由于直流輸電技術(shù)水平的限制，直流輸配電比交流方式更難實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)今的電力系統(tǒng)仍以交流輸配電為主。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流輸配電面臨的技術(shù)問題得到了逐步解決，直流系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)也已呈現(xiàn)。相比于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)可以顯著提高輸配電運(yùn)行水平，使輸配電更簡(jiǎn)單、高效，并且降低了輸配電成本。

在電力用戶側(cè)，光伏發(fā)電、儲(chǔ)能電池和現(xiàn)代電力電子負(fù)載等直流終端大量接入，使得直流供電系統(tǒng)比交流系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)。大部分可再生能源發(fā)電系統(tǒng)為直流電源，如光伏電池和燃料電池。雖然風(fēng)力發(fā)電機(jī)是交流電機(jī)，但其需要經(jīng)過(guò)交-直-交變換才能通過(guò)交流并網(wǎng)，而通過(guò)直流并網(wǎng)可以避免雙變換，使風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)更加方便和高效。電視、LED燈、電話、電腦等現(xiàn)代電力電子負(fù)載內(nèi)部都是直流負(fù)載，未來(lái)電動(dòng)汽車的普及將會(huì)增加直流供電需求，促進(jìn)直流供電發(fā)展。

可見，直流供電技術(shù)的發(fā)展，主要受直流技術(shù)優(yōu)勢(shì)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)，以及分布式能源和直流負(fù)荷發(fā)展的外在促進(jìn)。本文首先介紹直流供電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，然后分析直流供電的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備研制情況，最后整理了直流供電的工程研究與應(yīng)用情況。

2.直流供電技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 低壓直流技術(shù)發(fā)展情況

19世紀(jì)80年代，安迪生電力照明公司利用“巨漢號(hào)”直流發(fā)電機(jī)給上千只白熾燈供電，形成了直流供電技術(shù)的雛形。

到20世紀(jì)末，低壓直流配電已成功應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信中心、航空、艦船和城市軌道交通等對(duì)供電質(zhì)量要求較高的領(lǐng)域。

2010年，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)提出SBN(sustainable building and nanogrids)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有DC 380V和DC 48V2個(gè)電壓等級(jí)。美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)提出了用于接納和管理新能源的FREEDM(the future renewable electric energy delivery and management)的交直流混合配電網(wǎng)，英國(guó)、瑞士和意大利等國(guó)學(xué)者提出了類似功能的UNIFLEX-PM(universal and flexible power management)系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)承擔(dān)的"863"項(xiàng)目"基于柔性直流的智能配電關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用"中，在直流配電網(wǎng)的基本框架、電源接口、換流器配置和經(jīng)濟(jì)性等方面開展了研究。國(guó)家電網(wǎng)公司也開展了直流供電技術(shù)研究，江蘇省電科院已成立了交直流混聯(lián)、風(fēng)光儲(chǔ)一體化的新能源及智能配網(wǎng)協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)室，開展分布式新能源并網(wǎng)及交直流混聯(lián)電網(wǎng)等方向的研究。

2.2 直流電壓等級(jí)及供電標(biāo)準(zhǔn)

直流供電的電壓等級(jí)及序列關(guān)系到電網(wǎng)安全性、經(jīng)濟(jì)性、負(fù)荷適應(yīng)性等關(guān)鍵問題，對(duì)電網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展有重要影響。通信、交通、船舶和航空等特殊行業(yè)直流負(fù)荷較小，對(duì)供電可靠性要求高，且有電能存儲(chǔ)的需求，因此較早地采用了直流供電系統(tǒng)，其中通信、船舶業(yè)采用的電壓等級(jí)較多。各行業(yè)直流電壓等級(jí)如圖1所示。

圖1 各行業(yè)直流電壓等級(jí)

表1 中低壓直流供電系統(tǒng)電壓等級(jí)序列

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方面，多個(gè)國(guó)際組織開展了直流電網(wǎng) 相關(guān)研究工作，中國(guó)在低壓直流標(biāo)準(zhǔn)制定方面起著 重要作用。國(guó)際電工委員會(huì)(International Electro-technical Commission,IEC)成立了研究小組TC-57，研究未來(lái)直流電網(wǎng)的管理和信息交換問題。2017年1月IEC設(shè)立了低壓直流供電委員會(huì)(SyCLVDC)，研究低壓直流的應(yīng)用場(chǎng)景、可行性和安全性等內(nèi)容，同年10月低壓直流配網(wǎng)工作組(IEC TC8 WG9)成立，由江蘇電科院主導(dǎo)召集，開展低壓直流配網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

3.直流供電關(guān)鍵技術(shù)

3.1 直流配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)

直流配電網(wǎng)控制按系統(tǒng)級(jí)別可分為單元級(jí)、微網(wǎng)級(jí)和配網(wǎng)級(jí)?？偟脕?lái)說(shuō)，目前電力電子變換器的單元級(jí)和直流微電網(wǎng)層面研究較多，配網(wǎng)層面的研究較少，需要在前兩者基礎(chǔ)上研究相關(guān)的直流配網(wǎng)控制理論和技術(shù)，以支撐直流配電網(wǎng)發(fā)展。

(1)單元級(jí)控制

在直流配電網(wǎng)中，單元級(jí)控制主要是電力電子變換器的控制。根據(jù)微電網(wǎng)和配電網(wǎng)運(yùn)行要求，各變換器對(duì)電壓、電流和功率進(jìn)行控制，以保證各單元及系統(tǒng)正常工作。

(2)微網(wǎng)級(jí)控制

直流配電網(wǎng)中微網(wǎng)級(jí)控制，主要可以分為母線電壓控制和電能質(zhì)量管理兩類。

(3)配網(wǎng)級(jí)控制

配網(wǎng)級(jí)控制研究包括分布式電源發(fā)電預(yù)測(cè)與負(fù)荷預(yù)測(cè)技 術(shù)，基于直流的多端、多電壓等級(jí)配電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)，直流配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度方法以及直流配電網(wǎng)雙向潮流最優(yōu)控制技術(shù)等。

3.2 直流配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)

由于接入了多元化的分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能，直流配電系統(tǒng)存在多種不同的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，直流配電網(wǎng)在電氣特性及測(cè)量方式等根本性技術(shù)上跟交流配電網(wǎng)完全不同，沒有低成本、可商業(yè)應(yīng)用的大容量直流斷路器，相關(guān)直流保護(hù)技術(shù)和裝備既缺乏標(biāo)準(zhǔn)，也缺少運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。因此，直流配電系統(tǒng)保護(hù)配置面臨諸多挑戰(zhàn)。

(1)直流配電系統(tǒng)故障類型

直流配電網(wǎng)中存在大量電力電子裝置，且靠近用戶終端，故障復(fù)雜多樣，直流配電網(wǎng)除了存在短路、接地故障和絕緣下降不正常運(yùn)行情況外，還存在交直流混接、直流環(huán)網(wǎng)等故障。

表2 中低壓直流配電系統(tǒng)故障類型

(2)直流主動(dòng)保護(hù)原理和組成

主動(dòng)保護(hù)基于電力電子變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制原理，將保護(hù)動(dòng)作“融于”變換器控制邏輯，基于多重保護(hù)策略，有效利用電力電子變換器的隔離單元和電力電子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)直流配電系統(tǒng)中多種故障的自然隔離和嚴(yán)重故障回路的開斷，防止輕微故障發(fā)展為嚴(yán)重故障，最大限度保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。

表3 主動(dòng)保護(hù)的類型

(3)直流配電網(wǎng)的保護(hù)設(shè)備

目前，直流斷路器的開斷方法主要有增大電弧電壓法、分段串接入限流電阻法、磁場(chǎng)控制氣體放電管斷流法、迭加振蕩電流法、電流轉(zhuǎn)移法等?；谶@些方法，國(guó)內(nèi)外對(duì)各容量等級(jí)的直流斷路器進(jìn)行了研究和測(cè)試。目前400V以下的低壓直流斷路器已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用，而中高壓直流斷路器的研發(fā)雖取得了一些突破，但距工業(yè)化應(yīng)用還有距離。另外，常用的交流型多功能接線板和插頭應(yīng)用于低壓直流配電網(wǎng)時(shí)，接合與斷開的瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的電弧，帶來(lái)安全隱患。因此，直流開關(guān)、直流插頭和插座的研發(fā)，是推動(dòng)直流配電網(wǎng)普及應(yīng)用的基礎(chǔ)性工作。

3.3 直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量控制

直流配電網(wǎng)沒有交流系統(tǒng)中的電壓相位和頻率問題，其電能質(zhì)量主要指有功功率與電壓平衡，典型電能質(zhì)量問題有直流電壓暫降與暫升、電壓偏差、電壓波動(dòng)、直流調(diào)制諧波等。

(1)直流電壓暫降與暫升。直流配電網(wǎng)中微電源輸出功率的突變、負(fù)荷的瞬間接入或脫落、微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換、交流側(cè)系統(tǒng)電壓中斷等瞬態(tài)變化均可能引起直流饋線電壓的暫降或暫升。

(2)直流電壓偏差與波動(dòng)。有功不平衡是引起直流配電網(wǎng)電壓偏差的根本原因，微電源出力、運(yùn)行方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及負(fù)荷等發(fā)生變化都會(huì)產(chǎn)生不同程度的有功功率不平衡，引起配電網(wǎng)電壓波動(dòng)。

(3)直流調(diào)制諧波。直流配電網(wǎng)內(nèi)多源多變換設(shè)備是多種類型的諧波源，會(huì)以不同的方式向電網(wǎng)注入諧波。

直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量控制的方法主要有：利用附加設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性治理，利用微電源參與功率平衡調(diào)節(jié)和利用電力電子接口控制算法改善配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境。

4.直流供電關(guān)鍵設(shè)備

4.1 AC/DC變流器

AC/DC變流器是直流配電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)備，其控制效能直接影響直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和直流功率的協(xié)調(diào)分配，變流器主要分為電流源型和電壓源型兩種。

電流源型變流器在高壓遠(yuǎn)距離直流輸電中具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在直流輸電工程中大量應(yīng)用。但在直流配電網(wǎng)中，由于網(wǎng)絡(luò)端數(shù)繁多，潮流反轉(zhuǎn)頻繁，給電流源型換流器的應(yīng)用造成極大的不便。

隨著電力電子器件及控制技術(shù)的進(jìn)步，電壓源型變流器迅速發(fā)展，三相兩電平、多電平是目前工程中采用較多的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4.2 電力電子變壓器

電力電子變壓器是一種具有變壓器功能的電力電子變換器，集電氣隔離、電壓變換、能量傳遞等功能于一身，可實(shí)現(xiàn)交直流互聯(lián)和接入功能。目前電力電子變壓器已是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，在電路拓?fù)?、控制以及樣機(jī)研制上均取得了一定成果，各機(jī)構(gòu)電力電子變壓器指標(biāo)如表4所示。

表4 電力電子變壓器指標(biāo)對(duì)比

4.3 低壓直流斷路器

直流斷路器是關(guān)系直流配電網(wǎng)保護(hù)和安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)靈活運(yùn)行、防止故障范圍擴(kuò)大有重大意義。直流斷路器按照開斷原理可分為機(jī)械式、全固態(tài)式和混合式3種。機(jī)械式直流斷路器具有可靠性高、成本低、通態(tài)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，但開斷速度慢、可控性不強(qiáng);全固態(tài)式直流斷路器的優(yōu)勢(shì)在于動(dòng)作速度快、可控性強(qiáng)，但現(xiàn)階段成本較 高，通態(tài)損耗較大;混合式直流斷路器結(jié)合機(jī)械開關(guān)良好的靜態(tài)特性與電力電子器件良好的動(dòng)態(tài)性能，理論上具有開斷時(shí)間短、通態(tài)損耗小、無(wú)需專用冷卻設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、成本最高。

5.直流供電工程研究與應(yīng)用

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流供用電通常與電力電子變流器共同出現(xiàn)，由于其高可控性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)今涉及到直流供用電的工程通常與柔性直流、能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)。

5.1 國(guó)外典型工程研究

2011年美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)提出了FREEDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)包含有400V直流母線和120V交流母線即插即用接口，提出了智能能量管理(Intelligent energy management ,IEM)裝置，又稱為能量路由器，用于連接12KV中壓交流配電母線和DC 400V及AC 120V低壓配電母線。

日本大阪大學(xué)2006年提出了一種雙極直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)通過(guò)6.6KV配電網(wǎng)獲取230V交流電，經(jīng)雙向整流變換為±170V直流電壓。230V交流母線上接入1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)，直流母線上通過(guò)DC/DC變換器接入超級(jí)電容器、光伏電池等分布式電源。

芬蘭Elenia Oy公司設(shè)計(jì)的交直流配電網(wǎng)典型 結(jié)構(gòu)見圖2。該典型結(jié)構(gòu)從中壓交流20 KV線路上引出分支線，先通過(guò)20/0.63 KV配電變壓器降壓到低壓交流0.63 KV，并經(jīng)過(guò)整流換流器升壓到低壓直流900 V，再通過(guò)低壓直流900V配電線路輸送給用戶，在用戶側(cè)經(jīng)過(guò)逆變換流器轉(zhuǎn)換成低壓交流500~600V，再通過(guò)500~600/400V低壓隔離變壓器輸出交流400V為終端用戶供電。

圖2 芬蘭交直流配電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)

德國(guó)亞琛大學(xué)已經(jīng)建成10KV直流配電網(wǎng)實(shí)際工程，開展了中壓直流環(huán)網(wǎng)配電系統(tǒng)、10KV中壓直流配電在校園的試驗(yàn)性研究等6個(gè)直流配電研究專題。

5.2 國(guó)內(nèi)典型工程

國(guó)家電網(wǎng)公司在直流供電技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開展了蘇州工業(yè)園區(qū)主動(dòng)配電網(wǎng)應(yīng)用示范區(qū)的建設(shè)，其中基于柔性直流互聯(lián)的交直流混合主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用示范工程由±20KV柔性直流互聯(lián)系統(tǒng)和分布式光伏、分布式風(fēng)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)、蓄電池、電動(dòng)汽車充換電負(fù)荷、用戶側(cè)分布式儲(chǔ)能、直流微電網(wǎng)等可控單元組成，總體架構(gòu)見圖3。

圖3 蘇州交直流混合主動(dòng)配電網(wǎng)總體架構(gòu)

6.結(jié)語(yǔ)

直流配電網(wǎng)是推動(dòng)智能電網(wǎng)建設(shè)，解決能源、環(huán)境危機(jī)的關(guān)鍵，利用直流配電網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可支持高滲透率分布式可再生能源消納，提高配電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的新型能源體系。本文介紹了直流供電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，直流電壓等級(jí)及供電標(biāo)準(zhǔn)情況，重點(diǎn)分析了直流配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制、保護(hù)和電能質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)，以及AC/DC變流器、電力電子變壓器和低 壓直流斷路器等關(guān)鍵設(shè)備的研制情況，最后梳理了國(guó)內(nèi)外直流供電工程研究與應(yīng)用情況。

目前直流供電的研究仍處于試驗(yàn)探索階段，直流供電標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范正在加緊制定，還存在大量問題尚未解決，供電技術(shù)研究集中在直流微電網(wǎng)層面，關(guān)鍵設(shè)備性能還不能滿足應(yīng)用需求，缺少實(shí)際工程應(yīng)用。隨著能源變革的發(fā)展和技術(shù)研究的深入，直流供電將憑借強(qiáng)大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)快速發(fā)展，對(duì)未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響。