深度 | 低压直流供电技术研究综述及工程案例

由于直流输电技术水平的限制，直流输配电比交流方式更难实现，现今的电力系统仍以交流输配电为主。近年来，随着电力电子技术的发展，直流输配电面临的技术问题得到了逐步解决，直流系统的技术优势也已呈现。相比于交流系统，直流系统可以显著提高输配电运行水平，使输配电更简单、高效，并且降低了输配电成本。

在电力用户侧，光伏发电、储能电池和现代电力电子负载等直流终端大量接入，使得直流供电系统比交流系统更具优势。大部分可再生能源发电系统为直流电源，如光伏电池和燃料电池。虽然风力发电机是交流电机，但其需要经过交-直-交变换才能通过交流并网，而通过直流并网可以避免双变换，使风电系统并网更加方便和高效。电视、LED灯、电话、电脑等现代电力电子负载内部都是直流负载，未来电动汽车的普及将会增加直流供电需求，促进直流供电发展。

可见，直流供电技术的发展，主要受直流技术优势的内在驱动，以及分布式能源和直流负荷发展的外在促进。本文首先介绍直流供电技术发展现状，然后分析直流供电的关键技术和设备研制情况，最后整理了直流供电的工程研究与应用情况。

2.直流供电技术现状

2.1 低压直流技术发展情况

19世纪80年代，安迪生电力照明公司利用“巨汉号”直流发电机给上千只白炽灯供电，形成了直流供电技术的雏形。

到20世纪末，低压直流配电已成功应用于数据通信中心、航空、舰船和城市轨道交通等对供电质量要求较高的领域。

2010年，美国弗吉尼亚理工大学提出SBN(sustainable building and nanogrids)系统，该系统有DC 380V和DC 48V2个电压等级。美国北卡罗来纳大学提出了用于接纳和管理新能源的FREEDM(the future renewable electric energy delivery and management)的交直流混合配电网，英国、瑞士和意大利等国学者提出了类似功能的UNIFLEX-PM(universal and flexible power management)系统。

国内，浙江大学承担的"863"项目"基于柔性直流的智能配电关键技术研究与应用"中，在直流配电网的基本框架、电源接口、换流器配置和经济性等方面开展了研究。国家电网公司也开展了直流供电技术研究，江苏省电科院已成立了交直流混联、风光储一体化的新能源及智能配网协调控制实验室，开展分布式新能源并网及交直流混联电网等方向的研究。

2.2 直流电压等级及供电标准

直流供电的电压等级及序列关系到电网安全性、经济性、负荷适应性等关键问题，对电网的未来发展有重要影响。通信、交通、船舶和航空等特殊行业直流负荷较小，对供电可靠性要求高，且有电能存储的需求，因此较早地采用了直流供电系统，其中通信、船舶业采用的电压等级较多。各行业直流电压等级如图1所示。

图1 各行业直流电压等级

表1 中低压直流供电系统电压等级序列

国际标准方面，多个国际组织开展了直流电网 相关研究工作，中国在低压直流标准制定方面起着 重要作用。国际电工委员会(International Electro-technical Commission,IEC)成立了研究小组TC-57，研究未来直流电网的管理和信息交换问题。2017年1月IEC设立了低压直流供电委员会(SyCLVDC)，研究低压直流的应用场景、可行性和安全性等内容，同年10月低压直流配网工作组(IEC TC8 WG9)成立，由江苏电科院主导召集，开展低压直流配网的标准化工作。

3.直流供电关键技术

3.1 直流配电网协调控制技术

直流配电网控制按系统级别可分为单元级、微网级和配网级。总得来说，目前电力电子变换器的单元级和直流微电网层面研究较多，配网层面的研究较少，需要在前两者基础上研究相关的直流配网控制理论和技术，以支撑直流配电网发展。

(1)单元级控制

在直流配电网中，单元级控制主要是电力电子变换器的控制。根据微电网和配电网运行要求，各变换器对电压、电流和功率进行控制，以保证各单元及系统正常工作。

(2)微网级控制

直流配电网中微网级控制，主要可以分为母线电压控制和电能质量管理两类。

(3)配网级控制

配网级控制研究包括分布式电源发电预测与负荷预测技 术，基于直流的多端、多电压等级配电网运行控制技术，直流配电网经济优化调度方法以及直流配电网双向潮流最优控制技术等。

3.2 直流配电网保护技术

由于接入了多元化的分布式电源、负荷、储能，直流配电系统存在多种不同的运行状态。同时，直流配电网在电气特性及测量方式等根本性技术上跟交流配电网完全不同，没有低成本、可商业应用的大容量直流断路器，相关直流保护技术和装备既缺乏标准，也缺少运行经验。因此，直流配电系统保护配置面临诸多挑战。

(1)直流配电系统故障类型

直流配电网中存在大量电力电子装置，且靠近用户终端，故障复杂多样，直流配电网除了存在短路、接地故障和绝缘下降不正常运行情况外，还存在交直流混接、直流环网等故障。

表2 中低压直流配电系统故障类型

(2)直流主动保护原理和组成

主动保护基于电力电子变换器的拓扑结构和控制原理，将保护动作“融于”变换器控制逻辑，基于多重保护策略，有效利用电力电子变换器的隔离单元和电力电子器件来实现直流配电系统中多种故障的自然隔离和严重故障回路的开断，防止轻微故障发展为严重故障，最大限度保障系统正常运行。

表3 主动保护的类型

(3)直流配电网的保护设备

目前，直流断路器的开断方法主要有增大电弧电压法、分段串接入限流电阻法、磁场控制气体放电管断流法、迭加振荡电流法、电流转移法等。基于这些方法，国内外对各容量等级的直流断路器进行了研究和测试。目前400V以下的低压直流断路器已经工业化应用，而中高压直流断路器的研发虽取得了一些突破，但距工业化应用还有距离。另外，常用的交流型多功能接线板和插头应用于低压直流配电网时，接合与断开的瞬间会产生较大的电弧，带来安全隐患。因此，直流开关、直流插头和插座的研发，是推动直流配电网普及应用的基础性工作。

3.3 直流配电网电能质量控制

直流配电网没有交流系统中的电压相位和频率问题，其电能质量主要指有功功率与电压平衡，典型电能质量问题有直流电压暂降与暂升、电压偏差、电压波动、直流调制谐波等。

(1)直流电压暂降与暂升。直流配电网中微电源输出功率的突变、负荷的瞬间接入或脱落、微电网并离网切换、交流侧系统电压中断等瞬态变化均可能引起直流馈线电压的暂降或暂升。

(2)直流电压偏差与波动。有功不平衡是引起直流配电网电压偏差的根本原因，微电源出力、运行方式、网络结构以及负荷等发生变化都会产生不同程度的有功功率不平衡，引起配电网电压波动。

(3)直流调制谐波。直流配电网内多源多变换设备是多种类型的谐波源，会以不同的方式向电网注入谐波。

直流配电网电能质量控制的方法主要有：利用附加设备进行针对性治理，利用微电源参与功率平衡调节和利用电力电子接口控制算法改善配电网运行环境。

4.直流供电关键设备

4.1 AC/DC变流器

AC/DC变流器是直流配电网的基础设备，其控制效能直接影响直流配电网的稳定运行和直流功率的协调分配，变流器主要分为电流源型和电压源型两种。

电流源型变流器在高压远距离直流输电中具有明显技术优势，在直流输电工程中大量应用。但在直流配电网中，由于网络端数繁多，潮流反转频繁，给电流源型换流器的应用造成极大的不便。

随着电力电子器件及控制技术的进步，电压源型变流器迅速发展，三相两电平、多电平是目前工程中采用较多的变流器拓扑结构。

4.2 电力电子变压器

电力电子变压器是一种具有变压器功能的电力电子变换器，集电气隔离、电压变换、能量传递等功能于一身，可实现交直流互联和接入功能。目前电力电子变压器已是国内外研究热点，在电路拓扑、控制以及样机研制上均取得了一定成果，各机构电力电子变压器指标如表4所示。

表4 电力电子变压器指标对比

4.3 低压直流断路器

直流断路器是关系直流配电网保护和安全运行的关键设备，对系统灵活运行、防止故障范围扩大有重大意义。直流断路器按照开断原理可分为机械式、全固态式和混合式3种。机械式直流断路器具有可靠性高、成本低、通态损耗小等优点，但开断速度慢、可控性不强;全固态式直流断路器的优势在于动作速度快、可控性强，但现阶段成本较 高，通态损耗较大;混合式直流断路器结合机械开关良好的静态特性与电力电子器件良好的动态性能，理论上具有开断时间短、通态损耗小、无需专用冷却设备等优点，但结构复杂、技术难度大、成本最高。

5.直流供电工程研究与应用

随着电力电子技术的发展，直流供用电通常与电力电子变流器共同出现，由于其高可控性、可靠性及经济性，现今涉及到直流供用电的工程通常与柔性直流、能源互联网相关。

5.1 国外典型工程研究

2011年美国北卡罗来纳大学提出了FREEDM系统结构，系统包含有400V直流母线和120V交流母线即插即用接口，提出了智能能量管理(Intelligent energy management ,IEM)装置，又称为能量路由器，用于连接12KV中压交流配电母线和DC 400V及AC 120V低压配电母线。

日本大阪大学2006年提出了一种双极直流微电网系统结构，系统通过6.6KV配电网获取230V交流电，经双向整流变换为±170V直流电压。230V交流母线上接入1台燃气轮机，直流母线上通过DC/DC变换器接入超级电容器、光伏电池等分布式电源。

芬兰Elenia Oy公司设计的交直流配电网典型 结构见图2。该典型结构从中压交流20 KV线路上引出分支线，先通过20/0.63 KV配电变压器降压到低压交流0.63 KV，并经过整流换流器升压到低压直流900 V，再通过低压直流900V配电线路输送给用户，在用户侧经过逆变换流器转换成低压交流500~600V，再通过500~600/400V低压隔离变压器输出交流400V为终端用户供电。

图2 芬兰交直流配电网典型结构

德国亚琛大学已经建成10KV直流配电网实际工程，开展了中压直流环网配电系统、10KV中压直流配电在校园的试验性研究等6个直流配电研究专题。

5.2 国内典型工程

国家电网公司在直流供电技术研究的基础上，开展了苏州工业园区主动配电网应用示范区的建设，其中基于柔性直流互联的交直流混合主动配电网技术应用示范工程由±20KV柔性直流互联系统和分布式光伏、分布式风电、微型燃气轮机、蓄电池、电动汽车充换电负荷、用户侧分布式储能、直流微电网等可控单元组成，总体架构见图3。

图3 苏州交直流混合主动配电网总体架构

6.结语

直流配电网是推动智能电网建设，解决能源、环境危机的关键，利用直流配电网技术优势，可支持高渗透率分布式可再生能源消纳，提高配电系统的可靠性、稳定性和经济性，构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系。本文介绍了直流供电技术发展现状，直流电压等级及供电标准情况，重点分析了直流配电网协调控制、保护和电能质量控制等关键技术，以及AC/DC变流器、电力电子变压器和低 压直流断路器等关键设备的研制情况，最后梳理了国内外直流供电工程研究与应用情况。

目前直流供电的研究仍处于试验探索阶段，直流供电标准规范正在加紧制定，还存在大量问题尚未解决，供电技术研究集中在直流微电网层面，关键设备性能还不能满足应用需求，缺少实际工程应用。随着能源变革的发展和技术研究的深入，直流供电将凭借强大的技术和经济优势快速发展，对未来的能源结构产生巨大影响。