低压直流配电系统结构分析

王振浩， 成龙

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

低压直流配电系统结构分析

王振浩， 成龙

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

结合国内外直流配电网的研究现状，对配电系统构架所包含的高压配电母线的供电方式，低压直流配电母线的构成形式，高压配电母线到低压配电母线的连接方式，分布式电源的组织形式及分布式电源和负荷到低压配电母线的连接方式等方面进行了详细分析，并探讨了适合城市低压直流配电网发展的合理电压等级。最后，结合我国现有电网条件，针对城市直流配网的发展方向提出了建议。

直流配电；系统结构；分布式电源；功率变换；分压器

0 引 言

近年来，随着电力负荷迅速增长，新能源、新材料、信息技术和电力电子技术得到广泛应用，用户对供电可靠性和电能质量等方面的要求不断提高，传统交流配电网已逐步暴露出其不可避免的诸多弊端[1]。

(1)伴随着新型工业化、城镇化、农业现代化和美丽乡村建设进程的不断推进，用户对满足用电需求、提高供电质量、实现智能互联的要求逐步提高，而有限的供电走廊加大了对实现城市配电网高供电容量、远距离供电的难度，传统配电系统已成为阻碍城市化发展的一个重要因素[2]；

(2)从20世纪80年代末开始，世界电力工业已由传统的集中供电模式向集中和分散相结合的供电模式过渡。在全球能源、环境危机的大形势下，分布式发电、大规模储能技术及微电网技术得以加速发展，总装机容量不断提升[3]。而如何将这些直流电源、变频交流电源与传统工频交流电源高效、可靠、安全互联，如何提高对新能源的接纳能力，已成为亟待攻克的技术难题[4-5]82,62；

(3)随着科技的不断进步和经济、社会的快速发展，家庭用电模式发生了巨大变化，各种主流家庭用电设备更新换代，这些直流负载和含有直流环节的负载直接或间接接入传统配电系统时需要AC/DC变换，降低了系统效率，并使大量谐波注入电网，严重影响电能质量。

在电力电子器件和技术高速发展的今天，研究和发展城市直流配电网，为我们解决上述问题找到了一条新的途径，并将对直流配网标准的形成具有重要意义。

1 直流配电系统的拓扑结构

1.1 高压配电母线的供电方式

近年来，高压直流输电技术[6-8]、柔性直流输电技术[9-10]得到广泛发展和应用，参考国内外微电网示范工程实例[11]，相关研究主要集中在以直流微网为核心的低压直流配电网方面，国际上普遍认可以AC 6 kV以上作为配网高压母线的电压等级，鲜有对直流形式高压配电母线的研究报导[12]。

1.2 低压直流配电母线的构成形式

1.2.1 单母线结构

图1所示单母线结构[13-16]易与现有工频转接设备兼容，但在给低压设备供电时，变流器电压应力较大，需配备一定体积的电源适配器。

图1 单母线结构的直流配电系统

图2 FREEDM系统结构

图2所示为美国北卡罗莱纳大学于2011年提出的“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management (FREEDM)”系统[17]，实现了交、直流共存。该系统旨在用于构建未来自动灵活的配电网，其核心技术优势体现在：(1)含有DC 400 V和AC 120 V母线的即插即用接口，可以通过开放标准的通信协议，采集各类负荷、储能系统和发电机组的实时并网信息。(2)连接AC 12 kV和DC 400 V、AC 120 V配电母线的智能能量管理(intelligent energy management, IEM)装置，能够对网络进行实时状态监控、数据采集，并为各设备提供运行控制依据。(3)开放标准的分布式电网操作系统，可以借助通信平台，实现多级IEM协调控制。

1.2.2 分层母线结构

图3 分层母线结构的直流配电系统

2010年，美国弗吉尼亚理工大学CPES中心提出了SBN(Sustainable Building and Nanogrids)计划，旨在为未来新兴住宅和商业楼盘提供电力，这就是典型的分层母线结构，如图3所示[18]。系统中，DC 380 V和DC 48 V低压直流配电母线共存，分别为不同等级负载提供电力。

DC 380 V母线主要与工业标准的电压等级相匹配，它依靠前端整流器和功率因数校正(Power Factor Correction,简称PFC)电路接入主网。DC 48 V母线主要与通信标准的电压等级相匹配，它依靠斩波变换器接入DC 380 V母线。与单母线结构相比，分层母线结构提高了为低压设备供电的安全性，可省去一定体积的电源适配器[19]102，但它不易与现有工频转接设备兼容。

1.2.3 双母线结构

图4所示的直流配电系统[20-21]，整流器输出±170 V电压。此结构可根据负荷需求由不同母线提供供电电压，并实现交、直流侧共地，并且变压器交流侧宜采用Yn0y或Ynd接法，以避免构成零序回路[22]。这种双母线结构的直流配网方便与现有转接设备兼容，但负荷的不确定性会导致每条母线的负载不完全平衡，源侧换流器需加装均压装置，因此，连接主网、储能系统和分布式电源(Distribution Energy Resource，简称DER)单元的换流器拓扑与传统拓扑结构会有所差异。文献[23-25]都以虚拟空间矢量法探讨了带旋转电机负载的直流系统变流器控制方法，搭建了与之对应的实验模型，并验证了其可行性。

图4 双极结构的直流配电系统

文献[19]103提出一种基于TN型接地方式的直流配网系统，其结构如图5所示。这种双母线结构的配网系统通过分压器实现用户侧DC 380 V和DC 220 V共存，且对主网而言，推荐直流侧是一个“阻性负载[15]44-45”系统，不但实现了“绿色”经济型配电网，还促进了新型节能直流家电及相关产业的快速发展。

图5 双母线结构的直流配电系统

本文针对图5所示拓扑，提出一种基于电阻元件的直流分压器结构，如图6所示。分压器高压端输入电压为：

(1)

分压器理想分压比，即输入电压和输出电压之比为：

(2)

(3)

其中RX为高压臂电阻；R1、R2为低压臂等效电阻；U1、U2为分压器低压端输出电压。

图6 直流分压器 结构示意图

1.2.4 冗余式母线结构

图7是带有交替供电电源的直流配电系统结构[26-27]，由罗马尼亚布加勒斯特理工大学提出。该结构将风光储、沼气等生物能发电及负载分别接入不同母线，在一条母线故障时，还可通过另一条母线给负载供电，保证了供电的连续性，故该系统也可看作冗余式母线结构。 冗余式母线结构，适合为对电能质量和供电可靠性要求较高的配电区域供电。

图7 带有交替供电电源的直流配电系统

1.3 高、低压配电母线的连接方式

由于直流配电系统中接纳了各种DER，根据系统运行管理方式的不同，高低压配电母线间能量的双向交互功能成为了现代柔性直流配电网发展的一个主要趋势[12]13。同时，高压配电母线与低压直流配电母线间的连接电路既可以采用传统工频连接方式，也可以通过高频链式连接技术来实现。

1.3.1 传统工频连接方式

传统工频连接方式通过工频变压器实现电压匹配和电气隔离[28-29]，通过电力电子变换器实现交直流转换，其工频变压器体积、质量、占地面积、损耗和噪声都较大，难以实现高功率密度、高效率的智能功率变换[30]。

1.3.2 高频连接方式

高频连接方式通过变换器中的高频变压器实现电压匹配和电气隔离[31]。本文借鉴文献[32]中新型并网UPS(Uninterruptible Power System)系统的拓扑结构，提出一种基于高频隔离的交直流连接电路，如图8所示：uAB是对uC进行正弦脉冲宽度调制(Sine Pulse Width Modulation, 简称SPWM)调制后产生的电压基波分量，其幅值、相位可控。通过控制uAB的幅值和相位就可控制LS两端的电压uL，进而控制交流侧输入电流iS的幅值和相位。通过PWM 整流馈电模块，保证较高的功率因数和较低的输入电流谐波含量[33-34]。

图8 基于高频隔的功率变换方案

通过控制uTH和uTL间的移相角φ，就能在连接电抗LT和隔离变压器T上产生近似于梯形波的高频交变电流，进而控制传输功率的大小和方向，达到电容C两端电压uC、低压直流配电母线电压uCD间的电压变换以及功率的双向传输。

若将n个图8所示结构在交流侧串联、直流侧并连接入系统，则交流侧输入电压提高n-1倍，直流侧输出电流提高n-1倍。因此，图8所示结构给将来直流配电系统的扩容提供了重要的参考依据[35]。

采用高频连接方式的功率变换系统(Power Conversion System，简称PCS)体积小、重量轻、成本低，便于系统升级扩容[36]；并可避免传统工频变压器由于铁心磁饱和造成的系统电压、电流畸变问题；若将开关频率提高到20 kHz以上，更可极大降低PCS的运行噪声[37]。同时，隔离变压器的使用，使交直流母线间存在电气隔离，提高了直流配电系统运行的安全性，利于直流部分的孤岛运行[38]。基于HFI的智能功率变换技术被普遍认为是下一代的电力电子电压和功率变换首选方案[39-40]。

1.4 分布式电源的组织形式

DER通常并联接入中、低压配电网，或在微网中独立运行，弥补了大规模发、输电的不足。不同种类的DER在容量、电压等级、可控程度、输出电源性质等方面存在差异，同时DER与母线间的接口电路也不尽相同，要根据实际情况对DER进行合理的优化选择与配置[41-46]。我国对DER的研究与应用起步较晚，但发展很快，出台了DER并网的Q/GDW480-2010标准，对接入容量、接入电压等级做出了具体规定，但没有直接规定DER接入后允许引起的系统电压变化范围[47]。

1.5 分布式电源及负载到低压配电母线的连接方式

与传统工频配电方式相比，虽然直流配电方式可以减少部分电力电子接口电路[48-49]的中间环节，但也不能完全省略，部分DER和负载与低压直流配电母线之间必要的电气隔离对保证系统的安全、可靠运行至关重要。因此，分布式电源及负载到低压直流配电母线间的具体连接方式还有待产学研各界深入研究。

2 直流配电系统的电压等级

如何科学、合理地选取和评价直流配电系统的电压等级[50-51]，是构建未来直流配网，以及保证直流配网健康、稳定运行和发展的重要研究课题。

目前，国内外学者对直流配网电压等级的研究主要集中在低电压序列，文献[52]以瑞典哥德堡市查尔姆斯理工大学电气工程学院现有配电系统为例，对以下四种直流电压等级进行了分析论证： DC 326 V是电力电子类用电设备的整流二极管输出电压，对应AC 230 V电压峰值；DC 230 V与AC 230 V具有相同的有效值，能匹配现有阻性负载；DC 120 V不需要间接电击防护装置，简化了系统结构；而DC 48 V基本上不需要任何保护措施[15]49。

为匹配我国现有电器设备的电压等级和工业用电标准，直流系统可从10 kV或市电380 V配网接入，采用DC 380 V和DC 220 V为负载供电，符合我国配电网现状，在将来配电网的规划、改造和建设中有着更大的发展、应用前景[11]24-25。事实上，DC 380 V标准已由日本学者于2009年12月提出，现已被美国电力科学研究院认可，并逐渐被业内接受[19]103。

3 对我国城市直流配网发展的建议

未来的城市配电网的发展将经过交直流混合配网共存的中间阶段，最终达到以纯直流环网为主体的网架结构[53]，本文就目前我国低压直流配电网发展建议如下：

(1)针对人口密度较大的城市中心区域，以现有交流配电网为载体，采用交直流同线馈送方式进行网络改造，在保证全网功率平衡的前提下，在特定区域分别为交、直流负载供电[54-56]。

(2)针对城市周边新兴住宅区和新建高新工业园区，建设以直流微网为核心的低压直流配电示范工程。分布式电源采用建筑一体化PV发电设备，通过升压变压器接入直流系统。主网停电时，在储能装置和柴油发电机的配合、辅助下，保证对用户的供电连续性[15]43。

4 结束语

由传统交流配电系统向直流配电系统过渡[57]是一个长期的过程。目前，低压直流配电系统仍有很大的研究及探索空间。研究面向工程应用的商业化大功率直流开关设备和智能功率变换系统对低压直流配电网的推广、普及影响深远。选择合理的系统运行电压等级和接地方式，开发灵活的控制、保护和故障诊断方法能够更好地保证系统经济、安全、稳定运行。2015年9月，国家发改委、国家能源局先后印发《加快配电网建设改造的指导意见》[58]及《配电网建设改造行动计划(2015-2020年)》[59]，顶层设计和行动目标明确，仅2015年配电网建设、改造配套投资就将达到3 000亿元。本次配电网建设、改造力度空前，政策与资金支持超过以往，这将极大促进配电系统网架结构的优化，促进整个配电系统格局的转型升级，同时也为直流配电系统的科学研究提供了巨大的政策支持和物质保障。

[1] 江道灼, 郑欢. 直流配电网研究现状与展望[J]. 电力系统自动化, 2012, 36(8): 98-104.

[2] 李澍森, 杨迎建, 吴夕科, 等. 配电技术概况及发展趋势[J]. 高电压技术, 2008, 34(1): 113-122.

[3] 吴素农,范瑞祥,朱永强,等.分布式电源控制与运行[M].北京:中国电力出版社,2012.

[4] 王丹, 毛承雄, 陆继明, 等. 直流配电系统技术分析及设计构想[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(8): 82-88.

[5] 周逢权, 黄伟. 直流配电网系统关键技术探讨[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(22): 62-67.

[6] SHAH S,HASSAN R, SUN J. HVDC transmission system architectures and control-A review[C]//Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), 2013 IEEE 14th Workshop on. IEEE, 2013: 1-8.

[7] 梁旭明, 张平, 常勇. 高压直流输电技术现状及发展前景[J]. 电网技术, 2012, 36(4): 1-9.

[8] 汤广福, 罗湘, 魏晓光. 多端直流输电与直流电网技术[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(10): 8-17.

[9] 汤广福, 贺之渊, 庞辉. 柔性直流输电工程技术研究, 应用及发展[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(15): 3-14.

[10] 徐政.柔性直流输电系统[M].北京:机械工业出版社,2012.

[11] 李富生,李瑞生,周逢权.微电网技术及工程应用[M].北京:中国电力出版社,2012.

[12] 宋强, 赵彪, 刘文华, 等. 智能直流配电网研究综述[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(25): 9-19.

[13] ELSAYED A T,MOHAMED A A, MOHAMMED O A. DC microgrids and distribution systems: An overview[J]. Electric Power Systems Research, 2015, 119: 407-417.

[14] HUANG A Q, CROW M L, HEYDT G T, et al. The future renewable electric energy delivery and management (FREEDM) system: the energy internet[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(1): 133-148.

[15] 雍静, 徐欣, 曾礼强, 等. 低压直流供电系统研究综述[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(7): 42-52.

[16] SALOMONSSON D, SANNINO A. Low-voltage DC distribution system for commercial power systems with sensitive electronic loads[J]. Power Delivery, IEEE Transactions on, 2007, 22(3): 1620-1627.

[17] BARAN M E, MAHAJAN N R. DC distribution for industrial systems opportunities and challenges[J]. Industry Applications, IEEE Transactions on, 2003, 39(6): 1596-1601.

[19] 吴卫民, 何远彬, 耿攀, 等. 直流微网研究中的关键技术 [J]. 电工技术学报, 2012, 27(1): 98-106.

[20] KAKIGANO H, MIURA Y, ISE T, et al. DC micro-grid for super high quality distribution—system configuration and control of distributed generations and energy storage devices—[C]//Power Electronics Specialists Conference, 2006. PESC'06. 37th IEEE. IEEE, 2006: 1-7.

[21] KAKIGANO H, MIURA Y, ISE T. Low-voltage bipolar-type DC microgrid for super high quality distribution[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2010, 25(12): 3066-3075.

[22] AGUSTONI A, BORIOLI E, BRENNA M, et al. LV DC distribution network with distributed energy resources: Analysis of possible structures[C]//Electricity Distribution, 2005. CIRED 2005. 18th International Conference and Exhibition on. IET, 2005: 1-5.

[23] 金红元, 邹云屏, 林磊, 等. 三电平 PWM 整流器双环控制技术及中点电压平衡控制技术的研究[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(20): 64-68.

[24] 胡存刚, 王群京, 李国丽, 等. 基于虚拟空间矢量的三电平 NPC 逆变器中点电压平衡控制方法[J]. 电工技术学报, 2009, 24(5): 100-107.

[25] 翁海清, 孙旭东. 三电平逆变器直流侧电压平衡控制方法的改进[J]. 中国电机工程学报, 2002, 22(9): 94-97.

[26] MAGUREANU R, ALBU M, PRIBOIANU M, et al. A DC distribution network with alternative sources[C]//2007 Mediterranean Conference on Control and Automation, MED. 2007, 7.

[28] GUERRERO J M, VASQUEZ J C, MATAS J, et al. Control strategy for flexible microgrid based on parallel line-interactive UPS systems[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2009, 56(3): 726-736.

[29] CHIANG H C, MA T T, CHENG Y H, et al. Design and implementation of a hybrid regenerative power system combining grid-tie and uninterruptible power supply functions[J]. IET renewable power generation, 2010, 4(1): 85-99.

[30] ZHAO B, SONG Q, LIU W, et al. Characterization and application of next-generation SiC power devices for high-frequency isolated bidirectional dc-dc converter[C]//IECON 2012-38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2012: 281-286.

[31] PEREDA J, DIXON J. High-frequency link: a solution for using only one DC source in asymmetric cascaded multilevel inverters[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2011, 58(9): 3884-3892.

[32] 赵彪, 于庆广, 王立雯, 等. 具有馈电功能的新型并网 UPS 系统及其分散逻辑控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(31): 85-93.

[33] 肖世杰. 构建中国智能电网技术思考[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(9): 1-4.

[34] 陈耀军, 钟炎平. 基于合成矢量的电压型 PWM 整流器电流控制研究[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(2): 143-148.

[35] 赵彪, 宋强, 刘文华, 等. 用于柔性直流配电的高频链直流固态变压器[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(25): 4295-4303.

[36] MI C, BAI H, WANG C, et al. Operation, design and control of dual H-bridge-based isolated bidirectional DC-DC converter[J]. IET Power Electronics, 2008, 1(4): 507-517.

[37] 宋强, 赵彪, 刘文华, 等. 智能电网中的新一代高频隔离功率转换技术[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(36): 6369-6379.

[38] MARNAY C,ROBIO F J,SIDDIQUI A S.Shape of the micro-grid[C]. IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, Columbus, OH, USA, 2001, 1:150-153.

[39] ZHAO B, SONG Q, LIU W. Efficiency characterization and optimization of isolated bidirectional DC-DC converter based on dual-phase-shift control for DC distribution application[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2013, 28(4): 1711-1727.

[40] INOUE S, AKAGIH. A bi-directional isolated DC/DC converter as a core circuit of the next-generation medium-voltage power conversion system[C]//Power Electronics Specialists Conference, 2006. PESC'06. 37th IEEE. IEEE, 2006: 1-7.

[41] 丁明,张颖媛,茆美琴. 微网研究中的关键技术[J]. 电网技术, 2009, 33(11): 6-11.

[42] VALLEM M R, MITRA J. Siting and sizing of distributed generation for optimal microgrid architecture[C]//Power Symposium, 2005. Proceedings of the 37th Annual North American. IEEE, 2005: 611-616.

[43] SEO G S, BAEK J, CHOI K, et al. Modeling and analysis of DC distribution systems[C]//Power Electronics and ECCE Asia (ICPE & ECCE), 2011 IEEE 8th International Conference on. IEEE, 2011: 223-227.

[44] 施婕, 郑漳华, 艾芊. 直流微电网建模与稳定性分析[J]. 电力自动化设备, 2010,38(2): 86-90.

[45] HAWKES A D, LEACH M A. Modelling high level system design and unit commitment for a microgrid[J]. Applied energy, 2009, 86(7): 1253-1265.

[46] 西安交通大学.微型电网快速仿真平台软件:2010SR034144[P]. 2010-03-28.

[47] 鲍薇, 胡学浩, 何国庆, 等. 分布式电源并网标准研究[J]. 电网技术, 2012, 36(11): 46-52.

[48] BICZEL P. Power electronic converters in DC microgrid[C]//Compatibility in Power Electronics, 2007. CPE’07. IEEE, 2007: 1-6.

[49] 邹三红, 裴玮, 齐智平. 分布式电源与微网互联通用接口单元[J]. 电力系统自动化, 2010,34(3): 91-95.

[50] PRABHALA V A K, BADDIPADIGA B P, FERDOWSI M. DC distribution systems-an overview[C]//Renewable Energy Research and Application (ICRERA), 2014 International Conference on. IEEE, 2014: 307-312.

[51] AZBE V, MIHALIC R. Distributed generation from renewable sources in an isolated DC network[J]. Renewable energy, 2006, 31(14): 2370-2384.

[52] 李政平. 交直流混合微电网运行优化及仿真分析[D]. 沈阳:沈阳工业大学, 2014.

[53] ISE T. Advantages and circuit configuration of a DC microgrid[C]//Proc. Symposium on Microgrids. 2006, 1.

[54] 康青, 马晓春, 叶卫华, 等. 直流配电网关键技术及展望[J]. 电气自动化, 2014, 36(1): 5-7.

[55] 崔晓丹, 于继来. 配电网交直流同线馈送方式的潮流分析[J]. 电力系统及其自动化学报, 2007, 18(6): 59-63.

[56] 崔晓丹, 于继来. 配电网交直流同线馈送方式[J]. 电机与控制学报, 2007, 11(1): 6-11.

[57] HAMMERSTROMD J. AC versus DC distribution systemsdid we get it right?[C]//Power Engineering Society General Meeting, 2007. IEEE. IEEE, 2007: 1-5.

[58] 国家发展和改革委员会.加快配电网建设改造的指导意见[M].北京:国家发展和改革委员会,2015.

[59] 国家能源局.配电网建设改造行动计划(2015-2020年)[M].北京:国家能源局,2015.

An Analysis on the Structure of the Low-voltage DC Power Distribution System

Wang Zhenhao, Cheng Long

(College of Electrical Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin Jilin 132012, China)

With regards to research status of DC power distribution networks in China and other countries, this paper analyzes in detail the power supply method of the high-voltage distribution bus contained in the structure of the power distribution system, the constitution form of the low-voltage DC power distribution bus, the connection type from the high-voltage to the low-voltage distribution bus, the organizational form of distributed generation, as well as the connection method between the distribution power source/load and the low-voltage distribution bus. Furthermore, it discusses the rational voltage grades suitable to the development of urban low-voltage DC distribution networks. Finally, under consideration of current grid conditions in China, it offers proposals for development directions of urban DC power distribution networks.

DC distribution; system structure; distributed generation; power conversion; voltage divider

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.024

TM76

A

1000-3886(2016)05-0074-05

王振浩(1964-)，男，山东潍坊人，教授，主要从事电力系统自动化的教学和科研工作。 成龙(1988-)，男，吉林吉林人，硕士生，主要研究方向为交直流混合配电网。

定稿日期: 2016-03-02