低壓直流供電技術(shù)研究綜述

吳盛軍， 王益鑫， 李 強(qiáng)，費(fèi)駿韜，韓華春， 呂振華

( 1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 江蘇 南京 211103 2. 鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

0 引言

由于直流輸電技術(shù)水平的限制，直流輸配電比交流方式更難實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)今的電力系統(tǒng)仍以交流輸配電為主。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流輸配電面臨的技術(shù)問題得到了逐步解決，直流系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)也已呈現(xiàn)。相比于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)可以顯著提高輸配電運(yùn)行水平，使輸配電更簡(jiǎn)單、高效，并且降低了輸配電成本[1-2]。

在高電壓等級(jí)側(cè)，世界各地已經(jīng)建設(shè)了100多套高壓直流輸電系統(tǒng)，其中長(zhǎng)距離輸電和近海輸電工程占很大比例。高壓直流輸電系統(tǒng)具有更高的效率、更低的成本和更好的環(huán)境適應(yīng)性。高壓直流輸電線路一般比同等容量的高壓交流線路更細(xì)，且高壓直流允許通過地下電纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，減少了對(duì)環(huán)境的影響。

在低電壓等級(jí)側(cè)，直流配電為現(xiàn)代電力系統(tǒng)提供了一種提高用電效率、電能質(zhì)量和可靠性的可行解決方案。目前直流配電的優(yōu)勢(shì)已在一些獨(dú)立的電力系統(tǒng)中體現(xiàn)，如通信基站、數(shù)據(jù)中心、航空航天和海洋供電等系統(tǒng)，對(duì)這些獨(dú)立電力系統(tǒng)來說，供電可靠性、用電效率和用電成本尤為重要。

在電力用戶側(cè)，光伏發(fā)電、儲(chǔ)能電池和現(xiàn)代電力電子負(fù)載等直流終端大量接入，使得直流供電系統(tǒng)比交流系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。大部分可再生能源發(fā)電系統(tǒng)為直流電源，如光伏電池和燃料電池。雖然風(fēng)力發(fā)電機(jī)是交流電機(jī)，但其需要經(jīng)過交-直-交變換才能通過交流并網(wǎng)，而通過直流并網(wǎng)可以避免雙變換，使風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)更加方便和高效。電視、LED燈、電話、電腦等現(xiàn)代電力電子負(fù)載內(nèi)部都是直流負(fù)載，未來電動(dòng)汽車的普及將會(huì)增加直流供電需求，促進(jìn)直流供電發(fā)展[3]。

可見，直流供電技術(shù)的發(fā)展，主要受直流技術(shù)優(yōu)勢(shì)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)，以及分布式能源和直流負(fù)荷發(fā)展的外在促進(jìn)。本文首先介紹直流供電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，然后分析直流供電的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備研制情況，最后整理了直流供電的工程研究與應(yīng)用情況。

1 直流供電技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 低壓直流技術(shù)發(fā)展情況

19世紀(jì)80年代，安迪生電力照明公司利用“巨漢號(hào)”直流發(fā)電機(jī)給上千只白熾燈供電，形成了直流供電技術(shù)的雛形。受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平限制，直流供電系統(tǒng)電壓等級(jí)低，供電容量小，輸送距離短，未能廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)中后期，隨著電力電子功率器件的發(fā)展和應(yīng)用，電力負(fù)載呈現(xiàn)多樣性，同時(shí)計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備對(duì)電源的安全和穩(wěn)定性要求不斷提高，極大地推動(dòng)了直流配電技術(shù)的發(fā)展。到20世紀(jì)末，低壓直流配電已成功應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信中心、航空、艦船和城市軌道交通等對(duì)供電質(zhì)量要求較高的領(lǐng)域[4]。

2000年后，能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題凸顯，可再生能源和節(jié)能環(huán)保受到世界各國(guó)的普遍關(guān)注。可再生能源多為直流電源，大部分節(jié)能設(shè)備是直流負(fù)載。直流電源和負(fù)載的增多促進(jìn)了低壓直流配電網(wǎng)的研究和應(yīng)用，美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛開展了相關(guān)研究，提出了各自的直流配電網(wǎng)概念和發(fā)展目標(biāo)。

2010年，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)CPES(Center of Power Electronics Systems)提出SBN(sustainable building and nanogrids)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有DC 380 V和DC 48 V 2個(gè)電壓等級(jí)。美國(guó)北卡羅來納大學(xué)提出了用于接納和管理新能源的FREEDM(the future renewable electric energy delivery and management)交直流混合配電網(wǎng)[5]，英國(guó)、瑞士和意大利等國(guó)學(xué)者提出了類似功能的UNIFLEX-PM(universal and flexible power management)系統(tǒng)[6]。

國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)承擔(dān)的“863”項(xiàng)目“基于柔性直流的智能配電關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”中，在直流配電網(wǎng)的基本框架、電源接口、換流器配置和經(jīng)濟(jì)性等方面開展了研究。國(guó)家電網(wǎng)公司也開展了直流供電技術(shù)研究，江蘇省電科院已成立了交直流混聯(lián)、風(fēng)光儲(chǔ)一體化的新能源及智能配網(wǎng)協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)室，開展分布式新能源并網(wǎng)及交直流混聯(lián)電網(wǎng)等方向的研究。以深圳供電局為主要單位成立的城市電網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)研究中心于2012年開始建設(shè)柔性直流配電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，開展柔性直流配電關(guān)鍵技術(shù)研究[7-9]。

1.2 直流電壓等級(jí)及供電標(biāo)準(zhǔn)

直流供電的電壓等級(jí)及序列關(guān)系到電網(wǎng)安全性、經(jīng)濟(jì)性、負(fù)荷適應(yīng)性等關(guān)鍵問題，對(duì)電網(wǎng)的未來發(fā)展有重要影響。通信、交通、船舶和航空等特殊行業(yè)直流負(fù)荷較小，對(duì)供電可靠性要求高，且有電能存儲(chǔ)的需求，因此較早地采用了直流供電系統(tǒng)，其中通信、船舶業(yè)采用的電壓等級(jí)較多。各行業(yè)直流電壓等級(jí)如圖1所示。通信行業(yè)采用48 V，240 V，270 V，336 V，350 V，380 V電壓等級(jí)，其中240 V為我國(guó)通信行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)；城市軌道交通采用750 V，1500 V，3000 V電壓等級(jí)；大型船舶采用750 V，1500 V，3000 V等電壓等級(jí)[10]；國(guó)外對(duì)信息數(shù)據(jù)中心建議采用260～400 V范圍的電壓供電；美國(guó)和日本提出采用380 V作為未來樓宇直流供電系統(tǒng)電壓等級(jí)[11]。

低壓直流電壓等級(jí)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的選擇，目前配電系統(tǒng)中使用不同的直流電壓等級(jí)是因?yàn)楫?dāng)時(shí)缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，供電方案采用的電壓等級(jí)基于行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制定。例如，汽車行業(yè)最初采用12 V直流供電，現(xiàn)在多用24～48 V直流供電以提高用電效率。數(shù)據(jù)中心由于耗電量較大，提高電壓等級(jí)可減少配電損耗，通常采用380～400 V電壓等級(jí)。

一些特殊行業(yè)的電壓等級(jí)根據(jù)行業(yè)及負(fù)荷的特點(diǎn)制定，未能實(shí)現(xiàn)直流供電電壓的規(guī)范化。隨著GB/T 35727—2017中低壓直流配電電壓導(dǎo)則的頒布和實(shí)施，低壓直流供電電壓等級(jí)將逐步規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了中低壓直流配電的電壓等級(jí)、電壓偏差及相應(yīng)的技術(shù)要求，將為直流配電產(chǎn)業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。其中，低壓直流配電電壓優(yōu)選值為1500 V，750 V和220 V，備選值為1000 V，600 V，440 V，400 V，336 V，240 V和110 V，1500 V及以下電壓等級(jí)電壓偏差為標(biāo)稱值的-20%～+5%。

圖1 各行業(yè)直流電壓等級(jí)Fig.1 Various types of DC voltage levels

不同行業(yè)中低壓直流供電電壓等級(jí)序列如表1所示。

表1 中低壓直流供電系統(tǒng)電壓等級(jí)序列Tab.1 Medium and low voltage DC power supply system voltage level V

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方面，多個(gè)國(guó)際組織開展了直流電網(wǎng)相關(guān)研究工作，中國(guó)在低壓直流標(biāo)準(zhǔn)制定方面起著重要作用。國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission, IEC)成立了研究小組TC-57，研究未來直流電網(wǎng)的管理和信息交換問題。自2010以來，國(guó)際大電網(wǎng)組織(International Council on Large Electric Systems, CIGRE)先后成立了十余個(gè)與柔性直流、直流電網(wǎng)相關(guān)的工作組，2015年7月中國(guó)電科院主導(dǎo)成立了SC6.31“直流配電可行性研究”專題小組以研究和推廣中壓直流配電網(wǎng)技術(shù)，來自13個(gè)國(guó)家的專家參與到SC6.31 直流配電的研究工作中[6]。2017年1月IEC設(shè)立了低壓直流供電委員會(huì)(SyCLVDC)，研究低壓直流的應(yīng)用場(chǎng)景、可行性和安全性等內(nèi)容，同年10月低壓直流配網(wǎng)工作組(IEC TC8 WG9)成立，由江蘇電科院主導(dǎo)召集，開展低壓直流配網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

2 直流供電關(guān)鍵技術(shù)

2.1 直流配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)

直流配電網(wǎng)控制按系統(tǒng)級(jí)別可分為單元級(jí)、微網(wǎng)級(jí)和配網(wǎng)級(jí)[12]?？偟脕碚f，目前電力電子變換器的單元級(jí)和直流微電網(wǎng)層面研究較多，配網(wǎng)層面的研究較少，需要在前兩者基礎(chǔ)上研究相關(guān)的直流配網(wǎng)控制理論和技術(shù)，以支撐直流配電網(wǎng)發(fā)展。

2.1.1 單元級(jí)控制

在直流配電網(wǎng)中，單元級(jí)控制主要是電力電子變換器的控制。根據(jù)微電網(wǎng)和配電網(wǎng)運(yùn)行要求，各變換器對(duì)電壓、電流和功率進(jìn)行控制，以保證各單元及系統(tǒng)正常工作。目前，關(guān)于分布式電源及負(fù)載到低壓配電母線間接口電路的研究較多，包括AC/DC變換器和DC/DC變換器，高低壓配電母線之間接口電路的控制相對(duì)復(fù)雜。在現(xiàn)代柔性直流配電網(wǎng)領(lǐng)域中，基于高頻隔離和鏈?zhǔn)阶兞骷夹g(shù)的功率變換系統(tǒng)是研究熱點(diǎn)。

2.1.2 微網(wǎng)級(jí)控制

直流配電網(wǎng)中微網(wǎng)級(jí)控制，主要可以分為母線電壓控制和電能質(zhì)量管理兩類。

(1) 母線電壓控制。直流微電網(wǎng)中，分布式電源和負(fù)載均通過變流器與直流母線并聯(lián)，為了抑制環(huán)流并維持直流母線電壓的穩(wěn)定，需要對(duì)各并聯(lián)變流器進(jìn)行均流控制，常見的并聯(lián)均流控制有集中控制、主從控制和無主從控制。

(2) 電能質(zhì)量管理。直流微電網(wǎng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)分布式電源出力波動(dòng)或負(fù)荷的瞬時(shí)接入、切除等瞬態(tài)事件，引起直流母線電壓的閃變，影響正常供電，甚至引起保護(hù)控制系統(tǒng)誤動(dòng)作，導(dǎo)致整個(gè)直流微電網(wǎng)崩潰。為了保證系統(tǒng)中的功率支撐，常用超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能或超導(dǎo)儲(chǔ)能等功率型儲(chǔ)能器件對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行管理。為了保證系統(tǒng)中能量供需平衡，需要對(duì)系統(tǒng)中的分布式電源、儲(chǔ)能及負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化配置和管理。

2.1.3 配網(wǎng)級(jí)控制

大量的直流微電網(wǎng)接入直流配電網(wǎng)后，合理的直流配電網(wǎng)調(diào)度方案是保證配電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵，應(yīng)綜合微電網(wǎng)的運(yùn)行控制、負(fù)荷需求和大電網(wǎng)交互情況進(jìn)行分析。配網(wǎng)級(jí)控制研究包括分布式電源發(fā)電預(yù)測(cè)與負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)，基于直流的多端、多電壓等級(jí)配電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)，直流配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度方法以及直流配電網(wǎng)雙向潮流最優(yōu)控制技術(shù)等[13-15]。

2.2 直流配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)

由于接入了多元化的分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能，直流配電系統(tǒng)存在多種不同的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，直流配電網(wǎng)在電氣特性及測(cè)量方式等根本性技術(shù)上跟交流配電網(wǎng)完全不同，沒有低成本、可商業(yè)應(yīng)用的大容量直流斷路器，相關(guān)直流保護(hù)技術(shù)和裝備既缺乏標(biāo)準(zhǔn)，也缺少運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。因此，直流配電系統(tǒng)保護(hù)配置面臨諸多挑戰(zhàn)。

2.2.1 直流配電系統(tǒng)故障類型

直流配電網(wǎng)中存在大量電力電子裝置，且靠近用戶終端，故障復(fù)雜多樣，直流配電網(wǎng)除了存在短路、接地故障和絕緣下降不正常運(yùn)行情況外，還存在交直流混接、直流環(huán)網(wǎng)等故障[16]，如表2所示。

表2 中低壓直流配電系統(tǒng)故障類型Tab.2 Medium and low voltage DC distribution system fault type

直流配電系統(tǒng)中出現(xiàn)直流環(huán)網(wǎng)故障將導(dǎo)致系統(tǒng)間形成環(huán)流、異常放電等現(xiàn)象，甚至造成短路或接地故障，若故障發(fā)生在不同的電壓等級(jí)直流系統(tǒng)之間，環(huán)流和異常放電電流更大，后果將更為嚴(yán)重。

直流故障有其特有的電壓電流特性，故障點(diǎn)很難查找，直流負(fù)荷對(duì)電壓十分敏感，故障影響范圍很廣。除短路故障可以切除外，針對(duì)其他類型故障還沒有完善的保護(hù)方案和系統(tǒng)，只有監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置。

2.2.2 直流主動(dòng)保護(hù)原理和組成

目前直流保護(hù)技術(shù)和裝備在不同程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流系統(tǒng)的保護(hù)，但僅限于在故障發(fā)生后限制故障電流或通過保護(hù)設(shè)備將線路切除，屬于被動(dòng)應(yīng)對(duì)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間及切換隔離時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)于電流沖擊承受能力較弱的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)，以及沒有明顯故障電壓電流特性的故障類型，相應(yīng)的直流保護(hù)需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

主動(dòng)保護(hù)基于電力電子變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制原理，將保護(hù)動(dòng)作“融于”變換器控制邏輯，基于多重保護(hù)策略，有效利用電力電子變換器的隔離單元和電力電子器件來實(shí)現(xiàn)直流配電系統(tǒng)中多種故障的自然隔離和嚴(yán)重故障回路的開斷，防止輕微故障發(fā)展為嚴(yán)重故障，最大限度保障系統(tǒng)正常運(yùn)行[17]。

主動(dòng)保護(hù)基于電力電子器件的自保護(hù)功能，還可實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過溫保護(hù)等功能，無論在分布式發(fā)電側(cè)、母線、負(fù)載側(cè)發(fā)生上述故障時(shí)，保護(hù)均會(huì)優(yōu)先動(dòng)作，在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)閉鎖電力電子器件，停止功率輸出，有效避免故障范圍擴(kuò)大。

主動(dòng)保護(hù)可分為主動(dòng)式短路故障保護(hù)、主動(dòng)式接地故障保護(hù)、主動(dòng)式絕緣下降報(bào)警、主動(dòng)式直流環(huán)網(wǎng)保護(hù)、主動(dòng)式交直流混接保護(hù)，如表3 所示。

表3 主動(dòng)保護(hù)的類型Tab.3 Types of active protection system

2.2.3 直流配電網(wǎng)的保護(hù)設(shè)備

直流保護(hù)設(shè)備對(duì)防止故障范圍擴(kuò)大有重要意義。與交流系統(tǒng)不同，直流電流不存在自然過零點(diǎn)，因此開斷直流電流相比交流要困難，增加了直流保護(hù)設(shè)備的研制難度。

目前，直流斷路器的開斷方法主要有增大電弧電壓法、分段串接入限流電阻法、磁場(chǎng)控制氣體放電管斷流法、迭加振蕩電流法、電流轉(zhuǎn)移法等?；谶@些方法，國(guó)內(nèi)外對(duì)各容量等級(jí)的直流斷路器進(jìn)行了研究和測(cè)試。目前400 V 以下的低壓直流斷路器已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用，而中高壓直流斷路器的研發(fā)雖取得了一些突破，但距工業(yè)化應(yīng)用還有距離[9]。另外，常用的交流型多功能接線板和插頭應(yīng)用于低壓直流配電網(wǎng)時(shí)，接合與斷開的瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的電弧，帶來安全隱患。因此，直流開關(guān)、直流插頭和插座的研發(fā)，是推動(dòng)直流配電網(wǎng)普及應(yīng)用的基礎(chǔ)性工作[18]。

2.3 直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量控制

直流配電網(wǎng)沒有交流系統(tǒng)中的電壓相位和頻率問題，其電能質(zhì)量主要指有功功率與電壓平衡，典型電能質(zhì)量問題有直流電壓暫降與暫升、電壓偏差、電壓波動(dòng)、直流調(diào)制諧波等[19-20]。

(1) 直流電壓暫降與暫升。直流配電網(wǎng)中微電源輸出功率的突變、負(fù)荷的瞬間接入或脫落、微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換、交流側(cè)系統(tǒng)電壓中斷等瞬態(tài)變化均可能引起直流饋線電壓的暫降或暫升。電壓暫降或暫升，不僅影響負(fù)荷設(shè)備的正常運(yùn)行，還可能引起保護(hù)的誤動(dòng)作，導(dǎo)致整個(gè)直流系統(tǒng)的崩潰。

(2) 直流電壓偏差與波動(dòng)。有功不平衡是引起直流配電網(wǎng)電壓偏差的根本原因，微電源出力、運(yùn)行方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及負(fù)荷等發(fā)生變化都會(huì)產(chǎn)生不同程度的有功功率不平衡，引起配電網(wǎng)電壓波動(dòng)。以雙極配電線路為例，不平衡供電會(huì)使得正負(fù)極母線與接地中性點(diǎn)之間的電壓出現(xiàn)偏差。

(3) 直流調(diào)制諧波。直流配電網(wǎng)內(nèi)多源多變換設(shè)備是多種類型的諧波源，會(huì)以不同的方式向電網(wǎng)注入諧波。AC/DC整流器根據(jù)橋臂數(shù)目的不同，在直流側(cè)會(huì)產(chǎn)生不同頻次的特征諧波。DC/DC變換器是諧波的另一主要來源，根據(jù)光伏直流輸出電壓、電流的諧波特性分析，其運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生典型的低頻諧波[22]。隨著電力電子變換器開關(guān)頻率大幅提高，諧波發(fā)射范圍向調(diào)制頻率附近的高頻帶轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生相應(yīng)的高頻諧波。

直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量控制的方法主要有：利用附加設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性治理，利用微電源參與功率平衡調(diào)節(jié)和利用電力電子接口控制算法改善配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境。利用附加設(shè)備進(jìn)行電能質(zhì)量治理是最為直接的電能質(zhì)量控制方式，通過配置隔離變壓器、有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器等設(shè)備提高直流配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。利用儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括鋰電池、超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能等，進(jìn)行快速的功率平衡調(diào)節(jié)，保證直流母線電壓的穩(wěn)定。通過變流器控制策略和微電網(wǎng)控制模式優(yōu)化，可以提高直流配電網(wǎng)的抗擾動(dòng)能力，在電源電壓和負(fù)載大范圍變化時(shí)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 直流供電關(guān)鍵設(shè)備

3.1 AC/DC變流器

AC/DC變流器是直流配電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)備，其控制效能直接影響直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和直流功率的協(xié)調(diào)分配，變流器主要分為電流源型和電壓源型兩種。

電流源型變流器在高壓遠(yuǎn)距離直流輸電中具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在直流輸電工程中大量應(yīng)用。但在直流配電網(wǎng)中，由于網(wǎng)絡(luò)端數(shù)繁多，潮流反轉(zhuǎn)頻繁，給電流源型換流器的應(yīng)用造成極大的不便[21-22]。

隨著電力電子器件及控制技術(shù)的進(jìn)步，電壓源型變流器迅速發(fā)展，三相兩電平、多電平是目前工程中采用較多的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三相兩電平是最為簡(jiǎn)單的電壓源變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三電平變流器可將輸出電壓等級(jí)提高一倍，二者都采用低電平數(shù)變流器結(jié)合開關(guān)器件串聯(lián)方案。典型的三相多電平電壓源變流器結(jié)構(gòu)包括箝位式多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、級(jí)聯(lián)式多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及模塊化多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，隨著相關(guān)控制技術(shù)的研究進(jìn)展，其響應(yīng)速度、開關(guān)損耗、諧波特性和電壓等級(jí)等運(yùn)行指標(biāo)不斷改善。

3.2 電力電子變壓器

電力電子變壓器是一種具有變壓器功能的電力電子變換器，集電氣隔離、電壓變換、能量傳遞等功能于一身，可實(shí)現(xiàn)交直流互聯(lián)和接入功能。目前電力電子變壓器已是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，在電路拓?fù)?、控制以及樣機(jī)研制上均取得了一定成果，各機(jī)構(gòu)電力電子變壓器指標(biāo)如表4所示[23]。總體來看，國(guó)外大容量樣機(jī)端口少，場(chǎng)合特殊，功能單一，最高效率在95%左右。具有多功能多端口的電力電子變壓器，因其環(huán)節(jié)多、控制復(fù)雜，效率和多端口靈活調(diào)控能力有待進(jìn)一步提高。

表4 電力電子變壓器指標(biāo)對(duì)比Tab.4 Power electronic transformer index contrast

3.3 低壓直流斷路器

直流斷路器是關(guān)系直流配電網(wǎng)保護(hù)和安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)靈活運(yùn)行、防止故障范圍擴(kuò)大有重大意義。直流斷路器按照開斷原理可分為機(jī)械式、全固態(tài)式和混合式3種[24]。機(jī)械式直流斷路器具有可靠性高、成本低、通態(tài)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，但開斷速度慢、可控性不強(qiáng)；全固態(tài)式直流斷路器的優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)作速度快、可控性強(qiáng)，但現(xiàn)階段成本較高，通態(tài)損耗較大；混合式直流斷路器結(jié)合機(jī)械開關(guān)良好的靜態(tài)特性與電力電子器件良好的動(dòng)態(tài)性能，理論上具有開斷時(shí)間短、通態(tài)損耗小、無需專用冷卻設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、成本最高。在低電壓等級(jí)范圍，3種斷路器成本相差不大，比較而言，全固態(tài)斷路器可靠性高、可控性好、技術(shù)難度小，成為低壓直流斷路器的重要研究方向。

4 直流供電工程研究與應(yīng)用

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流供用電通常與電力電子變流器共同出現(xiàn)，由于其高可控性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)今涉及到直流供用電的工程通常與柔性直流、能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)。

4.1 國(guó)外典型工程研究

2011年美國(guó)北卡羅來納大學(xué)提出了FREEDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)包含有400 V 直流母線和120 V 交流母線即插即用接口，提出了智能能量管理(intelligent energy management，IEM)裝置，又稱為能量路由器，用于連接12 kV 中壓交流配電母線和DC 400 V 及AC 120 V 低壓配電母線。在FREEDM 系統(tǒng)中，直流配電網(wǎng)和交流配電網(wǎng)均通過IEM 與大電網(wǎng)連接，其中直流配電網(wǎng)用于集成分布式電源和直流負(fù)載等直流模塊[25]。

日本大阪大學(xué)2006年提出了一種雙極直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)通過6.6 kV 配電網(wǎng)獲取230 V交流電，經(jīng)雙向整流變換為 ±170 V 直流電壓。230 V交流母線上接入1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)，直流母線上通過DC/DC變換器接入超級(jí)電容器、光伏電池等分布式電源。另外，直流母線通過單相逆變器接入單相交流負(fù)載，通過斬波電路接入直流負(fù)載。

芬蘭Elenia Oy公司設(shè)計(jì)的交直流配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)見圖2。該典型結(jié)構(gòu)從中壓交流20 kV線路上引出分支線，先通過20/0.63 kV配電變壓器降壓到低壓交流0.63 kV，并經(jīng)過整流換流器升壓到低壓直流900 V，再通過低壓直流900 V配電線路輸送給用戶，在用戶側(cè)經(jīng)過逆變換流器轉(zhuǎn)換成低壓交流500～600 V，再通過500～600/400 V低壓隔離變壓器輸出交流400 V為終端用戶供電。

圖2 芬蘭交直流配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical structure of AC and DC distribution network in Finland

德國(guó)亞琛大學(xué)已經(jīng)建成10 kV直流配電網(wǎng)實(shí)際工程，開展了中壓直流環(huán)網(wǎng)配電系統(tǒng)、10 kV中壓直流配電在校園的試驗(yàn)性研究等6個(gè)直流配電研究專題。亞琛大學(xué)校園10 kV配電系統(tǒng)有3.3 kV交流母線和5 kV，1070 V 2個(gè)電壓等級(jí)直流母線，分別為交流負(fù)荷和直流負(fù)荷供電。該直流系統(tǒng)的供電半徑約為500 m，是采用雙極結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)[6]。

4.2 國(guó)內(nèi)典型工程

自 2009 年開始，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位逐步開展了直流配電網(wǎng)相關(guān)研究。清華大學(xué)提出了基于高頻隔離和公共直流母線的電池儲(chǔ)能電網(wǎng)接入系統(tǒng)，研究用于直流配電系統(tǒng)中的新一代功率變換技術(shù)。浙江大學(xué)研究了中、高壓直流配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了放射狀、環(huán)狀與兩端配電3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

國(guó)家電網(wǎng)公司在直流供電技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開展了蘇州工業(yè)園區(qū)主動(dòng)配電網(wǎng)應(yīng)用示范區(qū)的建設(shè)，其中基于柔性直流互聯(lián)的交直流混合主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用示范工程由±20 kV柔性直流互聯(lián)系統(tǒng)和分布式光伏、分布式風(fēng)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)、蓄電池、電動(dòng)汽車充換電負(fù)荷、用戶側(cè)分布式儲(chǔ)能、直流微電網(wǎng)等可控單元組成，總體架構(gòu)見圖3。分布式電源通過配電房分別接入沙基諾、鳳里街南、建屋產(chǎn)業(yè)園、建屋產(chǎn)業(yè)園2號(hào)4個(gè)開閉所。各開閉所20 kV交流母線均采用單母線三分段接線。每段母線分別通過1回線路接入電網(wǎng)，Ⅰ段、Ⅲ段母線均接有分布式電源和負(fù)荷。儲(chǔ)能接于建屋產(chǎn)業(yè)園2號(hào)開閉所Ⅰ段、Ⅲ段母線。

圖3 蘇州交直流混合主動(dòng)配電網(wǎng)總體架構(gòu)Fig.3 AC and DC hybrid active distribution network structure in Suzhou

5 結(jié)語

直流配電網(wǎng)是推動(dòng)智能電網(wǎng)建設(shè)，解決能源、環(huán)境危機(jī)的關(guān)鍵，利用直流配電網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可支持高滲透率分布式可再生能源消納，提高配電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的新型能源體系。本文介紹了直流供電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，直流電壓等級(jí)及供電標(biāo)準(zhǔn)情況，重點(diǎn)分析了直流配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制、保護(hù)和電能質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)，以及AC/DC變流器、電力電子變壓器和低壓直流斷路器等關(guān)鍵設(shè)備的研制情況，最后梳理了國(guó)內(nèi)外直流供電工程研究與應(yīng)用情況。

目前直流供電的研究仍處于試驗(yàn)探索階段，直流供電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范正在加緊制定，還存在大量問題尚未解決，供電技術(shù)研究集中在直流微電網(wǎng)層面，關(guān)鍵設(shè)備性能還不能滿足應(yīng)用需求，缺少實(shí)際工程應(yīng)用。隨著能源變革的發(fā)展和技術(shù)研究的深入，直流供電將憑借強(qiáng)大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)快速發(fā)展，對(duì)未來的能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響。