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国内外直流配电网技术发展研究综述

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2016年第3卷增刊12016 Vol. 3 Supp. 1南方能源建设SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION勘测设计Survey & DesignDOI： 10. 16516/j. gedi. issn2095-8676. 2016. Si. 020国内外直流配电网技术发展研究综述章晋龙\史述青2，杨海森3，李志铿3(1.广东电网有限责任公司电网规划研究中心，广州510000; 2.广州市执信中学，广州510600;3.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州510663)摘要：由于交流配电网的电压跌落、电网谐波、电压不稳定等问题，直流配电网成为近年的研究热点。相较于交流配 电网而言，直流配电网铺设线路成本较低，在输电过程中线路电能损耗有所减少，拥有较大的供电容量以及可靠性， 同时较为环保。能够有效解决电能质量问题、易于分布式电源、储能电池接入等特点，得到了供电企业和研究学者的 广泛重视。对直流配电网的拓扑结构、优势和特点、关键技术环节等领域进行了全面的阐述，对直流配电网在中国的 发展进了总结和展望。关键词：直流配电网；智能电网；分布式电源；控制和保护；拓扑结构中图分类号：TM76 文献标志码：A 文章编号：2095-8676(2016) S1-0093-06Overview of Development of DC Power Distribution NetworkZHANG Jinlong1 , SHI Shuqing2, YANG Haisen3, LI Zhikeng3(1. Research Center of Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510000 China； 2. Zhixin High School, Guangzhou 510600, China； 3. China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co. , Ltd. , Guangzhou 510663, China)Abstract ： The frequency of voltage drop, power grid harmonics, and voltage instability and so on in AC power distribution network is gradually increasing. The domestic and foreign research scholars now turn to the new field of DC power distribution network. Com­pared with AC power distribution network, DC power distribution network has the advantages of low cost, low transmission loss, high power supply capacity, high reliability, environmental protection, high power quality, easier for distributed power and energy storage to access and other characteristics. In this paper, the topology, advantages and characteristics, key technology of DC distribu­tion network are described, and the development of intelligent DC power distribution network in China is summarized and prospected. Key words： DC power distribution network； smart grid； distributed power； control and protection； topological structure随着分布式能源并网的推广和普及和用户对终 端供电电能质量的要求越来越严格，传统的交流配 电网逐渐显示出其在接纳新能源能力和电能质量问 题上的不足[1_13]。近年来，电力电子器件的发展有 了长足的进步，换流装置的不断完善加速了直流配 电网相关技术的研究，同交流配电网相比，直流配 电网供电容量更大，输电过程中电能损耗减小，电 能质量更高，分布式电源的接入更加容易，并且更 加环保，使得其和交流配电网相比越来越得到国内 外学者的广泛关注。美国较早的进入到直流配电网收稿日期：2015-11-01作者简介：章晋龙（1974)，男，高级工程师，从事智能电网及电力 通信网络技术研究工作（e-mail)baolou@vip. 163. com。的研究领域。2007年，美国弗吉尼亚理工大学 CPES中心、北卡罗来纳大学等研究机构就提出了 SBI研究计划阐述了直流配电系统结构[1_3]。大阪 大学等提出了含双电极的直流配电系统结构并得到 应用[“]。欧洲的意大利、英国、瑞士等国家也开 展了侧重于新型功率变换技术用以接入未来大量的 分布式电源的研究工作[7<。在韩国，中国台湾等 地同样展开了关于直流配电网的研究[1°_11]。长久以来，我国的配电网建设普遍落后于输电 网建设，由于配电网络建设和城市发展不同步导致 了与地区负荷发展不平衡的配电网结构[12]。配电 网规划的薄弱导致了电压跌落、电网谐波、电压不 稳定等电能质量问题越来越突出。与此同时，芯片

制造、航空航天等高新技术产业的发展对电能质量94南方能源建设第3卷的要求日益增高，直流配电网凭借其控制方式较为 先进、易于接入储能系统、电压稳定、电网谐波含 量较少等特点，改善了电能质量的不足，成为解决 上述问题的新的突破口。能源危机的爆发和社会环保意识的普及，让人 们对分布式能源发电有了新的认识。分布式能源发 电符合电力系统负荷就地平衡的基本原则。同时有 着良好的经济性和环保优势，为配电网络扩展出了 新的发电功能。如光伏、燃气轮机、储能电池等分 布式能源本身或容易变为直流电，接入直流配电网 有其独特优势。风机由于其不确定性强虽然本身为 交流电，在发电过程中也必须整流为直流电使用。 这些分布式能源经过DC-DC双向换流器接入直流 配电网即可使用，相较于交流配电网可以省去DC- AC环节，可以降低成本，减少损耗[13]。通过国外的研究资料可以看出[1_13]，就输送容 量，供电质量，控制方式这三个方面来看，直流配 电网比交流配电网性能更优。在输电过程中的线路 损耗以及运行成本降低，同时在大电网和分布式电 源之间进行协调，使得分布式能源可以得到充分利 用。本文首先对直流配电网的拓扑结构进行了较为 详尽的阐述，分析了直流配电网的特点和优势和直 流配电网的关键技术环节，最后对直流配电网在中 国的发展进了总结和展望。1直流配电网的拓扑结构直流配电网的拓扑结构分为环状，放射状和网 状。放射状配电网虽然有一次性投资小，继保整定 简单，对故障的识别和保护对应的控制配合较为容 易的优点，但由于其为开式网络，故可靠性较低。 环状以及网状的配电网属于闭式网络，供电可靠性 虽然较高，但由于其网络结构较为复杂，造成其继 保配合复杂，对故障的识别和保护对应的控制配合 较为较困难，一次投资也相对较高。因此选择直流 配电网的电压等级以及拓扑结构时应该根据实际的 工程需要进行选择[12]。1. 1交直流混合配电网结构当前我国配电系统中交流配电系统仍占主导地 位，如果将现有的交流配电网拆除并用直流配电网 取代，其经济性有待考证[14]。故可行的配电方案 将现有的交流配电网和直流配电网相结合，并逐步 向纯直流配电网方向发展，如图1所示。图1交直流混合配电网 Fig. 1 AC/DC hybrid power distribution network1.2纯直流配电网结构随着直流配电网在整个配电网所占比例的增 加，配电网将逐步向纯直流配电方向发展。直流配 电网通过换流站与交流输电网相连接，其主要设备 有换流站，直流电缆，直流变压器，直流断路器及 为交流负载供电所提供的逆变器[15]。图2所示的放射状网络中交流和直流电源通过 VSC和DC-DC变换器产生直流电连接到中压直流 母线，再经过DC-DC换流器，DC-AC适配器给直 流和交流负载提供电能。这种接线方式同另两种接 线方式相比其继电保护的整定以及控制策略的实现 都相对简单，但由于为单端供电，其供电可靠性较 差[12]。图3所示的环形供电系统中，分布式电源、 负载、储能装置、直流低压配电网等根据情况均匀 分布，当环网中任意一点发生故障，继保装置迅速 定位并让故障点与其他部分隔离，保证负荷的持续 供电[16]。但是由于环网的潮流方向有两种可能， 这使得故障的识别以及控制策略的制定变得困难。 图4表示的网状系统由多个环网组成，潮流更加复 杂，难以控制，这种结构目前仍处于研究阶段[17]。

图2放射状直流配电网 Fig. 2

Radial DC power distribution network增刊1章晋龙，等：国内外直流配电网技术发展研究综述95

图3环状直流配电网 Fig. 3 Ring DC power distribution network

为了实现直流入户，低压直流配电网要从中压 直流配电网的直流降压变压器获取电能再将电能分 配给用户。图5为放射状低压直流配电网，其中涉 及多级直流配电系统，需要保证电能质量、供电可靠性、经济性等要求[12]。

图5放射状低压直流配电网Fig. 5 Radial DC power distribution network of low voltage2直流配电网的特点和优势随着各行业对电能质量的要求越来越高，以及 电力系统中出现了越来越多的重要负荷、敏感负 荷、动态负荷，这对配电网的供电水平和能力提出 了更高的要求。传统的交流配电网由于其容易发生 电压跌落、电网谐波、电压不稳定等现象，加之供 电损耗大、供电走廊紧张等原因，直流配电网得到 了越来越多研究者的关注。直流配电网铺设线路成 本较低，在输电过程中线路电能损耗有所减少，拥 有较大的供电容量以及可靠性，同时较为环保。能 够有效解决电能质量问题、易于分布式电源、储能 电池接入等一系列特点和优势。2.1提高供电容量经济社会的不断发展导致社会用电量不断增 加，部分地区配电线路负载率已经达到或接近临界 水平，威胁配电系统的安全稳定运行。随着经济发 展水平进入一定阶段，土地的使用效率越来越高， 部分地区配网变电站和线路走廊选址出现困难，要 求配电网向集约化方向发展。相较交流配电网，直 流配电网在同等条件下可有效增加供电容量。文 献[12]显示，在相同的走廊宽度和线路建设费用的 条件下，直流线路可以传输交流线路1.5倍的 功率。2.2减小线路损耗在交流配电网中，交流电缆产生的有功损耗和 交流系统产生的无功损耗很大，交流系统加设无功 补偿系统需要增加投资，经济性较差。直流配电系 统只有正负两条输电线路，相对交流系统的三条输 电线路在输送同等功率的条件下可降低50%线 损[11]。如果直流输电系统为双极，则电流线路电 流下降至原电流的1/2，线路损耗为原损耗的1/4， 相较于交流的线路损耗大大降低。传统的交流变压器传输功率能够达到98% [12]。 基于电压源换流器(VSC)的直流配电网由于采取了 IGBT管和脉冲调制技术(PWM)在逆变和整流时能 量传输效率偏低。然而随着电力电子技术的不断发 展，直流配电网的传输效率仍有着很大的发展 空间。2. 3提高电能质量柔性直流配电网基于电压源换流器（VSC)，独

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分布式电源接入配电网研究综述

分布式电源接入配电网研究综述

分布式电源接入配电网研究综述

随着能源需求的不断增长和对环境保护的不断呼吁，分布式电源已经逐渐成为电力系统领域的研究热点之一。分布式电源接入配电网的研究在电力系统的可靠性、安全性和经济性等方面都具有重要意义。本文旨在对分布式电源接入配电网的相关研究进行综述，以期对分布式电源相关研究领域提供一定的参考和指导。

分布式电源（Distributed Generation, DG）是指将分散在用户侧的小型电源单元（如风力发电、太阳能发电、生物质发电等）接入到配电网中，能够在保证用电安全的前提下实现用户自主供电的一种新型发电方式。与传统集中式发电相比，分布式电源具有接近负载、减少输电损耗、提高用能效率、减少环境污染等优势。

分布式电源接入配电网的研究涉及到配电网的设计、规划、控制、保护等方面。具体而言，研究内容包括分布式电源并网技术、逆变器控制策略、配电网规划与运行管理、配电网保护策略等。

二、分布式电源接入配电网的并网技术

分布式电源并网技术是实现分布式电源接入配电网的基础和关键。常见的分布式电源并网技术包括同步运行并网技术、逆变器并网技术、微网并网技术等。

同步运行并网技术是将分布式电源接入到配电网，使其与配电网同步运行。这种技术适用于大规模的分布式电源，并具有技术成熟、操作稳定的优势。同步运行技术对分布式电源的容量、负荷动态特性等要求较高，不适用于小规模的分布式电源接入。

逆变器并网技术是将分布式电源的直流输出通过逆变器转换为交流电，并与配电网进行并联运行。逆变器并网技术适用范围广泛，可实现对多种类型的分布式电源的接入，是当前研究的热点之一。

微网并网技术是将分布式电源和负荷以及配电网设备通过微网控制器进行智能管理，形成一个具有一定自治能力的小型微网系统。微网并网技术能够有效解决分布式电源接入对配电网造成的影响，并提高配电网的可靠性和灵活性。

柔性直流输电工程技术研究、应用及发展

柔性直流输电工程技术研究、应用及发展

柔性直流输电工程技术研究、应用及发展

一、本文概述

随着能源结构的优化和电网技术的发展，柔性直流输电（VSC-HVDC）技术以其独特的优势，在电力系统中的应用越来越广泛。本文旨在全面概述柔性直流输电工程的技术研究、应用现状以及未来的发展趋势。我们将从柔性直流输电的基本原理出发，深入探讨其关键技术和设备，包括换流器、控制系统、保护策略等。我们还将分析柔性直流输电在新能源接入、电网互联、城市电网建设等领域的应用案例，评估其在实际运行中的性能表现。我们将展望柔性直流输电技术的发展前景，探讨其在构建清洁、高效、智能的电力系统中发挥的重要作用。通过本文的阐述，我们希望能够为从事柔性直流输电技术研究和应用的同行提供有益的参考和启示。

二、柔性直流输电技术原理

柔性直流输电技术，又称为电压源换流器直流输电（VSC-HVDC），是近年来直流输电领域的一项重大技术革新。与传统的基于电网换相换流器（LCC）的直流输电技术不同，柔性直流输电技术采用基于可关断器件的电压源换流器（VSC），这使得它在新能源接入、城市电网增容和孤岛供电等方面具有独特的优势。

柔性直流输电技术的核心在于电压源换流器（VSC）。VSC采用可关断的电力电子器件（如绝缘栅双极晶体管IGBT），通过脉宽调制（PWM）技术实现对交流侧电压和电流的有效控制。VSC既可以作为有功功率的源，也可以作为无功功率的源，因此它具有更好的控制灵活性和响应速度。

在柔性直流输电系统中，VSC通常与直流电容器和滤波器并联，以维持直流电压的稳定和滤除谐波。VSC通过改变其输出电压的幅值和相位，可以独立地控制有功功率和无功功率的传输，从而实现对交流电网的灵活支撑。

柔性直流输电技术还采用了先进的控制系统，包括换流器控制、直流电压控制、功率控制等，以确保系统的稳定运行和电能质量。这些控制系统可以根据系统的运行状态和实际需求，对VSC的输出进行实时调整，从而实现对交流电网的精准控制。

分布式电源接入配电网研究综述 2

分布式电源接入配电网研究综述 2

分布式电源接入配电网研究综述

随着能源需求的不断增长和环境保护意识的提高，分布式电源接入配电网的研究和应用越来越受到重视。分布式电源是指小型的、分散的、可靠的、灵活的发电设备，包括太阳能、风能、生物质能等，可以植入到需求侧或输电侧的电网中，并在一定程度上满足需求侧的电能需求。分布式电源接入配电网，可以提高电网的灵活性和可靠性，减少线路损耗，同时有助于实现可再生能源的大规模接入，促进电力系统的可持续发展。本文将从分布式电源接入配电网的概念、技术特点、研究现状及未来发展方向等方面进行综述，为相关领域的研究者提供参考。

一、分布式电源接入配电网的概念

分布式电源接入配电网是将分布式能源（分布式电力）与配电网结合起来，通过智能电力电子设备和智能通信技术，实现分布式能源与配电网之间的相互联系和协同运行。分布式能源包括太阳能发电系统、风力发电系统、燃料电池发电系统等，这些分布式能源可以直接接入到配电网中，为终端用户提供电能。相较于传统的集中式发电方式，分布式电源接入配电网可以更加灵活地满足用户需求，更好地应对电能需求的季节性和日内变化性，提高电力系统的可靠性和稳定性。

二、分布式电源接入配电网的技术特点

1. 基于电力电子技术

分布式电源接入配电网的实现离不开电力电子技术的支持。通过逆变器、变流器等电力电子设备，将分布式能源的直流电转换成交流电，与配电网相连。电力电子技术可以实现对电能的调控和管理，保证分布式电源与配电网之间的协同运行。

2. 智能化控制

分布式电源接入配电网中的智能控制系统，可以实现对分布式能源的智能调度和管理，通过实时监测和控制，实现对系统的优化调度，提高系统的运行效率。智能化控制系统也可以实现对配电网的实时监测和故障诊断，提高系统的可靠性和安全性。

3. 多元化的能源组合

分布式电源接入配电网可以容纳多种类型的分布式能源，包括太阳能、风能、生物质能等。不同类型的分布式能源可以相互补充，实现能源的多元化和互补利用，提高系统的稳定性和可靠性。

柔性直流输电工程技术研究、应用及发展 2

柔性直流输电工程技术研究、应用及发展 2

柔性直流输电工程技术研究、应用及发展

一、本文概述

1、简述柔性直流输电技术的背景和发展历程

随着能源结构的优化和电网互联的需求增长，直流输电技术以其长距离、大容量、低损耗的优势，在电力系统中占据了举足轻重的地位。然而，传统的直流输电技术，如基于晶闸管的直流输电（LCC-HVDC），存在换流站需消耗大量无功、无法独立控制有功和无功功率、对交流系统故障敏感等问题。因此，柔性直流输电技术（VSC-HVDC）应运而生，它采用电压源型换流器（VSC）和脉宽调制（PWM）技术，实现了对有功和无功功率的独立控制，并具有快速响应、灵活调节、易于构成多端直流系统等优点。

柔性直流输电技术的发展历程可以追溯到20世纪90年代初，当时基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）的VSC技术开始应用于风电场并网和孤岛供电等领域。随着电力电子技术的快速发展，VSC的容量和电压等级不断提升，使得柔性直流输电技术在电网互联、新能源接入、城市配电网等领域得到了广泛应用。进入21世纪后，随着全球能源互联网的提出和新能源的大规模开发，柔性直流输电技术迎来了快速发展的黄金时期。目前，柔性直流输电技术已经成为直流输电领域的研究热点和发展方向，其在全球范围内的大规模应用也为电力系统的智能化、绿色化、高效化发展提供了有力支撑。

2、阐述柔性直流输电技术在现代电力系统中的重要性

在现代电力系统中，柔性直流输电技术已经日益显示出其无法替代的重要性。它作为一种先进的输电技术，不仅克服了传统直流输电技术的局限性，还以其独特的优势在现代电网建设中占据了举足轻重的地位。

柔性直流输电技术的灵活性和可控性使得它在大规模可再生能源接入电网中发挥了关键作用。随着可再生能源如风能、太阳能等的大规模开发和利用，电网面临着越来越大的挑战。这些可再生能源具有随机性、波动性和间歇性等特点，对电网的稳定性造成了威胁。而柔性直流输电技术通过其独特的控制策略，可以实现对有功功率和无功功率的独立控制，从而有效地解决可再生能源接入电网所带来的问题，提高电网的稳定性和可靠性。