柔性直流配电网研究

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1、中图分类号：TM71文献标志号：A学科分类号：470-40柔性直流配电网研究王云涛，司君诚，沈亚瑞，赵彪（国网山东省电力公司东营供电公司，山东省东营市257091；电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京市海淀区100084）摘要：随着电力电子技术的快速发展，柔性直流配电网在很多领域具有技术和经济的优势，具有很大的发展空间，本文针对柔性直流配电技术的优势、电压等级及运行特点进行了论述和分析，建立换流站、直流变压器和直流断路器的模型；在此基础上对直流配电网的系统架构、控制技术、保护技术等关键问题进行了全面的

2、阐述。关键词：直流配电网；交流配电网；可靠性对比；分布式电源；智能电网；系统架构；控制；保护，直流断路器；直流变压器；直流负荷比例0引言在现有城区配电网中，主流仍为交流方式。随着电力电子技术的飞速发展，直流配电网在技术和经济优势逐渐显现，为此，国外在20世纪90年代开始以数据通信中心直流配电为应用的研究，在军事、航空及电动汽车等领域的直流区域配电技术也日趋完善，这些都为直流配电向城市供电、智能楼宇等领域的推广提供了基础。1直流配电的优势1.1线路成本低直流配电仅需要两条线路，相比交流配电的三相四线制结构，所需的建

3、设费用较少；此外，在提供相同有效值电能时，直流电的峰值比交流电峰值小，因此，对电缆的绝缘要求就更低，所以直流电缆的成本远低于交流电缆。1.2线路损耗小由于直流配电系统只有两条线路，相比交流线路而言，导线的损耗小，另外，在输送相同的有功功率的情况下，单极直流系统的损耗小于单相交流的输电损耗，虽然直流系统的损耗高于三相交流系统的损耗，如果直流系统为双极方式，线路的电流将变为原来的1/2，线路损耗变为原来的1/4倍，这样将远低于交流三相系统。1.3供电可靠性高配电可靠性是指配电系统为用户保持持续供电的能力，即系统公司的

4、充裕度。在提高配电可靠性方面，[1]直流配电系统相比于交流配电系统，存在一定的优势：1）为避免产生电磁环网、短路电流剧增问题，交流配电系统通常采用了辐射状拓扑或者“环网设计，开环运行”的运行模式，而直流配电系统对潮流可控，为此可以在闭环下运行，接入多个独立电源，从而提高配电网的可靠性；2）直流配电网在接入直流负荷时，相比于交流配电网，减少了环流环节引起的故障问题；3）在交流配电网，输电能力受到同步发电机间功角稳定问题的制约，且随着输电距离的增加，同步机之间的电抗增大，输电能力受到更大的制约，而直流输电线路不存在频

5、率稳定与无功功率等问题，供电可靠性更高。1.4环保优势强随着大众环保意识的不断增强，对电力安全环保的需求与日俱增，这此方面，直流输电线路的“空间[2]电荷”和无线电干扰都远小于交流线路，产生的电磁辐射也较小，具有环保优势。同时，直流配电网络也有一些不足，换流站、直流变压器、直流断路器等大量电力电子元器件的引入，1[3]降低了直流配电网的可靠性，现阶段采用那种配电方式以获得更高的配电可靠性尚无定论，国外对交直[4-5][6]流配电网可靠性的对比也较少，均停留在定性分析或低压配电网领域。2直流配电的研究现状及发展2.

6、1美国直流配电网的研究2007年，美国弗吉尼亚理工大学CPES中心提出了“SustainableBuildingInitiative(SBI)”研究计划，主要[7]为未来住宅和楼宇提供电力。随着研究的深入，CPES于2010年讲SBI发展为SBN(SustainableBuildingand[8]Nanogrids)，其典型结构如图1所示。整个系统有两个电压等级的直流母线，DC380V和DC48V，分别为不同等级的负载供电。图1CPES中心提出的直流配电系统结构图2011年，北卡罗来纳大学在DC舰船配电系统的研究

7、基础上，提出了“TheFutureRenewableElectric[9]EnergyDeliveryandManagement(FREEDM)”系统结构，用于构建未来自动灵活的配电网络。与SBN系统结构相比，具有3个技术特征：1）是一个交直流混合网络，包含AC120V交流母线的即插即用接口和DC400V直流母线；2）交流母线和直流母线最终由智能能量管理（intelligentenergymanagement,IEM）装置（又称能量路由器）接入电网。3）是一个开放标准的分布式电网操作系统。在FREEDM系统中，交

8、流配电网和直流配电网也是同时存在的，他们均通过IEM与大电网连接，其中直流配电网主要用于集成分布式电源单元，分布式储能单元及直流负载等。图1FREEDM系统结构图2.2日本直流配电网研究2日本立足国内能源日益紧缺、负荷日益增长的现实背景，开展了直流配电研究，2004年，东京工业大[10]学等机构提出了基于直流微电网的配电系统构想，并实现了一套10kW直流配电系统样机，通过