直流配电网现状研究与展望

陈君尧 蔡捷 陈泽贤 何伟建 张猛

摘要：随着电力电子技术的发展，与交流配电网相比，直流配电网已在许多领域取得了技术和经济优势，具有广阔的发展前景。我们了解了直流配电网的发展，拓扑结构和优势，总结了直流配电网研究中有关电压选择、控制技术、保护和故障分析状态的关键问题和相关研究，并比较了交流和直流的分布。系统的可靠性和效率，以及直流配电网的发展前景。

关键词：配电网;直流配电网;分布式电源;控制;电力设备

近年来，随着经济发展和社会进步，电力负荷迅速增加，电力需求和电力质量需求持续增长。首先，电力电子技术的飞速发展。越来越多的分布式能源（例如光伏能源、风能和电动汽车）已连接到电网，并且基于直流电和工业变频技术的使用使许多家用电器得到普及。在新能源的分布式获取，负荷的多样化，能源系统的复杂结构，能源供应的稳定性和高效率方面面临着巨大的挑战。同时，由于城市內部规划与能源系统规划的长期分离，使得配电网的结构与负荷的发展不兼容，这使得配电网的规划，开发和供电质量越来越不适合城市发展的需要。简而言之，传统的配电网络和电力供应方法越来越无法满足快速发展的经济和社会的要求，这些要求更加环保，更安全，更可靠，更经济。

国外研究表明，与交流配电网相比，直流配电网在吞吐量，系统可控性和电能质量方面具有更高的性能，可以有效降低电力电子转换器的使用频率，提高电能质量，充分协调两者之间的矛盾。分布式电源，各种负载和重视分布式能源的电力系统。本文首先详细介绍了直流配电网的发展，网络结构，特点和优势，然后总结了直流配电网在电压选择，操作控制，保护和基本设备方面存在的问题。配电网的可靠性和经济运行研究。

一、直流配电网的驱动力

（一）直流供电技术的发展

当电力系统的输配电系统首次出现时，首先将直流电用作主要的能量传输方法，但是由于当时的技术水平有限，由于电压转换困难且产量低，直流电系统逐渐被交流电系统所取代。

自20世纪以来，功率半导体器件的飞速发展导致了功率电子技术的创新。直流电源技术的优势已逐渐回归，在数据中心，船舶电源和电动汽车等特殊领域的应用和开发中发挥了主导作用。

（二）分布式电源发展的推动

自1970年以来，能源短缺和环境污染日益严重。分布式能源系统由于其灵活性和易用性而受到广泛关注。同时，由于分布式电源访问，配电网络已从活动网络上的简单负载发生了变化。

常见的分布式能源包括光伏电池，风力涡轮机，燃料电池和储能设备。这些能源产生的功率是恒定电流，或者可以在简单转换后转换为直流电。因此，将分布式电源集成到直流配电网络中可以节省许多交换链路。例如，光伏能量是直流电，必须使用直流电到直流电的两级转换以及直流电到交流电的两级转换，将其转换为交流电配电网。如果将其集成到DC配电网络中，则仅需要DC到DC的单级转换。表1列出了连接到共享的分布式电网所需的交换通道。

（三）多样性负荷发展的推动

随着电力电子技术的发展，用电方式发生了重大变化，例如，变频技术已广泛用于空调、洗衣机、电冰箱等产品中。在交流配电网络中，上述电力负载必须通过交流/直流DC/AC2级转换，在DC配电网中进行频率转换仅需要DC/AC转换。

另外，大量的智能电气设备主要基于直流电源。在交流配电网络中，需要将交流电额外转换为直流1级，而对于直流配电网络，则无法通过转换来提供能量，从而减少了中间损耗并节省了成本。表2列出了正常负载所需的换流通道。

（四）配电网升级改造的需求

随着城市建设的不断发展，对供电系统和供电系统的线性通道的限制也逐渐增加，随着城市化的快速发展，城市规模和人口的增长提供了更多的电力和配电网络容量。严格的要求、有限的供电走廊限制了现有配电网络的扩展，并且越来越长的电力线将为配电网络的安全可靠供电提出新的挑战。

二、配电网发展过程中所存在的问题

配电网在电力系统中起着极其重要的作用，其结构的质量取决于电源是否稳定，还决定着降低损耗的效果是否受到损害。如果要减少配电网的损耗并节省能源，则首先需要改进的是配电网本身的结构。通过纠正设计结构中的缺陷和不足，可以使用科学设计来制订合理的计划。网络的改造使结构设计逐渐趋于合理化，可以满足减少损耗，节约能源的需要。

在设计配电网结构的过程中，环形网结构的使用是现阶段最合理、最有效的解决方案，从节能效果和可行性上满足使用的需求。设计的可靠性提出了更严格的要求，可以使用两个电源和自己的投资来实现。

配电网络设计应同时考虑城市的规划和设计要求，同时全面考虑节能和使用。该项目应与城市规划相一致。根据不同的城市规划，划分了不同的能源供应区域，提供了最佳的电网分配。

三、直流配电网的特点和优势

（一）传输容量大

对于电源系统、直流电源技术和交流电源技术之间最显著的区别是它具有明显的带宽优势。根据研究，在相同的建造成本和相同的空间环境下，直流输电容量是交流输电容量的1.5倍。通过充分利用导线的横截面，可以减少能量传输过程中的线路损耗，从而提高传输效率。

（二）电能质量高

诸如半导体微电路之类的技术在日常生活中的广泛使用也对电能质量提出了更严格的要求，在传统的交流配电网络中，这可能会产生电压突降和其他影响，从而严重干扰其正常运行。用法与交流配电网络不同：在直流配电网络中，由于使用了分布式储能设备，其提供的电压更加稳定，从而避免了突然下降的影响。为了提高直流配电网络的稳定性，它还使用交流电源，其目的是稳定交流侧的电压。

（三）系统稳定性好

与交流电相比，直流配电网的频率更加稳定，避免了运行和使用过程中无电之类的问题。同时，电力电子设备还具有故障隔离功能，可避免电网干扰而妨碍电网运行，从而使直流系统更加稳定。

（四）有助于分布式能源的接入

分布式电源的配置非常复杂，由风力涡轮机、燃料电池、太阳能电池和微型燃气轮机组成，而直流配电网络简化了接入过程。简化了通过诸如电动汽车之类的配电网络直接使用电力的过程，并大大提高了分布式能源访问的效率。

四、直流配电网的关键技术

（一）运行和控制

在直流电网的运行过程中，功率电子转换器之间存在能量相互作用，并且转换器的运行条件在不同的运行周期中是不同的。直流电网控制技术对于确保直流电网的稳定运行特别重要。DC配电网本身具有简化的上层和复杂的下层的特征。控制系统需要以此为出发点，并考虑到诸如电网调度级别之类的影响因素，将电网的控制划分为系统级别、微电网水平和单元水平。

（二）关键设备

由于直流配电网的主要组件是稳定运行和保证的基础，因此直流配电网的建设和开发需要加强以下设备的研发：

直流变压器。直流变压器是直流配电网络中电压转换的关键。像在交流配电网络中一样，变压器本身应具有转换高低压的能力。除了具有良好的电压转换能力外，变压器容量也具有较大的容量。需要满足直流配电网的需求。

直流断路器。直流断路器在直流配电网络中提供故障隔离。简而言之，直流断路器是直流配电网安全运行的重要保证和基础。随着技术的发展，直流断路器已开始在低压直流电下运行。其广泛用于配电网络中，其开发和研究对于配电线路的使用和保护非常重要。

直流插件开关。对于低压直流配电线，在连接和断开过程中会产生较大的电弧，这对开关有严格的要求，但是在此阶段使用的开关不能直接应用于此过程。加强这一领域的发展将促进直流配电网络的发展。

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