直流配电网的研究现状与展望

直流配电网的研究现状与展望

王贞1朱珍妮2

陕西省地方电力监理有限公司陕西西安710075

摘要：随着直流技术的发展，直流配电网得到越来越多的关注。相较于交流配电网，直流配电网具有减少逆变环节、降低电能损耗、提高电能质量等优势，有巨大的发展前景。对直流配电网的各种结构形式进行了比较，另外，对直流配电网的应用前景进行了分析和展望。

关键词：直流配电网；拓扑结构；控制保护

前言：配电网是指从输电网到用户之间的网络结构，由配电线路、配电变压器及附属设施组成，在电力网中起分配电能的作用。传统配电网采用交流配电方式，利用变压器的电磁感应原理改变电压。直流配电技术涉及电网规划、工程经济、经济运行等一系列技术问题，本文从直流配电网的拓扑结构着手，详尽地说明了直流配电网技术的可行性与应用前景。

一、直流配电网的拓扑结构

直流配电网系统的接线方式主要有放射状、环状与两端配电。通常放射状配电网供电可靠性相对较低，但一次投资少，继电保护配合简单，故障识别及保护控制配合等相对容易;环状与两端配电网供电可靠性相对较高，但一次投资高，继电保护整定复杂，故障识别和保护控制配合等也相对困难。因此，直流配电网应根据供电可靠性、供电范围及投资等实际工程的需要，采用不同的电压等级和拓扑结构。直流入户的实现涉及多级直流配电网，所选接线需保证供电可靠、电能质量高、经济性、运行灵活、操作安全等指标。中压直流配电网的部分电能需经直流降压装置送到低压直流配电网再供用户使用，以放射状低压直流配电网为例，如图1所示。

二、直流配电网技术特点

1、技术特点

与传统交流配网相比，直流配电网主要有以下特点:

(1)提高电能质量直流系统用户侧电能质量主要考量电压偏差和波动。直流母线的存在隔离了用户侧频率偏差对更高电压等级配电网和输电网的影响，电能质量也可相应地进行区域化管理。柔性直流配电网中的换流器可以灵活发出或吸收无功功率，从而动态补偿交流母线和用户负载的无功功率，并稳定交流母线和用户侧交流电压。

(2)有利于电网设备的优化设计

直流配电网只有正负两极，能节省大量的线路建设费用。两条极性相反的架空线通常采取相邻排布，对外界产生的磁场几乎可以完全抵消，故可与煤气、水管敷设在同一管道，节省空间资源。相同有效值的直流电压的峰值约比交流电压小40%，减少电缆绝缘介质的投资。在直流配电网的情况下，分布式电源及储能装置的接口设备与控制技术相对简单，且分布式电源通过直流方式集中并网，较交流分布式并网接入方式对交流电网影响更小，设备投资更低。

(3)满足负荷特性的要求

我国用电量的70%左右都由动力负荷消耗，通过直流供电可省去变频器中的整流器部分，传统电机负荷采用变频调速技术可以节能降耗并有效提升电机的工作性能和运行效率。同时，多数家电可以采用直流供电，运行时产生的电压和电流纹波大幅降低，电能损耗可相对减少15%以上。

三、直流配电网的关键技术

1、交直流同线馈送方式

配电网交直流同线馈送方式是针对分布式电源的发展提出的一种新型配电网电源馈送方式。在满足馈电线路电气特性要求的前提下，让直流电和交流电一同在配电网相关线路上传输。相对纯交流馈送方式，交直流一同在配电网相关线路上传输可以使线路的功率损耗显著降低、线路的电压分布更均衡。在有直流负载或倍频负载的地方，直接的或通过简单的变换供给相应负载，总体投资水平明显低于交流。

2、DC－DC变换器的控制技术

传统的DC－DC变换器控制多用模拟系统实现，一般采用经典的PID控制或改进型PID控制。随着计算机技术和控制理论研究的发展，现代控制技术中的一些理论和方法已应用到DC－DC变换器的研究中来。一些文献提出了状态反馈控制，非线性控制，自适应控制，滑模变结构控制，函数控制以及智能控制(包括模糊控制，神经网络和遗传算法)等。这些研究工作尚处于理论分析和仿真研究的阶段，如何结合直流配电网设计的实际要求应用现代控制理论的最新研究成果则显得尤为关键。

3、直流配电网保护研究

直流配电网系统故障类型较多，消除每种故障或异常状态的方法有所区别，大多数直流保护动作都配合控制系统来进行故障隔离和消除。采用保护、控制集成方案可以降低保护系统的复杂性，降低系统成本，减少保护动作时间，是未来直流配电系统保护技术的发展方向之一。直流配电网保护系统设计时需要考虑电力电子设备特性和系统结构特性之间的影响。保护需要在直流配电网系统中设计增加额外设备，该额外设备可以整合到逆变器中。部分保护设备可与传统低压配电网中广泛应用的保护设备整合，如直流连接采用用户网络中过流保护已有的断路器。

四、直流配电网的发展前景

1、引领家用电器节能化变革

现在的很多家用电器使用直流配电网更能节省能源,例如变频空调、液晶电视、室内及室外LED照明灯、电动汽车、电动自行车、电脑、手机以及便携式音乐播放器等。下面将详细分析各种常见的家用电器，从而证明直流配电网的节能性。

第一，电动器具。家电中，使用电机的主要有空调、电冰箱、洗衣机、电风扇、洗碗机等。这些家电中，风扇和洗碗机之类的电机可以用直流电机代替，从而能够省去中间的变换环节，直接使用直流电。而在家电中耗电最大的空调、冰箱和洗衣机，为了节省电能、提高效率，目前发展的趋势都是采用变频控制。如前文所述，变频技术也更适合于直流配电网。

第二，照明光源和媒体信息设备。照明光源如节能灯等以及媒体信息设备如电视、电脑、音响、手机充电器等，他们的工作原理都是把交流电经过整流滤波得到直流电，属于本身直接使用直流的电器。

第三，电热器具。直接采用电流热效应的电热器具，可以直接改用直流电。交流电的有效值就是根据电流的热效应来定义的，因此无论是通直流电还是交流电都不影响其发热。而且目前电热器具也在向变频技术方向发展，例如已经有了变频控制的微波炉商品，这都适合使用直流配电网。

2、促进新型“直流生态住宅”的发展

“直流生态住宅”是指将直流电与住宅能源管理系统集成为住宅供电的系统。这一概念与直流配电网不谋而合，利用直流配电网可以省去用于稳定供电的直—交变换电源模块和用于将过剩的直流电转换为交流电的双路交-直流转换器，使“直流生态住宅”技术更加简化，减少了能耗，从而促进其快速发展。将风力发电、光伏发电、微型燃气轮机发电以及燃料电池发出的电能并入直流配电网后，把直流电供给每一个家庭的住宅电源管理单元，拟定48V作为电视机LED照明灯具、室内通风装置等小功率电器供电电压，而350V则作为电冰箱、空调、洗衣机、电磁炉等大功率电器的供电电压，对于必须使用交流电的家电,可以经直-交变换供给220V的交流电。同时对于过剩的电能可以利用大容量的蓄电池等储能装置存储。

结束语：当前，国内外学者正在努力探索直流配电网领域，随着电力电子器件、计算机控制等技术的不断发展，直流配电网的各种技术难题必将一一攻克。这一技术将由理论研究到仿真模拟，逐步进行试验验证，相信在不久的将来，直流配电网技术会逐步服务于我们的生活，实现智能电网的跨越式发展，为人类的用电史增添辉煌的篇章。

参考文献：

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[2]刘向阳,刘杰英.变频技术的普及前景及其技术保证[J].信息技术,2014,2:20～23.

[3]韩民晓,文俊,徐永海.高压直流输电原理与运行[M]．北京:机械工程出版社，2013:51～53．