直流配電網(wǎng)現(xiàn)狀研究與展望

陳君堯 蔡捷 陳澤賢 何偉建 張猛

摘要：隨著電力電子技術的發(fā)展，與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)已在許多領域取得了技術和經(jīng)濟優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。我們了解了直流配電網(wǎng)的發(fā)展，拓撲結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢，總結(jié)了直流配電網(wǎng)研究中有關電壓選擇、控制技術、保護和故障分析狀態(tài)的關鍵問題和相關研究，并比較了交流和直流的分布。系統(tǒng)的可靠性和效率，以及直流配電網(wǎng)的發(fā)展前景。

關鍵詞：配電網(wǎng);直流配電網(wǎng);分布式電源;控制;電力設備

近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，電力負荷迅速增加，電力需求和電力質(zhì)量需求持續(xù)增長。首先，電力電子技術的飛速發(fā)展。越來越多的分布式能源（例如光伏能源、風能和電動汽車）已連接到電網(wǎng)，并且基于直流電和工業(yè)變頻技術的使用使許多家用電器得到普及。在新能源的分布式獲取，負荷的多樣化，能源系統(tǒng)的復雜結(jié)構(gòu)，能源供應的穩(wěn)定性和高效率方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)。同時，由于城市內(nèi)部規(guī)劃與能源系統(tǒng)規(guī)劃的長期分離，使得配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與負荷的發(fā)展不兼容，這使得配電網(wǎng)的規(guī)劃，開發(fā)和供電質(zhì)量越來越不適合城市發(fā)展的需要。簡而言之，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡和電力供應方法越來越無法滿足快速發(fā)展的經(jīng)濟和社會的要求，這些要求更加環(huán)保，更安全，更可靠，更經(jīng)濟。

國外研究表明，與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)在吞吐量，系統(tǒng)可控性和電能質(zhì)量方面具有更高的性能，可以有效降低電力電子轉(zhuǎn)換器的使用頻率，提高電能質(zhì)量，充分協(xié)調(diào)兩者之間的矛盾。分布式電源，各種負載和重視分布式能源的電力系統(tǒng)。本文首先詳細介紹了直流配電網(wǎng)的發(fā)展，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，特點和優(yōu)勢，然后總結(jié)了直流配電網(wǎng)在電壓選擇，操作控制，保護和基本設備方面存在的問題。配電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟運行研究。

一、直流配電網(wǎng)的驅(qū)動力

（一）直流供電技術的發(fā)展

當電力系統(tǒng)的輸配電系統(tǒng)首次出現(xiàn)時，首先將直流電用作主要的能量傳輸方法，但是由于當時的技術水平有限，由于電壓轉(zhuǎn)換困難且產(chǎn)量低，直流電系統(tǒng)逐漸被交流電系統(tǒng)所取代。

自20世紀以來，功率半導體器件的飛速發(fā)展導致了功率電子技術的創(chuàng)新。直流電源技術的優(yōu)勢已逐漸回歸，在數(shù)據(jù)中心，船舶電源和電動汽車等特殊領域的應用和開發(fā)中發(fā)揮了主導作用。

（二）分布式電源發(fā)展的推動

自1970年以來，能源短缺和環(huán)境污染日益嚴重。分布式能源系統(tǒng)由于其靈活性和易用性而受到廣泛關注。同時，由于分布式電源訪問，配電網(wǎng)絡已從活動網(wǎng)絡上的簡單負載發(fā)生了變化。

常見的分布式能源包括光伏電池，風力渦輪機，燃料電池和儲能設備。這些能源產(chǎn)生的功率是恒定電流，或者可以在簡單轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為直流電。因此，將分布式電源集成到直流配電網(wǎng)絡中可以節(jié)省許多交換鏈路。例如，光伏能量是直流電，必須使用直流電到直流電的兩級轉(zhuǎn)換以及直流電到交流電的兩級轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為交流電配電網(wǎng)。如果將其集成到DC配電網(wǎng)絡中，則僅需要DC到DC的單級轉(zhuǎn)換。表1列出了連接到共享的分布式電網(wǎng)所需的交換通道。

（三）多樣性負荷發(fā)展的推動

隨著電力電子技術的發(fā)展，用電方式發(fā)生了重大變化，例如，變頻技術已廣泛用于空調(diào)、洗衣機、電冰箱等產(chǎn)品中。在交流配電網(wǎng)絡中，上述電力負載必須通過交流/直流DC/AC2級轉(zhuǎn)換，在DC配電網(wǎng)中進行頻率轉(zhuǎn)換僅需要DC/AC轉(zhuǎn)換。

另外，大量的智能電氣設備主要基于直流電源。在交流配電網(wǎng)絡中，需要將交流電額外轉(zhuǎn)換為直流1級，而對于直流配電網(wǎng)絡，則無法通過轉(zhuǎn)換來提供能量，從而減少了中間損耗并節(jié)省了成本。表2列出了正常負載所需的換流通道。

（四）配電網(wǎng)升級改造的需求

隨著城市建設的不斷發(fā)展，對供電系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的線性通道的限制也逐漸增加，隨著城市化的快速發(fā)展，城市規(guī)模和人口的增長提供了更多的電力和配電網(wǎng)絡容量。嚴格的要求、有限的供電走廊限制了現(xiàn)有配電網(wǎng)絡的擴展，并且越來越長的電力線將為配電網(wǎng)絡的安全可靠供電提出新的挑戰(zhàn)。

二、配電網(wǎng)發(fā)展過程中所存在的問題

配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中起著極其重要的作用，其結(jié)構(gòu)的質(zhì)量取決于電源是否穩(wěn)定，還決定著降低損耗的效果是否受到損害。如果要減少配電網(wǎng)的損耗并節(jié)省能源，則首先需要改進的是配電網(wǎng)本身的結(jié)構(gòu)。通過糾正設計結(jié)構(gòu)中的缺陷和不足，可以使用科學設計來制訂合理的計劃。網(wǎng)絡的改造使結(jié)構(gòu)設計逐漸趨于合理化，可以滿足減少損耗，節(jié)約能源的需要。

在設計配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的過程中，環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)的使用是現(xiàn)階段最合理、最有效的解決方案，從節(jié)能效果和可行性上滿足使用的需求。設計的可靠性提出了更嚴格的要求，可以使用兩個電源和自己的投資來實現(xiàn)。

配電網(wǎng)絡設計應同時考慮城市的規(guī)劃和設計要求，同時全面考慮節(jié)能和使用。該項目應與城市規(guī)劃相一致。根據(jù)不同的城市規(guī)劃，劃分了不同的能源供應區(qū)域，提供了最佳的電網(wǎng)分配。

三、直流配電網(wǎng)的特點和優(yōu)勢

（一）傳輸容量大

對于電源系統(tǒng)、直流電源技術和交流電源技術之間最顯著的區(qū)別是它具有明顯的帶寬優(yōu)勢。根據(jù)研究，在相同的建造成本和相同的空間環(huán)境下，直流輸電容量是交流輸電容量的1.5倍。通過充分利用導線的橫截面，可以減少能量傳輸過程中的線路損耗，從而提高傳輸效率。

（二）電能質(zhì)量高

諸如半導體微電路之類的技術在日常生活中的廣泛使用也對電能質(zhì)量提出了更嚴格的要求，在傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)絡中，這可能會產(chǎn)生電壓突降和其他影響，從而嚴重干擾其正常運行。用法與交流配電網(wǎng)絡不同：在直流配電網(wǎng)絡中，由于使用了分布式儲能設備，其提供的電壓更加穩(wěn)定，從而避免了突然下降的影響。為了提高直流配電網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，它還使用交流電源，其目的是穩(wěn)定交流側(cè)的電壓。

（三）系統(tǒng)穩(wěn)定性好

與交流電相比，直流配電網(wǎng)的頻率更加穩(wěn)定，避免了運行和使用過程中無電之類的問題。同時，電力電子設備還具有故障隔離功能，可避免電網(wǎng)干擾而妨礙電網(wǎng)運行，從而使直流系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

（四）有助于分布式能源的接入

分布式電源的配置非常復雜，由風力渦輪機、燃料電池、太陽能電池和微型燃氣輪機組成，而直流配電網(wǎng)絡簡化了接入過程。簡化了通過諸如電動汽車之類的配電網(wǎng)絡直接使用電力的過程，并大大提高了分布式能源訪問的效率。

四、直流配電網(wǎng)的關鍵技術

（一）運行和控制

在直流電網(wǎng)的運行過程中，功率電子轉(zhuǎn)換器之間存在能量相互作用，并且轉(zhuǎn)換器的運行條件在不同的運行周期中是不同的。直流電網(wǎng)控制技術對于確保直流電網(wǎng)的穩(wěn)定運行特別重要。DC配電網(wǎng)本身具有簡化的上層和復雜的下層的特征?？刂葡到y(tǒng)需要以此為出發(fā)點，并考慮到諸如電網(wǎng)調(diào)度級別之類的影響因素，將電網(wǎng)的控制劃分為系統(tǒng)級別、微電網(wǎng)水平和單元水平。

（二）關鍵設備

由于直流配電網(wǎng)的主要組件是穩(wěn)定運行和保證的基礎，因此直流配電網(wǎng)的建設和開發(fā)需要加強以下設備的研發(fā)：

直流變壓器。直流變壓器是直流配電網(wǎng)絡中電壓轉(zhuǎn)換的關鍵。像在交流配電網(wǎng)絡中一樣，變壓器本身應具有轉(zhuǎn)換高低壓的能力。除了具有良好的電壓轉(zhuǎn)換能力外，變壓器容量也具有較大的容量。需要滿足直流配電網(wǎng)的需求。

直流斷路器。直流斷路器在直流配電網(wǎng)絡中提供故障隔離。簡而言之，直流斷路器是直流配電網(wǎng)安全運行的重要保證和基礎。隨著技術的發(fā)展，直流斷路器已開始在低壓直流電下運行。其廣泛用于配電網(wǎng)絡中，其開發(fā)和研究對于配電線路的使用和保護非常重要。

直流插件開關。對于低壓直流配電線，在連接和斷開過程中會產(chǎn)生較大的電弧，這對開關有嚴格的要求，但是在此階段使用的開關不能直接應用于此過程。加強這一領域的發(fā)展將促進直流配電網(wǎng)絡的發(fā)展。

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