典型实 根据实际应用或实用实例制定的标准化,有可能对其他 际结构见图4。 应用的优势和发展产生不可预期的影响。因此,对于公 共低压直流配电技术来说,既要抓紧制定相关标准,也 有必要根据实际情况适时修订,以满足低压直流配电技 术健康发展的需要。lJ =I 0 一≈一00 CI 回四 参考文献 [1]TomiHAKALA,TommiLAHDEAHO, oKOMSI.LVDC 图4交直流配电线路的实际案例结构 Fig.4 Structure of practical case ofAC/DC distribution lines PIL0T 肛'LE^伍NTA:n0N IN PUBU DISTRIBUT10N NETWORK[C]//23rd International Conference on Electricity,June 15-18,2015,Lyon,France. 4结语 芬兰Elenia Oy公司根据所运行配电网的实际情况, DISTRlBUT1ON&UTILIZAT10N [2]Andrey LANA,Pasi NUUTINEN,Tero KAIPIA, et a1.PR0SPECTS 0F DEVEL0PMENT 0F LVDC 供用电2。15-1。 I 41 0 0 ∽ ELECTRICITY DISTRIBUT10N SYSTEM ENERGY LAHDEAH0.THE UTILIZAT10N POTENTIAL EFFICIENCY[C]//23rd International Conference on Electricity,June 15.18,2015,Lyon,France. 0F LVDC DISTRIBUTION[C]//22nd International Conference on Electricity Distribution,June l0.13, [3]Pasi NI兀mNEN,Andrey LANA,Tero KAIPIA,et a1. IMPLEMENTING A BATTERY ENERGY ST0RAGE SYSTEM WITH A CONVERTERLES S DIRECT 2013,Stockholm,Sweden. [5]Tero KAIPIA,Janne KARPPANEN,Juha L0HJALA, et a1.A SYSTEM ENGINEERING APPR0ACH C0NNECT10N T0 AN LVDC DISTRIBUT10N T0 LOw VOLTAGE DC DISTRIBUTION[C]//22nd Intemational Conference on Electricity Distribution,June 10一l3,2013,Stockholm,Sweden. NETWORK[C]//23rd Internationa1 Confe:fence on Electriciy,June 15.18,2015,Lyon,France.t 『4]Tomi HAKALA,Pertti JARVEN1’AUSTA,Tommi 收稿日期:2015 07.28 作者简介: 张祖平(1950一),男,硕士,教授,研究领域为电力 范明天(1954一),女,博士,教授,研究领域为城市 系统规划运行分析、电力系统分析数学模型及计算方法、特高 电网规划、城市电网应急管理、配电自动化规划、优化计算方 压大电网关键技术、城市电网规划方法等。 法等。 A Case Study of AC/DC Power Distribution Network Planning and Construction in Finland ZHANG Zuping,FAN Mingtian (China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China) Abstract:This paper introduces application cases of LVDC power distribution technology which is used to replace the old medium voltage branch line by the Elenia Oy,a Finnish company,in rural areas.Based on the original 20 kV MVAC system and the 0.4 kV low voltage ac system in demand side,LVDC power distribution technology can be used to build a common AC/DC power distribution system in Finland medium—low voltage distribution network. In this paper,the maximum load voltage drop and cable are taken as the boundary conditions,the low voltage DC cable selection advices and the power transmission capacity limit of the low voltage DC system are given,creating the unipolar point—to—point type LVDC power deliver mode.Statistical analysis of the whole distribution network by Elenia Oy shows that the rural old branch of medium voltage distribution network line can be replaced by more economical low voltage DC power distribution line.It is expected that the low voltage DC power distribution technology would play a important role in low voltage distribution network reconstruction of Elenia Oy. Key words:AC/DC:LVDC power distribution:MV trunk line;short branch line 42 l 供用电2。15’1。 DISTRIBUT『0N&UTIUZAT10N