直流配電網的發展及優勢分析

李　超，王維慶，樊小朝，王海云，桑寶旭，馬新學

(新疆大學電氣工程學院，可再生能源發電與并網技術教育部工程研究中心，烏魯木齊 830047)

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直流配電網的發展及優勢分析

李超，王維慶，樊小朝，王海云，桑寶旭，馬新學

(新疆大學電氣工程學院，可再生能源發電與并網技術教育部工程研究中心，烏魯木齊 830047)

摘要：隨著分布式電源的快速發展及直流負荷的迅猛增長，交流配電網已經不再適應未來電網的發展，而直流配電網的優勢日益顯現。文中對直流配電網發展歷程進行了回顧，并以美國及日本的直流配電網為例對其結構進行了介紹，然后對交流配電網的弊端及直流配電網的優勢進行了重點闡述，結果表明，直流配電網優于交流配電網，具有經濟、高效、可靠等諸多優勢，是未來電網的發展趨勢。

關鍵詞：直流配電網；交流配電網；分布式電源；直流負荷

0引言

2015年末，國際能源署(IEA)發布的《世界能源展望2015》報告中指出，預計2040年全球能源消費增長三分之一。如圖1所示，報告對2013-2035年全球能源結構進行了預測，非化石能源占比將從現在的19%提高到25%，而化石能源中僅天然氣份額增加[1]。

圖1　1965-2035年一次能源的占比及2013-2035年　　　各類燃料增量[1]

德國在2011年5月30日宣布，德國將于2022年前關閉國內所有的核電站。德國將成為首個不再使用核能的主要工業國家。德國放棄核電技術，一方面迫于民眾和政治的壓力，而更重要的導火索是福島核事故。德國認為解決環境污染和核污染的潛在威脅，只有發展可再生能源一條道路，德國作為先驅者、探路人，放棄核能破釜沉舟發展可再生能源，值得世人深思。

我國國家電網公司在2012-2013年也先后印發《關于做好分布式電源并網服務的意見》以及其修訂版，鼓勵分布式電源發展，積極為分布式電源項目提供便利條件，開辟綠色通道，對并網的線路改造提供支持。可見，未來將有更多的分布式電源存在于城市電網中，如何有效利用這些分布式電源，既要防止分布式電源接入對原有電網的影響，又要方便分布式電源的接入，成為一項重要研究內容。

現有的配電網，將單個發電量較大分布式電源通過換流逆變器，或組建成交流微電網有再并入市電網。面對未來如雨后春筍般出現的分布式電源，以上兩種方法，都表現出了諸多弊端，將直流配電技術應用于配電網，許多問題將迎刃而解。

1直流配電網發展歷程及結構

1882年愛迪生在紐約珍珠街建成了世界上第一個發電廠，發電雖然只有30千瓦的容量，僅供照明使用，但這是第一次電力真正用在人類的生活中使用，完成了電力工業技術體系，全面推動了電力工業的發展。而起使用的是由蒸汽機驅動的直流發電機。其電力體系，從發出的直流電，經導線傳輸到直流負荷，完完全全是一個典型的直流配電網絡。

直流輸電雖然作為最初的寵兒，但受制于電力器件技術上的瓶頸，遠距離輸送和大容量電機制造的困難，導致采用直流配電的系統容量上不去，可靠性差，電力系統技術進展緩慢，逐步被交流配電網所替代。自20世紀50年代，大功率換流器件研究發展，高壓直流輸電再次登上歷史舞臺。1954年，自瑞典采用大功率換流器的高壓直流輸電(HVDC)工程商業應用。

100多年來，配電網被交流輸配電占據了壓倒性的優勢[2-3]。上文中所提及的都是直流輸電中的應用，而直流微電網則是近10年來的后起之秀。IGBT等電力電子器件和分布式電源的高速發展，為直流配電網的發展提供了先天性條件，電動汽車等大容量直流負載更是起到了巨大的推動作用。

由于當今世界快速發展，交流配電網逐漸顯露出瓶頸狀態，隨著光伏、風電、天燃氣發電等越來越多的分布式發電并入城市配電網，必須找到發展未來的智能型電網提供解決方案，直流配電網讓我們看到了曙光。

2007年，美國University of Virginia的CPES中心提出了SBI(Sustainable Building Initiative)計劃，主要研究未來建筑的直流供配電。3年后，隨著研究的深入，CPES中心將SBI發展為SBN(Sustainable Building and Nanogrids)，其系統結構[4]如圖2所示。

圖2　日本大阪大學提出的雙電極直流配電系統結構

2交流配電網的弊端

現有的配電網仍以交流配電網為主，交流電具有升降壓簡單，便于輸送等特點，在過去的100年中，發揮了不可磨滅的重要作用。一方面，然而隨著科技的進步，分布式電源已不再是遙不可及的電力工業領域獨有的東西，一些光伏發電，小型風機已經走進小型非電力企業，甚至個別家庭；另一方面，2015年國家大力補貼新能源汽車行業，大力推廣、刺激消費，其配套的智能充電樁陸續上線。這兩方面對于現有的交流配電網都帶來了沖擊。

(1)資源浪費方面。大量的分布式電源并網需要數量龐大的換流器，這些器件無疑是一種浪費，而且頻繁換流中所帶來的能力損失也不可避免。文獻[6]指出交流系統中無功在傳輸中存在自然損失，有功因為產生交替不變換二形成渦流，輻射，也同樣會造成能源損失。

(2)經濟成本方面。現有的交流配電網采用三相四線制，單從線材數量上相比直流配電網已經不占優勢。再從相同有效值電壓的交直流線路所需絕緣來看，交流線路所承載的電壓為直流的1.7倍，所以直流線路絕緣介質所需資金投資要更少。如圖3所示，文獻[7]提出一種將現有交流線路進行有限改造，改用可視為由一個雙極直流和一個單極直流并聯組成三極輸電系統，交改雙極直流時，增容15%~32%，而交改三極直流時，增容58%~82%，即三極直流較雙極直流多輸送37%的功率。

圖3　三極直流輸電結構示意圖

(3)供電可靠性方面。交流配電網中，因為要保證電網交流點三要素穩定同步，所有并網的同步發電機必須保證同步運行，防止出現發電機振蕩乃至失步。再者，從交流的發電，輸電和用電設備來看，容易產生諧波。這些諧波充斥在電網中，如不采取措施，將會引起嚴重的后果。

3直流配電網的優勢

直流配電網作為交流配電網的替代產品，它將無疑具有更多的優勢。

(1)直流配電網擁有更大的傳輸效率。一方面，相同條件下直流配電能有效提高配電容量或配電距離。假設交流配電網配電線路額定線電壓是VAC，額定線電流為IAC，功率因數cosφ=0.9 ，則其所能傳輸的額定功率為：

(1)

對雙線直流配電而言，設額定直流電壓為VDC，額定直流電壓為IDC，則所輸送額定功率為：

(2)

(3)

如果將原有的四相三線制改造為2條雙極性的直流配電線路，則直流配電電路的傳輸功率可為交流配電電路的2.094倍。

對于2線單相的交流線路(單相加零線)改造成單極直流配電線路則為式(3)，若使用雙極直流配電則傳輸功率還要增大1倍。

(4)

由以上分析得出，在不考慮改造成本的情況下，相當條件下直流線路的輸電能力高于交流線路。如果考慮交流線路的趨膚效應，此數據還會進一步改變。文獻[8]較詳細的討論研究了電纜在低壓交流和直流電能傳輸上的性能。

(2)更適于分布式電源和儲能裝置接入。根據分布式能源2006聯盟的報告，在丹麥分布式能源所占比例已經占到了5成以上，在芬蘭、德國、荷蘭、捷克已達4成，日本和印度也接近2成。現在應用較廣泛的分布式電源為光伏發電、小型風機、燃料電池等。光伏發電和燃料電池等分布式能源都發出的直流電。而現在小型風機，因為發出波動性較大的交流電，所以也多采用交直交的方式并入電網。如果并入直流微電網，則可以省略后一個逆變環節。所以說直流微電網更適于分布式電源的接入。大部分的儲能裝置所輸出的都是直流電，例如蓄電池、超級電容、飛輪儲能等，這些儲能裝置如果直接并入直流配電網，則能提高運行效率和穩定性。

(3)直流微網減少中間變換環節。大型寫字樓、實驗樓、研發中心等集中辦公場所，以及服務器，網絡中心等數據處理中心，采用交流電，則需在每個用電終端，進行一次整流變換，同時在轉換過程中一些電能的損失以熱能的方式散發出來；如果采用直流供電，則可以減少大量整流變壓器，相應減少轉換中散發出的熱量，減少換氣扇、空調的資金投入。同理，對于，其他分散用電設備內部，如日光燈、節能燈、LED燈等照明系統，電視機、機頂盒、路由器等視聽設備都離不開交直變換。有轉換就存在轉換效率的問題，這就意味著會有能量損失。隨著技術的成熟、成本的下降，大量的變頻電器走入百姓生活，如變頻冰箱、變頻空調、變頻洗衣機，為了達到變頻低功耗，其內部的實質就是交直交的變換過程。如果采用直流配電網，則可以直接進行DC-AC轉換，減少中間環節以為著減少能量損失。

(4)大容量直流負荷增多。上述所講述的都是一些分散的家用的電氣設備。作為直流配電網發展的推動者之一，電動汽車、混合動力汽車的充電樁陸續投入使用。2015年底，國家電網公司成立全資子公司，國網電動汽車服務有限公司，冊資本30億元。作為國家電網公司直屬單位，公司定位于履行央企社會責任，落實國家能源戰略、大氣污染防治和節能減排政策，推動電動汽車產業加快發展。北汽新能源車發表在公開報道中提出，近兩年低碳環保的新能源車愈發受到北京市民的青睞，2016年內北汽新能源車在私人及公共領域的銷售預計達到4.5萬輛，北汽預計將銷售3至3.5萬輛私人新能源車，增加私人充電樁2.5萬個。政府以及其他公共領域預計銷售1萬輛，安裝充電樁五六千個。也就是說，2016年，北汽預計新建充電樁3萬個。單從北汽發展規劃來看，就新增3萬個充電樁，那結合國內外其他新能源汽車的增長速度，直流充電樁的負荷將成井噴式增長。

(5)高要求的負荷更需要。目前國內各行各業面臨的洗牌，淘汰功耗大、效率低的企業，鼓勵發展高效能、高技術的企業是歷史必然，對電能的質量要求越來越高。對于敏感負荷，都采用了交流UPS供電系統，例如在通信網絡中，使用UPS已經非常普遍，從單臺計算機設備發展到業務終端、網絡服務器、網絡設備、數據存儲乃至整個通信網絡。從小型交流UPS分散供電，發展到大型UPS集中供電，從n+1并聯冗余熱備份系統，乃至雙總線交流系統等供電方式保證系統的可靠性。交流供電系統的基本結構如圖5[9]所示。

4結束語

文中以美國及日本的直流配電網對直流配電網的結構進行了研究，對比分析了交流配電網的弊端以及直流配電網的優勢，直流配電網具有傳輸效率高、容量大、電能質量高，適合于高要求的電網，而且有利于分布式電網以及儲能技術的發展。綜上，面對未來的負荷變動和分布式電源的發展趨勢，直流配電網可以滿足多方需求、消納分布式電源，供給大容量直流負荷，提供高要求的電能供給。因此，直流配電網將是我國配電網的發展趨勢。

參考文獻

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Research on the Development and Advantage of DC Power Distribution Grid

Li Chao, Wang Wei-qing, Fan Xiao-chao, Wang Hai-yun, Cang Bao-xu，Ma Xin-xue

(College of Electrical Engineering, Ministry of Education Engineering Research Center of Renewable Energy Power Generation and Grid Technology, Urumqi 830047,China)

Abstract:With the rapid development of distributed power supply and the rapid growth of DC load, the AC distribution grid is no longer suitable for the development of the future power grid, and the advantages of DC power distribution grid is becoming more and more obvious. The development trend of the future power grid, the development process of the DC distribution grid were reviewed, and in the United States and Japan, DC power distribution grid as an example on the structure are introduced, and advantages of AC power distribution of malpractice and DC distribution grid has carried on the key elaboration. The result in this paper shows that, DC power distribution grid is better than that of AC power distribution grid, with economic, efficient, reliable, and other advantages.

Key words:DC power distribution grid; AC power distribution grid; distributed power supply; DC load

中圖分類號：TK-9

文獻標志碼：B

文章編號：1009-3230(2016)03-0034-05

作者簡介：李超(1988-),男,碩士生，從事能源開發利用研究。

基金項目：新疆科技廳重點實驗室項目(2015KL020)；教育部創新團隊(IRT1285)；國家自然科學基金(51267019、51106132)；新疆大學博士創新項目(XJUBSCX-201223)

收稿日期：2016-02-11

修訂日期：2016-02-18

doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2016.03.009