直流配电网应用前景分析

直流配电网应用前景分析

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。

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。