直流配電網在智慧城市中的研究

唐京瑞，段勛興，湯 東，陳 勇

(1.重慶化工職業學院 機械與自動化工程學院，重慶 401220；2.國家電網公司廣安供電局，四川 廣安 638500)

0 引 言

智慧城市是利用信息與通信技術手段感測、分析和整合城市運行中各種需求并做出智能響應。隨著智慧城市的深入發展，用戶對電能質量和供電可靠性的要求越來越高。現有的交流配電網絡將面臨負荷和用電需求多樣化、潮流均衡控制復雜化、分布式能源接入常態化以及電能供應過程中的安全可靠性、高效性和經濟性等多方面的挑戰。研究資料表明，在電能傳輸容量、安全可靠性及提高電能質量等方面，直流配電網相比現有的交流配電網具有更好的性能[1]。

隨著近代電力電子技術的發展，越來越多的用電設備采用了AC/DC直流供電形式，如節能的變頻技術、新能源電動汽車直流充電技術等。因此，直流配電技術的發展引起了國內外學者的廣泛關注，對直流保護、接地方式、拓撲結構、負載模型及控制等方面進行了深入研究。

1 國內外直流配電網的研究現狀

與交流配電網相比，直流配電網具有傳輸容量大、損耗小、節能等優勢，國內外紛紛開展了直流配電網的研究。在2004年，日本科研機構提出了直流微電網的配電系統構想，并與2006年提出了一套雙極性結構的直流微電網系統[2]。2007年，羅馬尼亞的布加勒思特大學提出了一套具有交替供電電源的直流配電網系統，不僅可以接入風能和光伏等分布式電能，還可以接入沼氣等生物能供電。同年，英國和瑞士也開展了利用新型功率變換技術，讓分布式電源接入現有電網的功率流動管理課題。美國是研究直流電網較早的國家之一，相繼提出了交直流分層配電連接的混合配電系統，為智能樓宇供電方案。除了日本、美國和歐洲等發達國家外，中國和韓國也開展了大量直流配電網的研究。2008～2014年，韓國投資約272萬美元建立了直流配電網供電系統，對直流電分配、功率變換和控制通信技術方面進行了系統性研究。

2 直流配電網的特點與優勢

隨著智慧城市規模的發展，電網中的重要負荷、靈敏負荷以及非線性負荷比重越來越大。交流配電網面臨著線路損耗、電壓波動和諧波等問題，需要改變當前配電網結構以適應新的負荷形式。直流配電網具有電能質量高、供電容量大、線路損耗小等一系列優點，能夠適應智慧城市負荷的變化，具有重要的研究意義。

2.1 直流配電網的電能質量

綠色節能與環保是智慧城市建設中的主題，光伏發電及其他分布式發電將占據供電電源的一部分。對于直流電網而言，接入分布式電源顯然比交流配電網更容易。此外，直流配電網中的換流器不需要交流側提供無功功率，能夠起到穩定用戶側和母線側電壓的作用，從而提高供電質量。

2.2 直流配電網的供電容量

隨著智慧城市的發展，用電負荷量必然增多，需要配電網絡具備傳輸更多容量的能力。相關文獻研究表明，在線路建設費用相同時，直流線路的傳輸功率約為交流線路傳輸功率的1.5倍，即采用直流配電網絡輸電能夠有效提高輸電容量[3]。

2.3 直流配電網的線路損耗

交流配電網在傳輸電能過程中，由于電纜金屬渦流會產生大量有功損耗和無功損耗，而當直流系統線電壓提高為交流的2倍時，直流配電網的線路損耗僅為交流配電網的15%～50%。雖然交流配電網中可以通過增加電容器等方式進行無功補償，但考慮到整個系統建設的成本和復雜程度，直流配電網具有更大的優勢。

3 直流配電網在智慧城市中的研究

3.1 直流斷路器

直流斷路器是在直流配電網中起著故障跳閘和保護作用的重要設備。根據電流開斷方式，可以分為機械式直流斷路器、固態直流斷路器和混合式直流斷路器。直流斷路器性能的好壞，直接決定了整個直流配電網絡的供電可靠性。目前，ABB等公司研發的機械式直流斷路器已經廣泛應用于地鐵、船艦等直流配電工程。隨著半導體器件的發展，性能更卓越的固態直流斷路器和混合式斷路器將在直流配電中得到廣泛應用。

3.2 直流配電網的保護

直流配電網保護系統可以利用計算機通信設備、直流斷路器、隔離開關等電氣設備構建成完整的繼電保護體系，及時清除線路中的故障。兩端直流配電系統利用IEC61850快速通信系統[4]，具有可靠性高、靈敏性好、快速響應性高等特點，進一步提高了整個直流配電系統的保護性能。如圖1所示，集成保護方案集快速通信和直流斷路器的控制、保護功能于一體，是直流配電系統保護未來發展的主要方向。

圖1 兩端直流配電系統

3.3 建筑樓宇直流配電網的構成

在建筑樓宇直流配電網設計過程中，應充分考慮建筑樓宇的負荷特性。首先，建筑樓宇中設有信息數據管理中心，需要供電系統提供高可靠性的電能；其次，光伏和風力等分布式電源接入建筑樓宇直流配電網時，應考慮接入瞬間的沖擊性電流，否則會引起保護裝置的誤動作。

采用雙層直流配電線路拓撲結構，分別為直流380 V、24 V，如圖2所示。上層電路可以接入光伏等分布式直流電源，下層線路可以為計算機、服務器等數據中心供電。兩層配電線路由直流配電器連接，從而提高供電的可靠性，保證供電的安全運行。

圖2 雙母線系統結構

4 直流配電技術面臨的關鍵問題

直流配電網技術仍處于研發的初級階段，面臨著亟待解決的關鍵技術問題，主要包括分布式電源的接入、直流配電系統接地方式以及電力電子裝置限流能力等。

4.1 分布式電源接入

當分布式電源接入直流配電網時，配電系統由單端供電變成了多段供電，系統控制方式和拓撲結構均發生了改變，導致原有繼電保護中的方向保護產生誤動作。因此，在直流配電網保護配置過程中，必須考慮分布式電源接入的影響。

4.2 接地方式

直流配電系統的接地方式直接關系故障電流大小，發生故障時會產生很高的接地電壓和接觸電壓，嚴重影響人身安全和設備安全。目前，許多直流配電系統采用不接地的方式，但是一旦發生故障，過電壓將直接影響電氣設備的絕緣性能。

4.3 電力電子裝置限流能力

直流配電系統中有許多AC/DC、DC/AC變換電路。目前，電力電子元件過載能力小，保護設備的通斷能力有限。隨著負荷特性的變化，直流配電網對電力電子裝置性能的要求變得越來越高。

5 結 論

隨著電力電子元件的日益成熟，直流負荷在智慧城市建設中日漸增多，直流配電網技術在電網中起著至關重要的作用。雖然當前還面臨著許多亟待解決的關鍵問題，但針對直流配電網技術的研究仍是值得繼續探索的前沿課題。