直流配电系统技术分析及设计构想

龚发虎

摘 要：文章主要研究直流配电技术及其设计构想，分析了直流配电技术的发展现状和技术优势，并给出了一种直流配电系统设计方案构想。

关键词：直流配电系统；技术；设计

中图分类号： TM72 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）35-193-2

0 引言

电力系统快速发展，传统的交流配电技术不再满足需求，为了进一步提高配电运作效率、安全性和可靠性，为用户输送更高质量的电能，关于直流配电技术的研究逐渐增多，研究直流配电系统技术和设计策略是配电技术发展的必然方向。

1 直流配电技术

核电、水电、火电等传统发电技术在提供丰富电能资源的同时以消耗自然资源和环境污染为代价，清洁能源如风力发电、太阳能发电更加得到重视，但是风力发电和太阳能发电输出容量低，分布分散，接入电网面临着较多的技术问题，使用架空线路输送交流配电网故障率比较高，供电范围的限制比较大，可控性不强，随着电力系统规模的不断扩大，交流配电技术的不足逐渐凸显。

1.1 直流配电技术现状

直流电力传输技术经过多年发展已经逐渐成熟，积累了丰富的建设和运行经验，国内外电力输送中都有着较为广泛的应用，很多场合甚至只能使用直流传输技术。而配电方面，早期直流换流器功耗大，造价高，限制了直流技术的发展和应用。而近些年，新型半导体材料发展迅速，尤其是碳化硅、氮化镓等半导体材料，显著降低传统半导体换流器件的功耗，为直流配电技术的应用和推广提供了技术基础。荷兰能源研究中心在1997年就提出了住宅建筑的直流配电技术方案，国际能源机构和美国电力研究学会都表示高度重视，欧洲已经开始建设300V直流体育场试验项目，日本政府和新能源产业技术开发机构也组织相关企业、大学，积极开展住宅直流电技术的研究，建设了许多直流配电技术示范住宅项目。我国台湾地区能源研究机构推出的“智慧型直流电力屋”功能使用了360V额定电压直流电作为电力来源，德国亚琛大学的“City of Tomorrow”城市供电方案城市配电骨干线路为中低压直流环网，使用大功率AC/DC、DC/DC获取交流输电网、直流输电网电能，为城市规模的直流配电技术应用提供了优秀模板。韩国有关低压直流微电网的研究集中在能量管理控制系统方面，使用PSCAD模拟仿真，得出了一个科学的控制策略。国内关于直流配电技术的研究和应用主要包括大型发电厂升压变电站、高压变电站一次设备操作以及二次设备、通信设备电源等，除此之外，电信部门大型通信机房、船舶供电以及城市轨道交通供电也利用了直流供电技术。

1.2 直流配电技术优势

1.2.1 可靠性更高

直流配电技术可靠性高于相同电压等级的交流线路，双导线直流电路在直流配电系统正极线路故障时，负极会和大地形成闭合回路，将部分甚至全部功率输出，从而有效保护线路上的电气设备。单极、单相接地故障在所有故障中占据比例超过80%，相比之下，直流配电系统的故障响应速度更快，故障处理和恢复速度快，时间短，通过重复再启动、降压操作能够为处理故障提供良好的操作环境，电力电子变换器还能够将直流配电系统划分为若干独立区域，区域内故障不会影响其他区域的正常运行。

1.2.2 不存在频率稳定问题

交流配电系统配电运行需要考虑到频率、相位、电压幅值等多个技术参数，相比之下，直流配电系统只需要考虑电压幅值，配电运行操作更加简单直观。交流配电系统大电容电缆电能配送存在着电缆电容的充电情况，增加线路损耗，而影响线路输电容量。直流配电系统则无须考虑这些问题，同时还具有供电辐射范围广泛、电能质量高以及电源分布式互联等技术优势。

1.2.3 配电效率高

直流配电系统线路损耗比交流配电系统低，因为直流配电系统不会产生趋肤效应，也不会产生无功功率。直流配电系统的线路损耗集中在电力电子变换器上，而最新型号的直流变换器效率已经达到99%，并且随着半导体宽禁带电力电子器件的应用与快速发展，变换器效率还可以进一步提高。近些年，直流电负载越来越多，旋转式负荷、变频调速设备一同使用，为直流电技术提供了良好的使用需求。

2 直流配电系统设计构想

2.1 直流配电运行控制

变压器在交流配电系统和直流配电系统中都不可或缺，直流配电系统的内部电压等级转换同样依赖变压器等电能变换装置实现。直流配电系统电力电子变换装置结构形式多样，不同电压等级配电网、储能装置、分布式电源都需要借助变换器接入直连母线。直流配电系统变换器控制的基本要求有稳定性、容量、可靠性、冗余度、自动化、电压平稳以及优秀系统模块性能等方面。电压是直流配电系统的核心参数，是直流配电系统控制和运作的基本，直流配电系统控制的首要问题就是暂态与稳态工作状态下保持电压稳定。

2.2 网络结构优化

直流配电系统因为采用了不同的电能配送形式，其网络结构也和交流配电系统有较大的差别，建设并优化线路网络结构，是直流配电系统广泛应用和发展的关键。直流配电系统有着和交流配电系统类似的多级配电网络，彼此之间协调合作，其基本结构形式有闭环、辐射状和网状三种，不同的网络结构有着不同的建设成本和控制难易程度，需要根据应用情境和建设投资规模合理选择。我国交流配电网覆盖十分广泛，发展完善，拆除原有的交流配电网，大规模建设直流配电网是否值得还有待研究，理论上，应该首先积极建设交直流混合网，之后逐渐增加直流配电网规模，最后彻底取代交流配电网，这样的建设方式更加贴合实际。

2.3 直流配电开关/保护

开关在电力系统中的主要功能是分离故障线路区域，避免故障扩大，威胁其他区域正常线路和关键设备。直流电流没有自然过零点，因此分段难度大，导致直流开关设备技术难度远远高于交流系统，现阶段中低压直流配电开关已经能够实现数十千大容量直流开闭，但是设备造价十分昂贵，成本高，大规模应用难度很大。直流配电系统的故障类型和故障后果和交流配电系统相比都有着较大的不同，缺少相关研究资料和实践经验，可以肯定的是大量的电力电子装置会给直流配电系统的安全保护工作带来巨大挑战，如何充分发挥利用变换器快速通断能力，保护直流配电系统是直流配电系统需要首先解决的问题。

2.4 多级直流配电网络建设

直流配电系统同样需要设置多个电压等级控制线损，进行电能的远距离传输。多级直流配电网中多个不同电压等级的直流网之间相互协同，根据不同区域电能输送和分配需求进行电力调度，同时接入用户侧小型分布式电源和风力发电、太阳能发电大型分布式电源。直流网络不同级别直流电网相互解耦，故障电流能够利用电子电力变压器快速调节有效控制，从而进一步降低了直流配电网对开关的技术要求。当然现阶段全直流配电网技术不允许，但是配电网末端低压配电系统如进户线、楼宇供电系统已经能够直流传输。滞留多级配电网络直流母线电压等级更加安全，直接接在母线上的蓄电池效率更高，可靠性更好，而通过简单Buck变化器接入系统的PV电源变换效率更高，负极接地直流母线和220V交流母线之间形成了有效的电位隔离，且直流母线和交流母线之间支持双向功率流动，PV电源能量利用更加充分，交直流电负荷与供电可靠性都比较理想。

3 结语

直流配电系统能够进一步简化配电系统中的变换环节，从而进一步降低线损，获得更高的能源利用效率，研究直流配电系统，对全面提高配电运行效率、安全性、可靠性，降低故障率有着重要意义。

参 考 文 献

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