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直流配電網是相對於交流配電網而言的，其提供給負荷的是直流母線，直流負荷可以直接由直流母線供電，而交流負荷需要經過逆變設備後供電，如果負荷中直流負荷比例較大，直流配電將會有較大優勢。直流配電網線損小，可靠性高、無需相頻控制、接納分散式電源能力強。

基本介紹

中文名：直流配電網
外文名：DC Distribution
領域：能源利用
學科：電氣工程
特點：負荷採用直流配電方式
優點：線損小、可靠性高

背景,直流配電網國內外研究現狀,直流配電網優勢,直流配電網技術特點,DC較AC配電系統的結構優勢,直流配電網中分散式電源的接入,直流配電網拓撲結構,中壓直流配電網拓撲結構,低壓直流配電網拓撲結構,結語與展望,結語,展望,

背景

近年來高壓直流輸電技術逐漸成熟，並且己廣泛套用於電力系統中，換流器、濾波器、斷路器等各方面發展也較為成熟，直流輸電網比交流輸電網更加穩定，採用直流模式建設大電網可以從根本上消除交流電網的穩定性問題；因此低壓直流配電技術逐漸受到國內外學者的廣泛關注。

20世紀70年代世界範圍內的能源危機爆發後，環境污染、能源短缺等問題受到了全世界各國的普遍關注，分散式電源憑藉著負荷變動靈活、供電可靠性高、輸電損失小以及便於可再生能源套用等諸多優勢，在國內外受到越來越多的關注。這些分散式電源的發展對直流配電系統的發展起著巨大推動作用。分散式電源的接入使得傳統的配電系統由單一的供電形式，擴展出了發電的功能。典型的分散式電源主要有直流發電的光伏電池和交流發電的風機等，光伏發電產生的是直流電，由於其存在波動性，一般要經過DC/DC和DC/AC兩級變換器才能併入傳統的交流配電網；而風力機雖然是以交流形式產生電能，和光伏電池類似，產生的交流電通常也不穩定，一般需要經過AC/DC和DC/AC兩級變換器才能併入交流配電網。倘若這些分散式電源直接接入直流配電網，則可以省略上述的DC/AC逆變環節，不僅減小了成本、還降低了損耗。

另外，電力電子技術的快速發展使得用戶的用電方式發生了較大的變化。一方面，家用旋轉電器如：空調、冰櫃、洗衣機等都套用了電力電子變頻技術，在交流配電網中，這些電器需要經過AC/DC/AC兩級變換才能達到變頻。而對於直流配電網來說，則只需進行DC/AC轉換，從而省略了ACIDC整流環節，降低變換器損耗的同時還減小了成本。

直流配電網國內外研究現狀

近年來，高壓直流輸電技術廣泛套用於電力系統中，低壓直流配電技術也逐漸受到國內外學者的關注。直流配電網在輸送容量、可控性及提高供電質量、減小線路損耗、隔離交直流故障以及可再生能源靈活、便捷接入等方面具有比交流更好的性能，可以有效提高電能質量、減少電力電子換流器的使用、降低電能損耗和運行成本、協調大電網與分散式電源之間的矛盾，充分發揮分散式能源的價值和效益。國外許多國家如:美國、日本、歐洲和韓國等都已經開始了直流配電系統的研究和介紹。

2000年，美國通用電氣照明Weizhong Tang和威斯康辛大學麥迪遜分校電子與計算機工程學院的R.H.Lasseter研究了沒有中央控制單元的工業低壓直流配電系統。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套用於工業系統時的機遇和挑戰。2007年，美國維吉尼亞理工大學CPES中心提出了"Sustainable Building Initiative(SBI)”研究計畫，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。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。

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10kW直流配電系統樣機。2007年，日本大阪大學提出了一種低壓雙極型結構的直流配電系統，並對其基礎特性進行了研究。2010年對適用於居民住宅的直流配電系統損耗進行了評估，並與交流系統做了比較。

韓國政不少專門成億了智慧型微電網研究中心，投資約272萬美元計畫於2011年3月前建起直流微電網巨網供電系統，研究的重點集中在直流電分配、功率變換器和控制及通信系統三方面。項目由韓國明知大學Byung Moon Han教授負責實施。

自2009年開始，國內相關單位例如:清華大學，華北電力大學，浙江大學，逐步對直流配電網展開了相關研究。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，計畫於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。目前各國對直流配網的研究都還處在試驗探索階段，對直流配網的深入研究，尤其是對直流配電網接入電網裝置的研究目前接近空白，研究重點多集中在以直流微電網為核心的低壓直流配電網方面。但可以預見的是，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。

直流配電網優勢

直流配電網技術特點

目前交流配電系統面臨著線路損耗大、電壓瞬時跌落、電壓波動、電網諧波、三相不平衡現象加劇等一系列電能質量問題，迫切需要改變現有的配網結構，從而引入了直流配電網概念。直流配電網具有以下優勢：

（1）直流配電網的線路損耗小。考慮交流電纜金屬護套渦流造成的有功損耗和交流系統的無功損耗，當直流系統線電壓為交流系統的2倍時，直流配電網的線損僅為交流網路的15%到50%。雖然交流系統可通過無功補償等措施來降低線損，但這將大大增加系統的建設成本和複雜性。直流配電網採用的電壓源換流器和直流變壓器，一般採用基於絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的脈寬調製(PWM)技術，因此通態損耗和開關損耗較大，所以其電能轉換效率略低於交流變壓器。但直流配電網的線損遠低於交流配電網，且隨著電力電子技術與器件的發展，其換流器的通態損耗與開關損耗不斷降低，因此直流配電網的總體效率存在很大的上升空間，未來可能超越交流配電網。

（2）直流配電網供電可靠性高。交流配電一般採用三相四線或五線制，而直流配電只有正負兩極，兩根輸電線路即可，線路的可靠性比相同電壓等級的交流線路要高。當直流配電系統發生一級故障時，另一級可與大地構成迴路，不會影響整個系統的功率傳輸。當發生常見的單相或單極瞬時接地故障時，直流系統比交流系統回響更快、恢復時間更短，且可通過多次啟動或降壓運行來消除故障確保系統的正常運行。對於低壓直流配電系統，可以採用多母線冗餘結構來保證更高的供電可靠性。由於接入了電力電子變換器使得直流配電系統內可以形成獨立的保護區域，其故障不會波及到外部系統。此外，相較交流配網而言，直流配網更便於超級電容，蓄電池等儲能裝置的接入，從而提高其供電可靠性與故障穿越能力。

（3）不涉及相位、頻率控制，和無功功率及交流充電電流等問題。交流系統運行時需要控制電壓幅值、頻率和相位，而直流系統則只需要控制電壓幅值，不用涉及頻率穩定性問題，沒有因無功功率引起的網路損耗，也沒有因集膚效應產生的損耗等問題。此外，配電網採用電纜線路己經成為趨勢。但電纜沿線電容大，因此，傳送交流電時會產生很大的電容充電電流，既降低了線路輸電容量，也增加了線路損耗。而採用直流供電，上述問題都可以避免。

（4）直流配電網便於分散式電源、儲能裝置等接入。未來的配電網應能夠兼容風能、太陽能等大規模的分散式電源併網。光伏電池等發出的是一種隨機波動的直流電，需要DC/DC, DC/AC換流器，並配置適當的儲能裝置和複雜的控制系統等才能實現交流併網;風電等則是一種隨機波動的交流電，同樣需要AC/DC/AC換流器，並配置適當的儲能裝置和複雜的控制系統才能實現交流併網;各種儲能裝置，如蓄電池、超級電容器、作為分散式儲能單元的電動汽車充電站等，本身就是以直流電形式工作，需要雙向DC/AC接入交流電網。而在直流配電網情況下，實現分散式電源併網發電及儲能等接口設備與控制技術要相對簡單得多。

（5）具有環保優勢。直流線路的“空間電荷效應”使電暈損耗和無線電干擾都比交流線路小，產生的電磁輻射也小，具有環保優勢。直流輸電的兩條極性相反的架空線通常相臨排布，兩條電纜電流的大小相同，方向相反，且相距很近，所以，其對外界產生的磁場可以等效為0，相互抵消。而交流輸電系統採用三相制，所以，其產生的磁場強度和磁場範圍比直流輸電線路大很多，且對人體和其他動植物產生的危害較直流更大。

DC較AC配電系統的結構優勢

如今，用戶側越來越多的負荷，如計算機、通信和家用電器等設備的內部供電都是基於直流電壓。而目前的配電網系統的用戶側接入電壓是通過變壓器降壓得到的交流電壓，因此，用戶側設備的電源一般都需要在輸入側引入單相整流器(AC/DC)來把配電變壓器的交流電壓整流成直流電壓，然後再經過直流斬波器(DC/DC)變換成所需要的直流電壓為負載供電。將目前交流配電系統與經交流配電系統改造後的直流配電系統進行了對比分析如右圖所示。

通過將原來的交流配電系統改造為直流配電系統具有以下優勢：

（1）使得電力電子通信設備、照明負荷等直流用電設備直接或通過一級DC/DC就可接入直流母線，省去了AC/DC環節。

（2）如果選定合適的直流母線電壓等級，光伏電池等直流分散式電源就可直接接入母線，而不必通過大量複雜的DC/AC逆變等裝置。而對於風力發電等交流分散式電源則也只需一級較為簡單的整流環節，再通過DC/DC轉換成給定的直流電壓即可。

（3）可在直流母線處引入大容量的蓄電池組和超級電容器作為系統備用，一方面可作為電動汽車的動力電池，另一方面也可從一定程度上提高配電系統自身的可靠性。而對於傳統交流配電系統，蓄電池組備用電源需要逆變裝置才能併網，無疑增加了成本、降低了效率。

通過比較這兩種不同形式的配電系統，很容易發現直流配電系統省去了大量分散的整流器(AC/DC)和併網逆變器(DC/AC)，簡化了配網結構，提高了系統效率和可靠性，並大大降低了成本。使得以太陽能和風機為代表的可再生能源併網變得更便捷和經濟，並為今後LED照明和電動汽車的發展奠定了良好的基礎。

直流配電網中分散式電源的接入

通過對直流配電網國內外研究現狀及技術特點的了解，可知直流配電網比交流配電網有更好的性能，不僅可提高供電可靠性，減小線路損耗，且不涉及相位、頻率控制和無功功率等問題，同時也為分散式電源的接入提供了良好的條件。分散式電源的普及為直流配電網的發展奠定了堅實的基礎，其根本原因在於分散式電源併入直流配電網可以節省大量的換流器件。DG一般與當地配電網路併網運行，如35kV,IOkV和380/220V，對直流配電網的拓撲結構、電壓等級等有著多方面影響，因此對分散式電源的特性及其併入直流配電網的方式進行了闡述分析。

目前，較為常見的分散式電源主要有光伏電池、燃料電池、風力機和燃氣輪機等，這些分散式電源都採用非常環保清潔的發電方式，具有很大的發展前景。

而且這些電源產生的電能均為直流電或經過簡單整流後變為直流電。因此，分散式電源併入直流配電網將節省大量的換流環節。右圖是一個較為典型兼容分散式電源的直流配電系統。其中包括直流發電的分散式電源：光伏發電、燃料電池和交流發電的分散式電源：風力發電和微型燃氣輪機。這些分散式電源通過各自相應的變換器與系統的直流母線相連。直流母線通過雙向DC/AC變換器與交流主網進行能量交換，通過雙向DC/DC變換器與儲能單元進行能量交換，通過DC/AC逆變器給交流負載供電，通過DC/DC變換器給直流負載供電。

直流配電網拓撲結構

直流配電系統的未來趨勢應包括中壓配電網和用戶側低壓配電網的公共配電網路，即中壓直流配電系統和低壓直流配電系統。其中直流配電網的拓撲結構和電壓等級的選擇是直流配電網的重要因素。

確定直流配電網的拓撲結構有以下幾點需要注意：

（1）直流配電系統必須能夠與大電網併網運行，所以併網變換器必須具有功率雙向流動的特性，以便將DG發出的過剩能量傳輸給交流電網；

（2）直流配電系統必須能夠為負載提供較為穩定的電壓；

（3）直流配電系統必須具有較高的安全可靠性。

中壓直流配電網拓撲結構

與多端直流輸電技術相比，直流配電技術更關注直流入戶的實現，必然涉及多級直流配電及供電可靠性、電能質量等問題，如中壓直流配電網中的部分電能，需經直流變壓器等直流降壓裝置送到低壓直流配電網後再供用戶使用，因此其系統結構與工程實現相對而言比多端直流輸電要複雜得多。其基本的拓撲結構主要有環狀、放射狀與兩端配電3種，如右圖所示。

交流電網、分散式電源、儲能設備、交直流工業負載等各類電源與負載，根據自身要求經不同類型的適配器接入不同電壓等級的直流配電網。各類交、直流電源產生的電能，分別經VSC和DC/DC換流器轉換成一定電壓等級的直流電並通過直流配電網輸送到各負載端，再經VSC或DC/DC換流器分別轉換成交流或直流電為相應的交流或直流負載供電。一般來講，與交流大電網連線的VSC具備能量雙向流動的功能，以便實現直流配電網與交流大電網之間的電能交換與功率平衡;連線儲能設備的DC/DC換流器涉及充、放電，同樣也是雙向型的。通常來說，環狀網路及兩端配電網路的供電可靠性相對較高，但故障識別及保護控制配合等也相對困難，放射狀網路供電可靠性相對較低，但故障識別及保護控制配合等相對容易。選定直流配電網路拓撲結構需要綜合考慮直流配電網供電可靠性、供電範圍牌離)及投資等實際工程需要。一般情況下，網狀結構主要用於直流輸電，而樹狀結構主要用於直流配電。

低壓直流配電網拓撲結構

（1）按上層傳輸方式分類

低壓直流配電網即用戶側直流配電網。按上層傳輸方式分類，配電網的拓撲結構可分為兩類。如右圖所示，交流傳輸、直流傳輸的DC配電系統結構。

由於目前各國對直流配電網的研究都還處在試驗探索階段，對直流配電網的深入研究，尤其是對直流配電網接入電網裝置的研究及其關鍵設備的研製目前接近空白，因此，現在大部分的研究都集中在如圖（a）所示的上層為交流傳輸的低壓直流配電系統；（b）所示的直流配電系統將是未來的發展方向。

（2）按交流負荷供電方式分類

按交流負荷供電方式分類可分為兩種：集中型供電模式和模組式的輻射型供電模式。集中式低壓直流配電系統參見右圖（a），兩個交流系統靠一條直流線路相連。用戶與直流系統相連，多個用戶從一個變流器取電。輻射型參見右圖（b）。用戶不直接與直流系統相連，每一個用戶對應一個變流器。

1）集中式供電模式是類似於高壓直流輸電的直流配電系統。多個用戶從一個變流器取電，此種拓撲結構簡單，變流器效率高，但其擴展和冗餘能力較差，不適宜分散式電源的接入，且變流器容量大、負擔重、可靠性也會降低。適用於電源和負荷均比較集中的情況。

2）模組式直流配電系統。用戶間接與直流系統相連，每個用戶作為一個單獨模組各自對應一個變流器，此種拓撲結構擴展能力和冗餘能力都很強，但變流器效率低。適用於電源和負荷均比較分散的情況。

直流配電系統有利於分散式電源併網和直流負荷用電，通常分散式電源由於地理環境因素，安裝會比較分散;低壓直流配電網的直流用戶可直接通過變換器從直流母線上取電，故用戶也可比較分散;為了兼容更多的分散式電源和負荷接入系統，就必須充分考慮到系統的擴展性，因此，直流配電系統適合採用輻射型網路結構。

結語與展望

結語

近年來高壓直流輸電技術逐漸成熟，並且己廣泛套用於電力系統中，換流器、濾波器、斷路器等各方面發展也較為成熟，採用直流模式建設大電網可以從根本上消除交流電網的穩定性問題。因此，低壓直流配電技術逐漸受到國內外學者的廣泛關注。以風能、太陽能等為代表的分散式發電技術作為綜合利用現有的可再生能源的理想方式，日益受到電力行業和研究學者的關注，並已經在世界範圍內得到了廣泛的套用。隨著DG技術的日益成熟，越來越多的分散在用電負荷附近的分散式電源接入配電系統，但是風力發電、太陽能發電都是間歇性電源，發出的功率是隨風速、光照等外界因素變化的，因此存在穩定性和效率低等先天性的缺陷。如果考慮將其接入交流配電系統，又將因分布發電與現存交流配電網在基本特性上的差異可能會加劇這種不穩定性。基於電力電子變換器的直流配電結構研究日益廣泛，通過將分散式電源接入直流結構的配電系統中，並配合混合儲能裝置，來提高系統的可靠性和電能質量。

展望

根據國外研究可知，直流配電網在供電容量、線路損耗、電能質量、無功補償以及適於範圍等方面都明顯優於交流配電網。因此將具有低投入、低損耗、高可靠性的分散式電源接入直流配電網中勢必會成為了電力領域的一個重要的發展方向。但是，大量分散式電源的滲入同時也給直流配電網的規劃和運行帶來了很多的不確定性因素。因此，對於含分散式電源的直流電網的儲能系統規劃問題有待進一步的分析與研究，以儘量減小分散式電源對配電網帶來的負面影響。對於含分散式電源的直流配電網未來的研究方向，闡述如下：

（1）目前關於直流配電網的研究還僅僅處於定性階段，僅僅從證明了此概念在某些方面對於交流配電網具有一定的優越性。但其優越性究竟如何，相比目前的配電系統到底有多大的優勢，對連線的交流電網的影響到底有多大，都需要迫切的解決。

（2）對於以太陽能、風能等作為一次能源的分散式發電技術，其輸出的有功功率不同於傳統發電廠，會隨著溫度、光照、風速等自然條件的變化而產生明顯的波動，且無法對其進行有效的調節。因此，為了建立相應的模型，有必要對著類分散式能源隨氣象變化的規律和統計特性加以研究。

（3）所提到的直流配電系統，只是針對風力發電一種情況進行分析和仿真，沒有考慮其他發電方式的功率補償方案，該方面有待進一步的研究。

直流配電網