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摘要：近年来，分布式能源因其可再生程度高、对环境影响小而大量接入电网，接入容量逐年升高，这对我国己成规模的交流配电网的安全稳定提出了挑战，相较与交流配电网，直流配电网接入分布式电源将更稳定。相信不久的将来，分布式电源的不稳定性和直流配电网本身的优势会相互弥补，相互促进。本文针对直流配电网的发展及应用前景作分析研究。
关键词：直流配电网；分布式能源
引言
2018年10月19日，“一带一路”能源部长会议和国际能源变革论坛在江苏苏州同里举行。作为该论坛永久会址，同里小镇向我们展示了未来电网的发展方向，即清洁、高效、自给自足。同里小镇一项关键技术引人注目，就是直流配电网的应用。
1 直流配电网的现状
电力能源诞生之初，交直流输配变同时起步，但根据当时的技术水平，直流电变压困难，无法实现远距离大容量传输电能；交流可供电压等级更高，输送容量更大，所以交流电迅速占领市场，成为主流。
但近年来，国内外开始对直流配电网的应用进行研究。如美国通用电气照明和威斯康辛大学麦迪逊分校共同研究了没有中央控制单元的工业低压直流配电系统；日本东京工业大学等机构就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；国内的一流高校，如清华大学、华北电力大学、浙江大学等都逐步对直流配电网展开了相关研究。
2 直流配电网的优势
众所周知，直流配电网在输送容量、可控性及提高供电质量、减小线路损耗、可再生能源灵活、便捷接入等方面具有更好的性能。由于以下几种原因，直流配电网又现生机，开始迅速发展。
1、分布式能源的大量接入。随着城市规模的不断扩大、分布式电源、可再生能源的高密度接入以及功率半导体技术的发展，直流供电技术和经济优势逐渐体现，城市中越来越多的采用直流配电网。
分布式能源由于对环境依赖性强，可控性较传统火电厂弱，大量的分布式能源接入会影响交流配电网的供电可靠性、电能质量和经济环保运行。分布式电源接入交流电网需要经过电压、频率、相位的同步过程，易造成配电系统发生振荡。直流配电网通过各种变流器将分布式电源和负荷连接到同一直流母线上，组成独立可控的系统，可避免交流配电网出现的很多问题。直流配电技术可解决当前问题以满足未来配电网的发展需求。
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常见的分布式电源的电能均为直流电或可经过简单整流后变为直流电，可以节省大量的换流环节，提高线路传输功率和效率，节约运行成本。一些分布式电源发电过程中产生的是直流电，比如光伏发电，其发电产生直流电可以直接接入直流配电网，从而减小成本、降低损耗。虽然风力发电输出交流电，但由于风能可控性差、间歇性较强，所发电的电能质量不高，容易对电网造成较大波动。如果经过整流后变为直流，无论再逆变或再斩波，相对而言电能质量的问题都会较好解决。
2、更加贴近家庭用电设备电能需求。
现在，越来越多的家庭使用变频电器。交流配电网中，需要经过AC-DC-AC转换才能达到变频。而对于直流配电网，则只需进行DC-AC转换，从而省略了AC-DC环节，降低了变换器损耗。此外，现在很多电气设备本质上就是采用直流电驱动的，例如LED照明灯、电动车、个人电脑、手机等。对于敏感重要负荷供电的不间断供电电源也是由储能电池来保证。
3、大量电动汽车等新技术的投入使用。电动汽车使用清洁能源，由于其低碳环保的特性，正在大力普及。电动汽车作为新能源新兴产业之一，近年来发展势头正猛。但电动汽车的大量接入会对电网会造成不小的影响。
目前对于电动汽车来说，直流充电充电速度更快。
4、目前交流配电网架结构薄弱、动态无功不足。直流配电网在一定程度上可以减少无功补偿设备的投资和占用的土地面积。
3 直流配电网存在问题：
1、电网保护尚不完善：
相比交流配电网，直流配电网的系统架构、工作模式等均有不同，因此传统的交流保护方案并不完全适合直流系统。所以，在直流配电网的保护技术的研究中，应该吸取交流配网保护技术的经验，通过对比研究分析直流配网的保护标准、执行准则以及操作经验等。目前，关于直流配电网保护技术的研究方向主要包括直流配电网的保护设备、直流配电网的接地方式、直流配电网的故障诊断与处理方法等。
直流保护设备对防止直流配电网中故障范围的扩大有着重要意义。但与交流电不同，直流电不存在自然过零点，因此，开断直流电路相比交流电路要困难，这也给高压大容量直流保护设备的研制带来了困难。
2、目前直流断路器技术尚未成熟
总的来说，目前400 V以下的低压直流断路器已经工业化应用，而中高压直流断路器的研发已经取得一些突破，但距工业化应用还有些距离。2012年底，ABB公司研发的混合型直流断路器通过样机试验，采用高速机械开关与IGBT先串联再并联的拓扑，用于320kV直流输电系统中，5ms之内断流能力达9kA。在该拓扑下用新型大功率器件代替IGBT已实现16kA左右关断能力。
另外，在低压直流配电网中，常用的交流型多功能接线板和插头应用于直流电时，接合与断开的瞬间会产生较大的电弧，给用户带来了安全隐患。因此，直流开关、直流插头和插座的研发，是推动直流配电网普及应用的基础性工作。
3、直流配电网的故障诊断与处理方法不完善
由于直流配电网的结构以及工作模式等的不同，直流配网的故障运行情况与交流电网存在区别。在直流配电网中，根据故障类型的不同可以分为极间故障和接地故障；根据故障位置的不同可以分为母线故障和支路故障。不同的故障具有不同的保护等级，进而处理方法也不同。
因此，需研究新型的保护理论，以保证直流配电网正常并网运行时，内部电气设备发生故障和故障切除后直流配电系统仍能安全稳定地运行；另外，配电系统上层发生故障时，应在可靠定位与切除故障的前提下确保直流微电网与主网解列后仍能继续可靠运行。目前，直流系统中的故障诊断与处理方法已有不少文献探讨，但还没有达到工程应用的程度，准确的故障定位与处理仍然是直流配电网研究的重点和难点之一，尤其在直流线路较短且中点不接地时，将对故障诊断造成更大的困难。
4 直流配电网的发展前景：以交直流混合配电网为主
可以预见的是，未来直流配电网将是城市配电网的重要组成部分。未来配电网的形态将是多个电压等级构成多层次环网状、交直流混联、具备统一规范的互联接口、基于复杂网络理论灵活自组网的架构模式。直流配电网将是未来能源互联网的基本支撑环节，以区域直流、交流环形母线为基本结构单元的环状结构上，可以方便地接入各种电源、负荷和储能装置，构成一个层级的基本结构单元，同时也是能量管理单元的设备支撑。
参考文献：
[1]冯延明. 含分布式电源的直流配电网及储能规划[D]. 华北电力大学，2013.
[2]江道灼，郑欢. 直流配电网研究现状与展望[J]. 电力系统自动化，2012，36（8）：98-104.
[3]章晋龙，史述青，杨海森，等. 国内外直流配电网技术发展研究综述[J]. 南方能源建设，2016（B12）：93-98.
[4]胡仙来，冯亚东. 直流配电网研究现状综述[J]. 供用电，2016，33（7）：39-43.
[5]侯振华. 智能直流配电网系统关键技术的探讨[J]. 大科技，2015（22）.
论文作者:王屿蕃,苏晴
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/14
标签：配电网论文; 分布式论文; 直流电论文; 故障论文; 电网论文; 系统论文; 电源论文; 《防护工程》2018年第31期论文;