直流配電網現狀研究與展望

陳君堯 蔡捷 陳澤賢 何偉建 張猛

摘要：隨著電力電子技術的發展，與交流配電網相比，直流配電網已在許多領域取得了技術和經濟優勢，具有廣闊的發展前景。我們了解了直流配電網的發展，拓撲結構和優勢，總結了直流配電網研究中有關電壓選擇、控制技術、保護和故障分析狀態的關鍵問題和相關研究，并比較了交流和直流的分布。系統的可靠性和效率，以及直流配電網的發展前景。

關鍵詞：配電網;直流配電網;分布式電源;控制;電力設備

近年來，隨著經濟發展和社會進步，電力負荷迅速增加，電力需求和電力質量需求持續增長。首先，電力電子技術的飛速發展。越來越多的分布式能源（例如光伏能源、風能和電動汽車）已連接到電網，并且基于直流電和工業變頻技術的使用使許多家用電器得到普及。在新能源的分布式獲取，負荷的多樣化，能源系統的復雜結構，能源供應的穩定性和高效率方面面臨著巨大的挑戰。同時，由于城市內部規劃與能源系統規劃的長期分離，使得配電網的結構與負荷的發展不兼容，這使得配電網的規劃，開發和供電質量越來越不適合城市發展的需要。簡而言之，傳統的配電網絡和電力供應方法越來越無法滿足快速發展的經濟和社會的要求，這些要求更加環保，更安全，更可靠，更經濟。

國外研究表明，與交流配電網相比，直流配電網在吞吐量，系統可控性和電能質量方面具有更高的性能，可以有效降低電力電子轉換器的使用頻率，提高電能質量，充分協調兩者之間的矛盾。分布式電源，各種負載和重視分布式能源的電力系統。本文首先詳細介紹了直流配電網的發展，網絡結構，特點和優勢，然后總結了直流配電網在電壓選擇，操作控制，保護和基本設備方面存在的問題。配電網的可靠性和經濟運行研究。

一、直流配電網的驅動力

（一）直流供電技術的發展

當電力系統的輸配電系統首次出現時，首先將直流電用作主要的能量傳輸方法，但是由于當時的技術水平有限，由于電壓轉換困難且產量低，直流電系統逐漸被交流電系統所取代。

自20世紀以來，功率半導體器件的飛速發展導致了功率電子技術的創新。直流電源技術的優勢已逐漸回歸，在數據中心，船舶電源和電動汽車等特殊領域的應用和開發中發揮了主導作用。

（二）分布式電源發展的推動

自1970年以來，能源短缺和環境污染日益嚴重。分布式能源系統由于其靈活性和易用性而受到廣泛關注。同時，由于分布式電源訪問，配電網絡已從活動網絡上的簡單負載發生了變化。

常見的分布式能源包括光伏電池，風力渦輪機，燃料電池和儲能設備。這些能源產生的功率是恒定電流，或者可以在簡單轉換后轉換為直流電。因此，將分布式電源集成到直流配電網絡中可以節省許多交換鏈路。例如，光伏能量是直流電，必須使用直流電到直流電的兩級轉換以及直流電到交流電的兩級轉換，將其轉換為交流電配電網。如果將其集成到DC配電網絡中，則僅需要DC到DC的單級轉換。表1列出了連接到共享的分布式電網所需的交換通道。

（三）多樣性負荷發展的推動

隨著電力電子技術的發展，用電方式發生了重大變化，例如，變頻技術已廣泛用于空調、洗衣機、電冰箱等產品中。在交流配電網絡中，上述電力負載必須通過交流/直流DC/AC2級轉換，在DC配電網中進行頻率轉換僅需要DC/AC轉換。

另外，大量的智能電氣設備主要基于直流電源。在交流配電網絡中，需要將交流電額外轉換為直流1級，而對于直流配電網絡，則無法通過轉換來提供能量，從而減少了中間損耗并節省了成本。表2列出了正常負載所需的換流通道。

（四）配電網升級改造的需求

隨著城市建設的不斷發展，對供電系統和供電系統的線性通道的限制也逐漸增加，隨著城市化的快速發展，城市規模和人口的增長提供了更多的電力和配電網絡容量。嚴格的要求、有限的供電走廊限制了現有配電網絡的擴展，并且越來越長的電力線將為配電網絡的安全可靠供電提出新的挑戰。

二、配電網發展過程中所存在的問題

配電網在電力系統中起著極其重要的作用，其結構的質量取決于電源是否穩定，還決定著降低損耗的效果是否受到損害。如果要減少配電網的損耗并節省能源，則首先需要改進的是配電網本身的結構。通過糾正設計結構中的缺陷和不足，可以使用科學設計來制訂合理的計劃。網絡的改造使結構設計逐漸趨于合理化，可以滿足減少損耗，節約能源的需要。

在設計配電網結構的過程中，環形網結構的使用是現階段最合理、最有效的解決方案，從節能效果和可行性上滿足使用的需求。設計的可靠性提出了更嚴格的要求，可以使用兩個電源和自己的投資來實現。

配電網絡設計應同時考慮城市的規劃和設計要求，同時全面考慮節能和使用。該項目應與城市規劃相一致。根據不同的城市規劃，劃分了不同的能源供應區域，提供了最佳的電網分配。

三、直流配電網的特點和優勢

（一）傳輸容量大

對于電源系統、直流電源技術和交流電源技術之間最顯著的區別是它具有明顯的帶寬優勢。根據研究，在相同的建造成本和相同的空間環境下，直流輸電容量是交流輸電容量的1.5倍。通過充分利用導線的橫截面，可以減少能量傳輸過程中的線路損耗，從而提高傳輸效率。

（二）電能質量高

諸如半導體微電路之類的技術在日常生活中的廣泛使用也對電能質量提出了更嚴格的要求，在傳統的交流配電網絡中，這可能會產生電壓突降和其他影響，從而嚴重干擾其正常運行。用法與交流配電網絡不同：在直流配電網絡中，由于使用了分布式儲能設備，其提供的電壓更加穩定，從而避免了突然下降的影響。為了提高直流配電網絡的穩定性，它還使用交流電源，其目的是穩定交流側的電壓。

（三）系統穩定性好

與交流電相比，直流配電網的頻率更加穩定，避免了運行和使用過程中無電之類的問題。同時，電力電子設備還具有故障隔離功能，可避免電網干擾而妨礙電網運行，從而使直流系統更加穩定。

（四）有助于分布式能源的接入

分布式電源的配置非常復雜，由風力渦輪機、燃料電池、太陽能電池和微型燃氣輪機組成，而直流配電網絡簡化了接入過程。簡化了通過諸如電動汽車之類的配電網絡直接使用電力的過程，并大大提高了分布式能源訪問的效率。

四、直流配電網的關鍵技術

（一）運行和控制

在直流電網的運行過程中，功率電子轉換器之間存在能量相互作用，并且轉換器的運行條件在不同的運行周期中是不同的。直流電網控制技術對于確保直流電網的穩定運行特別重要。DC配電網本身具有簡化的上層和復雜的下層的特征。控制系統需要以此為出發點，并考慮到諸如電網調度級別之類的影響因素，將電網的控制劃分為系統級別、微電網水平和單元水平。

（二）關鍵設備

由于直流配電網的主要組件是穩定運行和保證的基礎，因此直流配電網的建設和開發需要加強以下設備的研發：

直流變壓器。直流變壓器是直流配電網絡中電壓轉換的關鍵。像在交流配電網絡中一樣，變壓器本身應具有轉換高低壓的能力。除了具有良好的電壓轉換能力外，變壓器容量也具有較大的容量。需要滿足直流配電網的需求。

直流斷路器。直流斷路器在直流配電網絡中提供故障隔離。簡而言之，直流斷路器是直流配電網安全運行的重要保證和基礎。隨著技術的發展，直流斷路器已開始在低壓直流電下運行。其廣泛用于配電網絡中，其開發和研究對于配電線路的使用和保護非常重要。

直流插件開關。對于低壓直流配電線，在連接和斷開過程中會產生較大的電弧，這對開關有嚴格的要求，但是在此階段使用的開關不能直接應用于此過程。加強這一領域的發展將促進直流配電網絡的發展。

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