直流配电网在智慧城市中的研究

唐京瑞，段勋兴，汤 东，陈 勇

(1.重庆化工职业学院 机械与自动化工程学院，重庆 401220；2.国家电网公司广安供电局，四川 广安 638500)

0 引 言

智慧城市是利用信息与通信技术手段感测、分析和整合城市运行中各种需求并做出智能响应。随着智慧城市的深入发展，用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高。现有的交流配电网络将面临负荷和用电需求多样化、潮流均衡控制复杂化、分布式能源接入常态化以及电能供应过程中的安全可靠性、高效性和经济性等多方面的挑战。研究资料表明，在电能传输容量、安全可靠性及提高电能质量等方面，直流配电网相比现有的交流配电网具有更好的性能[1]。

随着近代电力电子技术的发展，越来越多的用电设备采用了AC/DC直流供电形式，如节能的变频技术、新能源电动汽车直流充电技术等。因此，直流配电技术的发展引起了国内外学者的广泛关注，对直流保护、接地方式、拓扑结构、负载模型及控制等方面进行了深入研究。

1 国内外直流配电网的研究现状

与交流配电网相比，直流配电网具有传输容量大、损耗小、节能等优势，国内外纷纷开展了直流配电网的研究。在2004年，日本科研机构提出了直流微电网的配电系统构想，并与2006年提出了一套双极性结构的直流微电网系统[2]。2007年，罗马尼亚的布加勒思特大学提出了一套具有交替供电电源的直流配电网系统，不仅可以接入风能和光伏等分布式电能，还可以接入沼气等生物能供电。同年，英国和瑞士也开展了利用新型功率变换技术，让分布式电源接入现有电网的功率流动管理课题。美国是研究直流电网较早的国家之一，相继提出了交直流分层配电连接的混合配电系统，为智能楼宇供电方案。除了日本、美国和欧洲等发达国家外，中国和韩国也开展了大量直流配电网的研究。2008～2014年，韩国投资约272万美元建立了直流配电网供电系统，对直流电分配、功率变换和控制通信技术方面进行了系统性研究。

2 直流配电网的特点与优势

随着智慧城市规模的发展，电网中的重要负荷、灵敏负荷以及非线性负荷比重越来越大。交流配电网面临着线路损耗、电压波动和谐波等问题，需要改变当前配电网结构以适应新的负荷形式。直流配电网具有电能质量高、供电容量大、线路损耗小等一系列优点，能够适应智慧城市负荷的变化，具有重要的研究意义。

2.1 直流配电网的电能质量

绿色节能与环保是智慧城市建设中的主题，光伏发电及其他分布式发电将占据供电电源的一部分。对于直流电网而言，接入分布式电源显然比交流配电网更容易。此外，直流配电网中的换流器不需要交流侧提供无功功率，能够起到稳定用户侧和母线侧电压的作用，从而提高供电质量。

2.2 直流配电网的供电容量

随着智慧城市的发展，用电负荷量必然增多，需要配电网络具备传输更多容量的能力。相关文献研究表明，在线路建设费用相同时，直流线路的传输功率约为交流线路传输功率的1.5倍，即采用直流配电网络输电能够有效提高输电容量[3]。

2.3 直流配电网的线路损耗

交流配电网在传输电能过程中，由于电缆金属涡流会产生大量有功损耗和无功损耗，而当直流系统线电压提高为交流的2倍时，直流配电网的线路损耗仅为交流配电网的15%～50%。虽然交流配电网中可以通过增加电容器等方式进行无功补偿，但考虑到整个系统建设的成本和复杂程度，直流配电网具有更大的优势。

3 直流配电网在智慧城市中的研究

3.1 直流断路器

直流断路器是在直流配电网中起着故障跳闸和保护作用的重要设备。根据电流开断方式，可以分为机械式直流断路器、固态直流断路器和混合式直流断路器。直流断路器性能的好坏，直接决定了整个直流配电网络的供电可靠性。目前，ABB等公司研发的机械式直流断路器已经广泛应用于地铁、船舰等直流配电工程。随着半导体器件的发展，性能更卓越的固态直流断路器和混合式断路器将在直流配电中得到广泛应用。

3.2 直流配电网的保护

直流配电网保护系统可以利用计算机通信设备、直流断路器、隔离开关等电气设备构建成完整的继电保护体系，及时清除线路中的故障。两端直流配电系统利用IEC61850快速通信系统[4]，具有可靠性高、灵敏性好、快速响应性高等特点，进一步提高了整个直流配电系统的保护性能。如图1所示，集成保护方案集快速通信和直流断路器的控制、保护功能于一体，是直流配电系统保护未来发展的主要方向。

图1 两端直流配电系统

3.3 建筑楼宇直流配电网的构成

在建筑楼宇直流配电网设计过程中，应充分考虑建筑楼宇的负荷特性。首先，建筑楼宇中设有信息数据管理中心，需要供电系统提供高可靠性的电能；其次，光伏和风力等分布式电源接入建筑楼宇直流配电网时，应考虑接入瞬间的冲击性电流，否则会引起保护装置的误动作。

采用双层直流配电线路拓扑结构，分别为直流380 V、24 V，如图2所示。上层电路可以接入光伏等分布式直流电源，下层线路可以为计算机、服务器等数据中心供电。两层配电线路由直流配电器连接，从而提高供电的可靠性，保证供电的安全运行。

图2 双母线系统结构

4 直流配电技术面临的关键问题

直流配电网技术仍处于研发的初级阶段，面临着亟待解决的关键技术问题，主要包括分布式电源的接入、直流配电系统接地方式以及电力电子装置限流能力等。

4.1 分布式电源接入

当分布式电源接入直流配电网时，配电系统由单端供电变成了多段供电，系统控制方式和拓扑结构均发生了改变，导致原有继电保护中的方向保护产生误动作。因此，在直流配电网保护配置过程中，必须考虑分布式电源接入的影响。

4.2 接地方式

直流配电系统的接地方式直接关系故障电流大小，发生故障时会产生很高的接地电压和接触电压，严重影响人身安全和设备安全。目前，许多直流配电系统采用不接地的方式，但是一旦发生故障，过电压将直接影响电气设备的绝缘性能。

4.3 电力电子装置限流能力

直流配电系统中有许多AC/DC、DC/AC变换电路。目前，电力电子元件过载能力小，保护设备的通断能力有限。随着负荷特性的变化，直流配电网对电力电子装置性能的要求变得越来越高。

5 结 论

随着电力电子元件的日益成熟，直流负荷在智慧城市建设中日渐增多，直流配电网技术在电网中起着至关重要的作用。虽然当前还面临着许多亟待解决的关键问题，但针对直流配电网技术的研究仍是值得继续探索的前沿课题。