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关于直流微电网应用于地下工程的可行性研究

日期:2015-04-15  

国际电力网

2015
04/15
14:49
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关键词: 直流微电网 可行性研究

解放军理工大学国防工程学院的研究人员方建华、王金全等,在2014年在一杂志撰文,通过对比分析交流微网、直流微网以及交直流混合微网的优缺点,指出了直流微网应用于地下工程中的优越性;通过分析不同新能源电源的供电特性结合地下工程的自身特点列举了可用于地下工程的分布式电源;根据直流微网的供电结构提出了集中供电和分布式供电两种供电方式。

分布式电源(DG)能够减少环境污染,且其能够就地消耗电力,减少电能浪费,具有很好的生态效益和经济效益。

在地下工程应用方面,随着军事侦察技术和武器装备的发展,防护指挥工程成为精确制导武器打击的目标,这就对地下工程的内部电站和各防护分区的供电可靠性都提出了新的更高要求,分布式电源能够解决防护工程自备电站的隐蔽和建立适应地下工程防护分区需要的多电源分散供电系统的问题,提高了整个地下工程的战时安全性和生存价值。

分布式电源以微网的形式并入大电网是实现新能源供电的有效途径。目前,国内外研究的微网主要有三种形式:交流微网、直流微网、交直流混合微网。直流系统的控制策略和管理比交流系统简单得多,不需要处理三相平衡问题,也不需要很多辅助补偿装置来提高电能质量,分布式电源能够更容易的以直流的形式并网,在直流微网中一条支路故障不影响其它支路的正常工作。

地下工程时采用分布式电源直流并网的形式供电,既能提高其隐蔽性,又保证了供电系统的安全性和可靠性,从而能够保障作战任务的正常执行,更好地适应现代化信息化战争的需求。

1 地下工程中的分布式电源

目前,地下工程供电系统均采用以市电和自备柴油电站为电源的供电模式,市电进线和自备电源都接入中心配电室,由中心配电室向主体工程各防护分区配电,但这种供电模式伪装难、易暴露、安全性差。因此在地下防护工程中,可以采用新能源发电站取代柴油电站,构成一个没有排烟、不需伪装的高效清洁电站作为整个工程的备用电站。

地下工程由于其特定地理环境和空间大小的限制,并非所有的新能源都可以应用于地下工程中。合理选择新能源的种类对解决地下工程自备电站的隐蔽伪装问题,改善工程内部环境,提高地下工程总体防御能力和战时使用效能有很重要的意义。

PEMFC(质子交换膜燃料电池)是一种清洁无污染的可再生能源,具有能量转换率高、噪音低、模块化结构和比功率高等优点;液流电池作为储能元件,能在常温常压下工作,充放电循环次数及电池寿命长,没有重金属和卤化物等污染物的排放,是一种清洁安全有效的储能电池;超级电容器具有功率密度大、充放电效率高、能量管理简单、环境友好等特点;锂电池具有寿命长、无记忆效应、自放电率低、体积能量比小等优点。

由于地下工程多依山而建,诸如风力发电、太阳能发电等新能源不适合在此使用;核电厂的安全性较差,其选址要求也很高,不宜在已建好的地下工程中使用。

通过分析各种新能源的特点,燃料电池、液流电池、超级电容、锂电池等应用于地下工程中是可行的,风能、太阳能、核能由于其自身不可弥补的缺憾不适合在地下工程中使用。

2 地下工程中的分布式电源的分区设置

地下工程按照不同的防护分区设置电源。在四个防护分区设置分布式电源结构图,地下工程中用电设备分布相对分散。通常每一个防护分区都有其特定功能,包括通风照明、指挥通信、给排水、空调系统等。

每个独立的新能源电站保证这一分区所有用电设施的供电,这种分布式结构简单可行,供电可靠性高,可以减少电缆的长度,因此能够降低线路损耗。

在地下工程中,不论是PEMFC还是液流电池,其存储的能量总是有限的,应用基于新型储氢材料(如金属氢化物、有机液体、碳基材料等)的新型储氢技术,可以提高燃料电池的工作效率和安全性,通过增加储液罐的数量和体积或者提高储液罐的离子浓度来增加液流电池的容量,采用超级电容对供电系统进行能量补偿,可以提高供电系统的稳定性和电能质量。

地下工程毕竟空间大小有限,采用分布式供电系统可以充分利用这些电能。因此按防护分区设置分布式电源结构非常适合地下工程这种特殊的供电体系。

3 地下工程中直流微网供电结构

为新能源供电系统的整体结构,考虑到平战结合,平时用电网中的电通过整流把交流电转换为直流电输送到直流母线上,满足日常维护保养、通风照明等设备的用电,同时可以给液流电池、锂电池、超级电容充电。

战时当大电网瘫痪时,关断大电网与系统的开关,启动燃料电池和液流电池作为系统的主发电机,超级电容、锂电池作为储能元件对电网进行补偿以及对多余能量的存储,燃料电池发出的电需要通过DC/DC进行稳压连接到母线上,储能元件既要充电也要放电,采用双向DC/DC变换器将其连接到母线上。

系统中负载既有直流负载也有交流负载,通过DC/DC变换将母线电压转换为直流负载需要的电压等级,并通过DC/AC将直流电逆变为交流220V电压供给交流负载。

4 地下工程中直流微网供电方式

直流电力系统类型主要分为集中供电方式和分布式供电方式。目前分布式供电方式发展越来越迅速,以其高可靠性正逐步取代集中供电方式,在地下工程中这两种供电方式均可以被采用,下面分析这两种供电方式的具体形式和主要特点。

4.1 集中供电方式

集中供电系统是将包括PEMFC、液流电池、超级电容、锂电池、直流斩波变换器和配电屏等相关的直流电源设备安装在供电室。

这种结构中既有外部电源又有内部备用新能源电站,内外电源一般分列运行,将动力与通信、照明负荷分别接在不同的母线段上供电。分列运行的优点是操作简单,减少了误操作的可能性。

对一级负荷主要采用Ⅲ段和Ⅳ段母线的双电源负荷侧自动切换的供电方式,采用这种双电源自动切换措施,能够较好地保证一级负荷对供电可靠性的要求,对二级负荷采用Ⅲ段和Ⅳ段母线的双电源负荷侧手动切换的供电方式,能够满足二级负荷一定的可靠性要求,当电源容量不足时自动切除三级负荷。

4.2 分布式供电方式

分布式供电方式的运行方式与集中式供电方式大致相同,如图4所示,都采用双电源分列运行、单母线分段接线方式,一级负荷在Ⅰ段母线和Ⅱ段母线的双电源负荷侧实现自动切换,同时备用新能源电源在双电源负荷侧自动切换的供电措施;二级负荷在Ⅰ段母线和Ⅱ段母线的双电源负荷侧实现手动切换,且在备用新能源电源双电源负荷侧手动切换;三级负荷在备用新能源容量充足时手动切换为其提供电能,在系统容量不足时将三级负荷手动切除。

当对负载进行独立供电时,各组负载均拥有独立的电源转换单元和电源控制单元,由于系统的规模相对较小,而且负载情况基本上已给出,对于系统的稳定性设计以及故障的隔离都比较方便,但是在散热处理以及负载的扩充方面存在不足;当对负载集中供电时,同一个电源向不同的负载传输电能,电源不能够灵活地进行扩充,线路上的损耗也比较大,然而在稳定性设计方面却比较简单。

总体来说,分布式供电在可靠性和优化设计方面比集中供电要好,合理地选择电源和布线方案,更有利于提高地下工程供电系统的利用率和安全稳定性。

5 结语

本文通过对比分析交流微网、直流微网以及交直流混合微网的优缺点,指出了直流微网应用于地下工程中的优越性;通过分析不同新能源电源的供电特性结合地下工程的自身特点列举了可用于地下工程的分布式电源,包括燃料电池、液流电池、超级电容、锂电池等;根据直流微网的供电结构提出了集中供电和分布式供电两种供电方式。

当前直流微网尚未投入实际应用,其并网控制技术、接地保护技术以及故障诊断技术等还不够成熟,电能质量和系统稳定性还需继续提高,应用于地下工程也有待于进一步实践和论证。


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