直流配電在國外的研究現狀與發展

美國的直流配電網研究

相比交流配電網，直流配電網以其強大的節能優勢具有巨大的發展前景。目前，一些國家已經紛紛開展了直流配電網的研究，提出了各自的直流配電網概念和發展目標。列舉幾個具有代表意義的結構方案進行介紹。

美國相對較早開始了直流配電網的研究，主要研究機構有弗吉尼亞理工大學以及北卡羅來納州立大學等。在2007年，美國弗吉尼亞理工大學CPES中心提出了「Sustainable Building Initiative(SBI)"研究計劃，主要為未來住宅和樓宇提供電力。隨著研究的深入，CPES於2010年將SBI發展為SBN(Sustainable Building and Nanogrids)。整個系統具有2個電壓等級的直流母線DC 380 V和DC48V，分別給不同等級的負載供電。DC 380 V母線主要是為了匹配工業標準的直流電壓等級，它依靠前端整流器和功率因數校正(power factor correction ，PFC)電路接入主電網。DC48 V母線主要是為了匹配通信標準的直流電壓等級，它依靠DC/DC變換器與DC 380 V母線連接。在SBN研究的基礎上，結合高壓直流輸電的發展，CPES還提出了交直流配電分層連接的混合配電系統結構，如圖2yo]所示。在該結構中，交流配電網和直流配電網是同時存在的，系統根據電壓等級從低到高依次分為皮網、納網、微網、子網，這些網路系統均通過電力電子變換器與上層配電母線連接，由此採用分層的結構組成了一個交直流混合的配電網路。

在2003年，北卡羅來納大學就以DC艦船配電系統為例探討了直流配電應用於工業系統時的機遇和挑戰。在2011年，美國北卡羅來納大學提出了「The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management (FREEDM)」系統結構，用於構建未來自動靈活的配電網路。它主要具有3個核心的技術特徵：1)包含有DC 400 V直流母線和AC 120 V交流母線的即插即用介面；2)連接12 kV交流中壓配電母線和DC 400 V及AC 120 V低壓配電母線的智能能量管理(intelligent energy management IEM)裝置(又稱為能量路由器)；3)開放標準的分散式電網操作系統。在FREEDM系統中，交流配電網和直流配電網也是同時存在的，它們均通過IEM與大電網連接，其中直流配電網主要用於集成分散式電源單元、分散式儲能單元及直流負載等。

日本的直流配電網研究

在2004年，日本東京工業大學等機構就提出了基於直流微電網的配電系統構想，並實現了一套10 kW直流配電系統樣機。在上述研究的基礎上，日本大阪大學於2006年提出了一種雙極結構的直流微電網系統。230 V交流電由降壓變壓器從6.6 kV配電網直接獲得，然後通過雙向整流器變換為±170 V直流電壓。一個燃氣輪機通過背靠背變換器直接連接到230 V交流電，蓄電池和超級電容等儲能設備以及光伏電池等分散式電源均通過DC-DC變換器連接到直流母線。基於直流母線，可以通過電力電子變換器得到多種電力供應，如單向AC 100 V、三相AC 200 V和DC 100 V等。

歐洲的直流配電網研究

義大利的米蘭理工大學在2004年提出了基於分散式電源的直流配電系統結構，方案與大阪大學提出的雙極結構類似。羅馬尼亞的布加勒斯特理工大學在2007年提出了一種帶有交替供電電源的直流配電系統結構。該系統不僅可以利用光伏發電和風力發電產生的電能，還可以由沼氣等產生生物能供電。另外，自2008年以來，英國、瑞士及義大利等國開展一項名為UNIFLEX(Universal and Flexible Power Management)的研究項目，側重點在於研究通過新型功率變換技術適應未來有大量分散式電源接入的歐洲電網的功率流動管理。

其他國家和地區的直流配電網研究

除美國、日本、歐洲外，韓國、中國台灣等國家和地區也展開了直流配電網的研究。韓國以明知大學為主成立了智能微電網研究中心，投資約272萬美元，計劃於2007年至2012年建立起直流微電網供電系統，研究的重點集中在直流電分配、功率變換技術和控制及通信技術三方面。台灣學者也對直流配電網中的相關技術展開了研究，但其結構思路與韓國所提出的系統結構基本類似。

直流配電網的系統架構

高壓配電母線的供電方式

直流配電網的系統架構涉及到系統供電質量、安全性和經濟性等方面的問題，對直流配電網的標準形成具有重要意義。直流配電網的系統架構主要包括高壓配電母線的供電方式、低壓直流配電母線的構成形式、分散式電源的組織形式、高壓配電母線到低壓配電母線的連接方式、分散式電源及負載到低壓配電母線的連接方式等。

隨著高壓直流輸電的發展，高壓配電母線不僅僅可以是交流，也可以是直流。如此，必須對原有的高壓交流配電方式進行擴展分析，為直流配電網的系統規劃工作建立理論基礎。另外，在選擇交直流供電方式的前提下，還需要考慮不同線制不同電壓等級的系統運行特性。

目前各國對直流配電網的研究重點集中在以直流微電網為核心的低壓直流配電網方面，而高壓配電母線則默認為6kV以上的交流配電母線。對於高壓配電母線是直流時的系統結構研究較少。

低壓直流配電母線的構成形式

總的來說，目前文獻中所出現的低壓直流母線的構成形式主要有單母線結構、雙母線結構和分層式母線結構。不同的母線結構具有各自的優勢，適合於不同的應用場合。

單母線結構的直流配電系統容易與現有的交流接線板等轉換設備兼容，但在給計算機等低壓設備供電時，均需配備電源適配器。雙母線結構也能與現有的轉接設備兼容，但由於源側變流器需要均衡主母線與從母線的電壓，其拓撲與傳統拓撲結構會有所不同。

分散式電源的組織形式

目前，由於各國直流配電系統的研究還並不成熟，各國的研究中分散式電源往往是採用直流源進行模擬，或者僅僅含有一種分散式電源。而隨著分散式電源的發展，直流配電網中可使用的供電電源種類變得豐富，既可以包括可再生能源，如光伏、風力發電，還可以包括不可再生能源，如燃料電池、燃氣渦輪機等。不同的分散式電源容量等級存在差異，可控程度不同，輸出電源的性質也不同，進而導致接入母線所需的變換器結構形式也不同。在不同的應用場合，需要根據實際情況對分散式電源進行優化選擇與配置。

高壓配電母線到低壓配電母線的連接方式

在直流配電網中，由於分散式電源的存在，低壓配電母線與高壓配電母線之間的能量交換根據系統運行管理的不同，既可以是單向的也可以是雙向的，因此連接電路的形式也會因為運行方式選取的不同而不同。事實上，雙向交互功能是現代柔性直流配電網發展的主要趨勢。

另外，對於直流配電系統中高壓配電母線的供電形式既可以是交流也可以是直流。而隨著電力電子技術的發展，高壓配電母線與低壓配電母線的連接既可以採用傳統的工頻變換方式，也可以採用高頻變換的方式。對於高壓配電母線為交流時，採用工頻變壓器實現電壓匹配和電氣隔離，採用電力電子變換器將交流變為直流，從而實現高低壓母線的功率變換。這種方式中，工頻變壓器佔地較大、質量笨重、損耗較大並且噪音很大，這已經成為實現高功率密度和高效率的功率變換系統的一個主要障礙。在FREEDM系統方案中，採用高頻隔離和鏈式變流技術來連接高壓交流配電母線和低壓直流配電母線。對於高壓配電母線為直流時，也可以採用工頻變壓實現電壓匹配和電壓隔離，採用電力電子變換器實現電能的交直流變換;或者直接採用高頻隔離和直流鏈式變流技術來實現高低壓配電母線的功率變換。

分散式電源到低壓配電母線的連接方式

相比交流配電形式，直流配電可以減小相關電力電子介面電路中的中間環節，但是也不能完全省略電力電子介面電路。由於分散式電源發出的電能有交流也有直流，系統中的負載也有交流和直流;另外，各個分散式電源的運行方式也有單向和雙向之分，為了保證系統安全運行，部分分散式電源與負載或配電母線之間還需要進行電氣隔離。因此，在直流配電網中，分散式電源及負載與低壓配電母線的介面電路也是各種各樣的。

直流配電網的控制技術

電力電子變換器的基本控制

直流配電網中存在著各種電壓等級的配電母線、形式多樣的分散式電源及負載，而不同電壓等級的配電母線需要經過功率變換器實現功率變換，各類分散式電源及負載也需要經過不同的功率變換器接入直流母線，直流配電網在不同工作模式下各微源及變換器的運行狀態也不同。因此，為了保證直流配電網正常運行，控制技術起著重要的作用。這裡將直流配電網中的控制技術按單元級、微網級到配網級歸結為3類，依次為電力電子變換器的基本控制、多源協調控制、多端多電壓等級配電網路的運行控制。

在直流配電網中，電力電子變換器的形式多樣。根據分散式電源、負載類型以及配電網不同的工作模式，各變換器需要對自身的電壓、電流或功率進行控制，以保證各單元及系統正常工作。目前，關於分散式電源及負載到低壓配電母線的介面電路的研究較多，也相對成熟，而高低壓配電母線之間介面電路的控制相對複雜，尤其是採用高頻隔離和鏈式變流方案時。但是由於潛力巨大，在現代柔性直流配電網的建設中，基於高頻隔離和鏈式變流技術的智能功率變換系統是目前國內外學者的研究熱點。

對於高頻變換方式接入高壓AC母線方案，美國EPRI等機構已經較早地開展了研究，並已經研製出了2.4 kV/45 kW的原型樣機，並在2011年用於電動汽車充電站中。對於北卡羅來納州立大學提出的FREEDM系統以及歐洲等國提出的UNIFLEX系統，基於高頻隔離的鏈式變流器都是其核心部件，相關控制策略的研究也開展較早。北卡羅來納州立大學還利用10 kV的SlC器件開展了270 kVA高頻隔離鏈式變流器樣機的研製。隨著智能電網的發展，國內目前多個大學和研究機構也已經開展了相關研究，例如清華大學結合在鏈式多電平換流器方面的研究成果積累，在國家自然科學基金的支持下開展了基於高頻隔離和鏈式變流技術的功率變換系統研究;並通過與日本半導體製造商羅姆公司合作，探討了利用新一代SIC功率器件時的變換器運行特性。總的來說，由於電壓等級和效率等的限制，目前高頻隔離和鏈式變流方案在中高壓電網中的實際應用的報道還比較少。

對於高頻變換方式接入高壓DC母線的方案，由於柔性直流配網的概念近期才得到重視，高壓配電母線為直流母線時的研究較少，因此針對高頻隔離和直流鏈式變流方案的研究和應用還較少，需要在相應的拓撲結構和控制技術方面展開深入研究。

多源協調控制

在直流配電網中，供電電源種類繁多，可控程度不同，同時配網中的微電網系統還存在與大電網併網運行、孤島運行、併網孤島過渡過程和黑啟動過程等多種運行狀態，從而要求實現直流配電網中的各供電電源的協調控制。相比電力電子變換器的單元級控制，這裡多源協調控制主要是微網級的控制，主要可以歸結為母線電壓的控制和電能質量的管理2類。

1)母線電壓的控制。

直流微電網中，分散式電源和負載均通過變流器與直流母線並聯。由於配電線纜上存在阻抗不一致，各節點電壓存在差異，會使各並聯電壓源之間產生環流。因此，為了抑制環流和控制直流母線電壓的穩定，需要對各並聯變流器進行均流控制。常見的並聯均流控制有集中控制、主從控制和無主從控制。

集中控制是給整個並聯繫統加入一個集中控制單元，各個並聯單元根據集中控制提供的信號來保證各自輸出信號一致，這種控制方式最大的問題是一旦集中控制出問題，整個系統將無法運行。主從控制與集中控制的不同在於選擇並聯繫統中的一個單元作為主控模塊，其控制可靠性相比集中控制有所提高，但仍然較低。無主從控制中，各模塊獨立地檢測和控制本模塊在系統中的工作狀態以實現模塊間功率均分，主要可以分為有互聯線和無互聯線控制方式。有互聯線控制中，存在一條控制互聯線用於傳遞各模塊的輸出電流、有功以及無功功率等信息;互聯線的存在可以簡化並聯的控制，但是互聯線也容易引人干擾，可靠性降低，並且並聯模塊之間的位置也受到限制。無互聯線控制主要是指外特性下垂控制方法，其實質主要是利用本模塊電流反饋信號或者直接輸出串聯電阻，改變模塊單元的輸出電阻，使外特性的斜率趨於一致，達到均流。這種控制方法使得各模塊完全隔離，因此可靠性高，但是由於模塊間無信息傳遞，也使得均流控制相對困難，動態效果較差。從目前的研究狀況來看，在微電網母線電壓的控制中，無主從控制是必然發展趨勢，其中下垂控制由於其充分符合分散式系統的「分布」特徵，成為國內外學者研究的重點。

2)電能質量的管理。

直流微電網工作時，可能出現分散式電源輸出功率的突變、大面積負荷的瞬時接入或脫落、併網與孤網的切換等瞬態變化過程，這些瞬態事件的發生會引起直流母線電壓的閃變或跌落，進而給電子設備的正常運行帶來不利，還很可能使控制系統誤動作，最終導致整個直流微電網系統的崩潰。目前，為了防止這類事件的發生，常用超級電容、飛輪儲能或超導儲能等快速充、放電裝置對系統的電能質量進行管理。

另外，為了保證微電網系統中能量的供需平衡，還需要對系統中的分散式電源、儲能單元及負載進行管理配置。如有文獻提出了一種含分散式電源和儲能裝置的直流微電網運行控制邏輯，若直流母線電壓上升且超過第一個限值後，直流微電網向與之聯絡的主電網輸出功率以限制直流電壓的上升。若由於微電網系統內部的發電量遠遠大於負荷水平，此時將一些易於調節的分散式電源退出運行以保證電壓平衡;反之，若直流電壓由於負荷增大等原因而持續下降，儲能裝置將釋放能量以緩解負荷需求對直流電壓的影響，若仍不能滿足要求，則將一些不重要的負荷進行分時切出。

多端多電壓等級配電網路的運行控制

當大量的直流微電網接入高壓配電網後，直流微電網與主電網的相互作用將變得複雜。為了配電系統的運行效率，保證電網運行的穩定性與可靠性，這個時候就需要研究基於直流的多端、多電壓等級配電網路的運行控制技術，包括高滲透率下直流微電網對整個配電網的運行特性影響，如對大電網穩定性的影響;以及在滿足直流系統電壓、電流，交流系統電壓、潮流方程，交直流換流觸發角等約束情況下，交直流配電系統的多時段優化調度方法等。

總的來說，目前對於直流配電網的研究主要是集中在直流微電網的研究層面，對於配網層面的研究較少，因此需要發展相關的控制理論和方法，為直流配網的穩定運行提供保障。

直流配電網的保護技術

直流配電網的保護設備

直流配電網的保護是直流配電網安全運行的關鍵問題。相比交流配電網，直流配電網的系統架構、工作模式等均有不同，因此傳統的交流保護方案並不完全適合直流系統。所以，在直流配電網的保護技術的研究中，應該吸取交流配網保護技術的經驗，通過對比研究分析直流配網的保護標準、執行準則以及操作經驗等。目前，關於直流配電網保護技術的研究方向主要包括直流配電網的保護設備、直流配電網的接地方式、直流配電網的故障診斷與處理方法等。

直流保護設備對防止直流配電網中故障範圍的擴大有著重要意義。但與交流電不同，直流電不存在自然過零點，因此，開斷直流電路相比交流電路要困難，這也給高壓大容量直流保護設備的研製帶來了困難。

目前，對於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、磁場控制氣體放電管斷流法、迭加振蕩電流法、電流轉移法等。基於這些方法，國外對各容量等級的直流斷路器進行了研究和測試。例如，20世紀80年代，BBC公司和美國西屋電氣公司對500 kV/2 kA級別的直流斷路器進行了研製，並在美國太平洋直流聯絡工程的CELILO換流站進行了試驗。在這之後，東芝、日立、三菱等公司也相繼有直流斷路器的試驗工程報道。

近年來，出現的基於半導體器件的直流固態斷路器，具有損耗低、動作速度快等優點，受到了學術界和工業界的廣泛關注。例如，1987年，美國Texas大學採用GTO作為開關器件對200 V/15 V的直流固態斷路器進行了研究02005年，美國CPES採用ETO作為開關器件對2.5 kV/1.5 kA的直流固態斷路器進行了研究。

總的來說，目前400 V以下的低壓直流斷路器已經工業化應用，而中高壓直流斷路器的研發已經取得一些突破，但距工業化應用還有些距離。在2012年11月，ABB公司宣稱開發出了世界上第一台高壓直流斷路器，其主要是將機械動力學與電力電子設備結合，可以在5 ms之內斷開一所大型發電站的輸出電流，速度比人眨眼速度快30倍，但是目前為止還沒有關於該斷路器的詳細參數和實際應用報道。

另外，在低壓直流配電網中，常用的交流型多功能接線板和插頭應用於直流電時，接合與斷開的瞬間會產生較大的電弧，給用戶帶來了安全隱患。因此，直流開關、直流插頭和插座的研發，是推動直流配電網普及應用的基礎性工作。

直流配電網的接地方式

與交流系統類似，接地主要是為了保護接地故障引起的人身和設備安全，不同的接地方式會導致系統的表現性能不同。在直流配電系統中，可以採用不接地、高阻接地和低阻接地等方式;大地也可以與兩電極中的一極或者變換器和電池的中性點連接。

直流配電網的故障診斷與處理方法

由於直流配電網的結構以及工作模式等的不同，直流配網的故障運行情況與交流電網存在區別。在直流配電網中，根據故障類型的不同可以分為極間故障和接地故障;根據故障位置的不同可以分為母線故障和支路故障。不同的故障具有不同的保護等級，進而處理方法也不同。

因此，需研究新型的保護理論，以保證直流配電網正常併網運行時，內部電氣設備發生故障和故障切除後直流配電系統仍能安全穩定地運行;另外，配電系統上層發生故障時，應在可靠定位與切除故障的前提下確保直流微電網與主網解列後仍能繼續可靠運行。目前，直流系統中的故障診斷與處理方法已有不少文獻探討，但還沒有達到工程應用的程度，準確的故障定位與處理仍然是直流配電網研究的重點和難點之一，尤其在直流線路較短且中點不接地時，將對故障診斷造成更大的困難。

直流配電網在中國的發展

根據引言的概述，直流配電自身存在線路造價低、輸電損耗小、可靠性高及環保等優勢;另外，直流配電還可以減少分散式發電系統及直流負荷接入電網的中間環節，進而降低接入成本，提高功率轉換效率和電能質量。直流配電網的這些特點完全符合中國電力的發展需求和方向。

自2009年開始，國內相關單位逐步對直流配電網展開了相關研究。清華大學在國家自然科學基金項目中提出了基於高頻隔離和公共直流母線的電池儲能電網接入系統，該項目的側重點在於研究用於直流配電系統中的新一代功率變換技術，包括新一代功率器件應用以及高頻隔離變換技術等。另外，2012年，中國還以深圳供電局為主成立了城市電網先進技術研究中心，計劃於2012年至2015年建立柔性直流配電技術實驗室，並實施柔性直流配電相關關鍵技術的研究。

總之，目前各國對直流配電網的研究都還處於試驗探索階段，研究重點集中在以直流微網為核心的低壓直流配電網方面。目前，也還沒有見到有較為系統的示範工程的報道。但是可以預見的是，在世界各國對節能減排和能源綜合利用的需求增長的今天，直流配電網將以其強大的技術和經濟優勢而擁有廣闊的發展前景，也必將對生活生產產生巨大的影響。