直流配电网

直流配电网直流配电网技术特点

交流配电系统面临着线路损耗大、电压瞬时跌落、电压波动、电网谐波、三相不平衡现象加剧等一系列电能质量问题，迫切需要改变现有的配网结构，从而引入了直流配电网概念。直流配电网具有以下优势 ：

（1）直流配电网的线路损耗小。考虑交流电缆金属护套涡流造成的有功损耗和交流系统的无功损耗，当直流系统线电压为交流系统的2倍时，直流配电网的线损仅为交流网络的15%到50%。虽然交流系统可通过无功补偿等措施来降低线损，但这将大大增加系统的建设成本和复杂性。直流配电网采用的电压源换流器和直流变压器，一般采用基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的脉宽调制(PWM)技术，因此通态损耗和开关损耗较大，所以其电能转换效率略低于交流变压器。但直流配电网的线损远低于交流配电网，且随着电力电子技术与器件的发展，其换流器的通态损耗与开关损耗不断降低，因此直流配电网的总体效率存在很大的上升空间，未来可能超越交流配电网。

（2）直流配电网供电可靠性高。交流配电一般采用三相四线或五线制，而直流配电只有正负两极，两根输电线路即可，线路的可靠性比相同电压等级的交流线路要高。当直流配电系统发生一级故障时，另一级可与大地构成回路，不会影响整个系统的功率传输。当发生常见的单相或单极瞬时接地故障时，直流系统比交流系统响应更快、恢复时间更短，且可通过多次启动或降压运行来消除故障确保系统的正常运行。对于低压直流配电系统，可以采用多母线冗余结构来保证更高的供电可靠性。由于接入了电力电子变换器使得直流配电系统内可以形成独立的保护区域，其故障不会波及到外部系统。此外，相较交流配网而言，直流配网更便于超级电容，蓄电池等储能装置的接入，从而提高其供电可靠性与故障穿越能力。

（3）不涉及相位、频率控制，和无功功率及交流充电电流等问题。交流系统运行时需要控制电压幅值、频率和相位，而直流系统则只需要控制电压幅值，不用涉及频率稳定性问题，没有因无功功率引起的网络损耗，也没有因集肤效应产生的损耗等问题。此外，配电网采用电缆线路己经成为趋势。但电缆沿线电容大，因此，传送交流电时会产生很大的电容充电电流，既降低了线路输电容量，也增加了线路损耗。而采用直流供电，上述问题都可以避免。

（4）直流配电网便于分布式电源、储能装置等接入。未来的配电网应能够兼容风能、太阳能等大规模的分布式电源并网。光伏电池等发出的是一种随机波动的直流电，需要DC/DC, DC/AC换流器，并配置适当的储能装置和复杂的控制系统等才能实现交流并网;风电等则是一种随机波动的交流电，同样需要AC/DC/AC换流器，并配置适当的储能装置和复杂的控制系统才能实现交流并网;各种储能装置，如蓄电池、超级电容器、作为分布式储能单元的电动汽车充电站等，本身就是以直流电形式工作，需要双向DC/AC接入交流电网。而在直流配电网情况下，实现分布式电源并网发电及储能等接口设备与控制技术要相对简单得多。

（5）具有环保优势。直流线路的“空间电荷效应”使电晕损耗和无线电干扰都比交流线路小，产生的电磁辐射也小，具有环保优势。直流输电的两条极性相反的架空线通常相临排布，两条电缆电流的大小相同，方向相反，且相距很近，所以，其对外界产生的磁场可以等效为0，相互抵消。而交流输电系统采用三相制，所以，其产生的磁场强度和磁场范围比直流输电线路大很多，且对人体和其他动植物产生的危害较直流更大。

直流配电网DC较AC配电系统的结构优势

如今，用户侧越来越多的负荷，如计算机、通信和家用电器等设备的内部供电都是基于直流电压。而目前的配电网系统的用户侧接入电压是通过变压器降压得到的交流电压，因此，用户侧设备的电源一般都需要在输入侧引入单相整流器(AC/DC)来把配电变压器的交流电压整流成直流电压，然后再经过直流斩波器(DC/DC)变换成所需要的直流电压为负载供电。将目前交流配电系统与经交流配电系统改造后的直流配电系统进行了对比分析如图1、图2所示。

通过将原来的交流配电系统改造为直流配电系统具有以下优势 ：

（1）使得电力电子通信设备、照明负荷等直流用电设备直接或通过一级DC/DC就可接入直流母线，省去了AC/DC环节。

（2）如果选定合适的直流母线电压等级，光伏电池等直流分布式电源就可直接接入母线，而不必通过大量复杂的DC/AC逆变等装置。而对于风力发电等交流分布式电源则也只需一级较为简单的整流环节，再通过DC/DC转换成给定的直流电压即可。

（3）可在直流母线处引入大容量的蓄电池组和超级电容器作为系统备用，一方面可作为电动汽车的动力电池，另一方面也可从一定程度上提高配电系统自身的可靠性。而对于传统交流配电系统，蓄电池组备用电源需要逆变装置才能并网，无疑增加了成本、降低了效率。

通过比较这两种不同形式的配电系统，很容易发现直流配电系统省去了大量分散的整流器(AC/DC)和并网逆变器(DC/AC)，简化了配网结构，提高了系统效率和可靠性，并大大降低了成本。使得以太阳能和风机为代表的可再生能源并网变得更便捷和经济，并为今后LED照明和电动汽车的发展奠定了良好的基础。

通过对直流配电网国内外研究现状及技术特点的了解，可知直流配电网比交流配电网有更好的性能，不仅可提高供电可靠性，减小线路损耗，且不涉及相位、频率控制和无功功率等问题，同时也为分布式电源的接入提供了良好的条件。分布式电源的普及为直流配电网的发展奠定了坚实的基础，其根本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。DG一般与当地配电网络并网运行，如35kV,IOkV和380/220V，对直流配电网的拓扑结构、电压等级等有着多方面影响，因此对分布式电源的特性及其并入直流配电网的方式进行了阐述分析。

较为常见的分布式电源主要有光伏电池、燃料电池、风力机和燃气轮机等，这些分布式电源都采用非常环保清洁的发电方式，具有很大的发展前景 。

而且这些电源产生的电能均为直流电或经过简单整流后变为直流电。因此，分布式电源并入直流配电网将节省大量的换流环节。图3是一个较为典型兼容分布式电源的直流配电系统。其中包括直流发电的分布式电源：光伏发电、燃料电池和交流发电的分布式电源：风力发电和微型燃气轮机。这些分布式电源通过各自相应的变换器与系统的直流母线相连。直流母线通过双向DC/AC变换器与交流主网进行能量交换，通过双向DC/DC变换器与储能单元进行能量交换，通过DC/AC逆变器给交流负载供电，通过DC/DC变换器给直流负载供电。

近年来高压直流输电技术逐渐成熟，并且己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也较为成熟，直流输电网比交流输电网更加稳定，采用直流模式建设大电网可以从根本上消除交流电网的稳定性问题；因此低压直流配电技术逐渐受到国内外学者的广泛关注。

20世纪70年代世界范围内的能源危机爆发后，环境污染、能源短缺等问题受到了全世界各国的普遍关注，分布式电源凭借着负荷变动灵活、供电可靠性高、输电损失小以及便于可再生能源应用等诸多优势，在国内外受到越来越多的关注。这些分布式电源的发展对直流配电系统的发展起着巨大推动作用。分布式电源的接入使得传统的配电系统由单一的供电形式，扩展出了发电的功能。典型的分布式电源主要有直流发电的光伏电池和交流发电的风机等，光伏发电产生的是直流电，由于其存在波动性，一般要经过DC/DC和DC/AC两级变换器才能并入传统的交流配电网；而风力机虽然是以交流形式产生电能，和光伏电池类似，产生的交流电通常也不稳定，一般需要经过AC/DC和DC/AC两级变换器才能并入交流配电网。倘若这些分布式电源直接接入直流配电网，则可以省略上述的DC/AC逆变环节，不仅减小了成本、还降低了损耗 。

另外，电力电子技术的快速发展使得用户的用电方式发生了较大的变化。一方面，家用旋转电器如：空调、冰箱、洗衣机等都应用了电力电子变频技术，在交流配电网中，这些电器需要经过AC/DC/AC两级变换才能达到变频。而对于直流配电网来说，则只需进行DC/AC转换，从而省略了ACIDC整流环节，降低变换器损耗的同时还减小了成本 。

近年来，高压直流输电技术广泛应用于电力系统中，低压直流配电技术也逐渐受到国内外学者的关注。直流配电网在输送容量、可控性及提高供电质量、减小线路损耗、隔离交直流故障以及可再生能源灵活、便捷接入等方面具有比交流更好的性能，可以有效提高电能质量、减少电力电子换流器的使用、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，充分发挥分布式能源的价值和效益。国外许多国家如:美国、日本、欧洲和韩国等都已经开始了直流配电系统的研究和介绍。

2000年，美国通用电气照明Weizhong Tang和威斯康辛大学麦迪逊分校电子与计算机工程学院的R.H.Lasseter研究了没有中央控制单元的工业低压直流配电系统 。2003年，北卡罗来纳大学就以DC舰船配电系统为例探讨了直流配电应用于工业系统时的机遇和挑战。2007年，美国弗吉尼亚理工大学CPES中心提出了"Sustainable Building Initiative(SBI)”研究计划，主要为未来住宅和楼宇提供电力，随着研究的深入，CPES于2010年将SBI发展为SBN。2011年，美国北卡罗来纳大学提出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management (FREEDM)”系统结构，用于构建未来自动灵活的配电网络。

2004年，日本东京工业大学等机构就提出了基于直流微电网的配电系统构想，并实现了一套10kW直流配电系统样机。2007年，日本大阪大学提出了一种低压双极型结构的直流配电系统，并对其基础特性进行了研究。2010年对适用于居民住宅的直流配电系统损耗进行了评估，并与交流系统做了比较 。

韩国政不少专门成亿了智能微电网研究中心，投资约272万美元计划于2011年3月前建起直流微电网巨网供电系统，研究的重点集中在直流电分配、功率变换器和控制及通信系统三方面。项目由韩国明知大学Byung Moon Han教授负责实施 。

自2009年开始，国内相关单位例如:清华大学，华北电力大学，浙江大学，逐步对直流配电网展开了相关研究。2012年，中国还以深圳供电局为主成立了城市电网先进技术研究中心，计划于2012年至2015年建立柔性直流配电技术实验室，并实施柔性直流配电相关关键技术的研究。各国对直流配网的研究都还处在试验探索阶段，对直流配网的深入研究，尤其是对直流配电网接入电网装置的研究接近空白，研究重点多集中在以直流微电网为核心的低压直流配电网方面。但可以预见的是，直流配电网将以其强大的技术和经济优势而拥有广阔的发展前景 。

直流配电系统的未来趋势应包括中压配电网和用户侧低压配电网的公共配电网络，即中压直流配电系统和低压直流配电系统。其中直流配电网的拓扑结构和电压等级的选择是直流配电网的重要因素。

确定直流配电网的拓扑结构有以下几点需要注意 ：

（1）直流配电系统必须能够与大电网并网运行，所以并网变换器必须具有功率双向流动的特性，以便将DG发出的过剩能量传输给交流电网；

（2）直流配电系统必须能够为负载提供较为稳定的电压；

（3）直流配电系统必须具有较高的安全可靠性。

直流配电网中压直流配电网拓扑结构

与多端直流输电技术相比，直流配电技术更关注直流入户的实现，必然涉及多级直流配电及供电可靠性、电能质量等问题，如中压直流配电网中的部分电能，需经直流变压器等直流降压装置送到低压直流配电网后再供用户使用，因此其系统结构与工程实现相对而言比多端直流输电要复杂得多。其基本的拓扑结构主要有环状、放射状与两端配电3种，如图4~图6所示。

交流电网、分布式电源、储能设备、交直流工业负载等各类电源与负载，根据自身要求经不同类型的适配器接入不同电压等级的直流配电网。各类交、直流电源产生的电能，分别经VSC和DC/DC换流器转换成一定电压等级的直流电并通过直流配电网输送到各负载端，再经VSC或DC/DC换流器分别转换成交流或直流电为相应的交流或直流负载供电。一般来讲，与交流大电网连接的VSC具备能量双向流动的功能，以便实现直流配电网与交流大电网之间的电能交换与功率平衡;连接储能设备的DC/DC换流器涉及充、放电，同样也是双向型的。通常来说，环状网络及两端配电网络的供电可靠性相对较高，但故障识别及保护控制配合等也相对困难，放射状网络供电可靠性相对较低，但故障识别及保护控制配合等相对容易。选定直流配电网络拓扑结构需要综合考虑直流配电网供电可靠性、供电范围牌离)及投资等实际工程需要。一般情况下，网状结构主要用于直流输电，而树状结构主要用于直流配电。

直流配电网低压直流配电网拓扑结构

（1）按上层传输方式分类

低压直流配电网即用户侧直流配电网。按上层传输方式分类，配电网的拓扑结构可分为两类。如图7所示，交流传输、直流传输的DC配电系统结构。

由于目前各国对直流配电网的研究都还处在试验探索阶段，对直流配电网的深入研究，尤其是对直流配电网接入电网装置的研究及其关键设备的研制目前接近空白，因此，现在大部分的研究都集中在如图7中（a）所示的上层为交流传输的低压直流配电系统；图7中（b）所示的直流配电系统将是未来的发展方向。

（2）按交流负荷供电方式分类

按交流负荷供电方式分类可分为两种：集中型供电模式和模块式的辐射型供电模式。集中式低压直流配电系统参见图8中（a），两个交流系统靠一条直流线路相连。用户与直流系统相连，多个用户从一个变流器取电。辐射型参见右图8中（b）。用户不直接与直流系统相连，每一个用户对应一个变流器。

1）集中式供电模式是类似于高压直流输电的直流配电系统。多个用户从一个变流器取电，此种拓扑结构简单，变流器效率高，但其扩展和冗余能力较差，不适宜分布式电源的接入，且变流器容量大、负担重、可靠性也会降低。适用于电源和负荷均比较集中的情况。

2）模块式直流配电系统。用户间接与直流系统相连，每个用户作为一个单独模块各自对应一个变流器，此种拓扑结构扩展能力和冗余能力都很强，但变流器效率低。适用于电源和负荷均比较分散的情况。

直流配电系统有利于分布式电源并网和直流负荷用电，通常分布式电源由于地理环境因素，安装会比较分散;低压直流配电网的直流用户可直接通过变换器从直流母线上取电，故用户也可比较分散;为了兼容更多的分布式电源和负荷接入系统，就必须充分考虑到系统的扩展性，因此，直流配电系统适合采用辐射型网络结构。

直流配电网结语

近年来高压直流输电技术逐渐成熟，并且己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也较为成熟，采用直流模式建设大电网可以从根本上消除交流电网的稳定性问题。因此，低压直流配电技术逐渐受到国内外学者的广泛关注。以风能、太阳能等为代表的分布式发电技术作为综合利用现有的可再生能源的理想方式，日益受到电力行业和研究学者的关注，并已经在世界范围内得到了广泛的应用。随着DG技术的日益成熟，越来越多的分散在用电负荷附近的分布式电源接入配电系统，但是风力发电、太阳能发电都是间歇性电源，发出的功率是随风速、光照等外界因素变化的，因此存在稳定性和效率低等先天性的缺陷。如果考虑将其接入交流配电系统，又将因分布发电与现存交流配电网在基本特性上的差异可能会加剧这种不稳定性。基于电力电子变换器的直流配电结构研究日益广泛，通过将分布式电源接入直流结构的配电系统中，并配合混合储能装置，来提高系统的可靠性和电能质量。

直流配电网展望

根据国外研究可知，直流配电网在供电容量、线路损耗、电能质量、无功补偿以及适于范围等方面都明显优于交流配电网。因此将具有低投入、低损耗、高可靠性的分布式电源接入直流配电网中势必会成为了电力领域的一个重要的发展方向。但是，大量分布式电源的渗入同时也给直流配电网的规划和运行带来了很多的不确定性因素。因此，对于含分布式电源的直流电网的储能系统规划问题有待进一步的分析与研究，以尽量减小分布式电源对配电网带来的负面影响。对于含分布式电源的直流配电网未来的研究方向，阐述如下：

（1）关于直流配电网的研究还仅仅处于定性阶段，仅仅从证明了此概念在某些方面对于交流配电网具有一定的优越性。但其优越性究竟如何，相比目前的配电系统到底有多大的优势，对连接的交流电网的影响到底有多大，都需要迫切的解决。

（2）对于以太阳能、风能等作为一次能源的分布式发电技术，其输出的有功功率不同于传统发电厂，会随着温度、光照、风速等自然条件的变化而产生明显的波动，且无法对其进行有效的调节。因此，为了建立相应的模型，有必要对着类分布式能源随气象变化的规律和统计特性加以研究。

（3）所提到的直流配电系统，只是针对风力发电一种情况进行分析和仿真，没有考虑其他发电方式的功率补偿方案，该方面有待进一步的研究。

随着电力电子技术的发展和应用，近年来，柔性交直流配电网研究与示范方兴未艾。本专著在柔性变电站的研究与工程应用的基础上，提出基于柔性变电站的交直流配电网成套设计研究，对于推动基于柔性变电站的交直流配电网设计技术及设计流程的标准化有重要意义。

本专著共分 11 章，分别为概述、成套设计输入条件分析、直流电压等级选择、电气主接线及接地型式选择研究、潮流计算分析、暂态电流分析、过电压与绝缘配合、一次关键设备设计与运行特性、控制保护系统、自动化与监控系统研究和系统功能检测，为基于柔性变电站的交直流配电网成套设计提供理论和方法指导。

本指导性技术文件规定了直流配电网控制保护设备的工厂试验、出厂试验与现场试验等的内容与要求。

本指导性技术文件适用于直流配电网控制保护设备的试验系统搭建、试验项目制定与试验验收等工作。