直流配電系統(tǒng)示范工程現(xiàn)狀與展望

姜淞瀚，彭 克，徐丙垠，張新慧，劉盈杞

（山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博255000）

0 引言

在電力系統(tǒng)發(fā)展初期，直流電作為最主要的輸電方式最先得到了應(yīng)用，但受限于當(dāng)時的科技水平，直流電存在諸多問題，例如不易變壓、傳輸距離有限、不能形成大電網(wǎng)等，這導(dǎo)致直流系統(tǒng)發(fā)展緩慢，逐漸被交流系統(tǒng)所代替。

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，交流系統(tǒng)的缺點也日益突出，例如線路損耗大、潮流控制困難、無法實現(xiàn)異步互聯(lián)、存在功角平衡等問題。自2003 年美加大停電以來，世界范圍內(nèi)發(fā)生了多起大范圍停電事故，這是由于負(fù)荷中心電源支撐弱，無功電壓支撐能力不足，導(dǎo)致事故范圍擴大，最終引起電壓崩潰，造成大面積停電。總結(jié)事故經(jīng)驗教訓(xùn)，其本質(zhì)是現(xiàn)有配電系統(tǒng)與城市發(fā)展規(guī)模不匹配，負(fù)荷增長對配電系統(tǒng)的安全運行提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。現(xiàn)代城市供電走廊緊張，土地價格居高不下，擴大配電系統(tǒng)規(guī)模的成本太高。現(xiàn)代城市負(fù)荷的迅速增加、電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用和供電容量的增加會導(dǎo)致系統(tǒng)的短路電流增大，使系統(tǒng)運行存在安全隱患。此外，數(shù)據(jù)中心等負(fù)荷對供電可靠性和電能質(zhì)量的要求越來越高，交流配電系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

隨著經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，能源危機和環(huán)境污染問題受到世界各國的普遍關(guān)注。分布式發(fā)電和儲能技術(shù)是緩解能源枯竭和環(huán)境污染問題最有效的手段之一，光伏、風(fēng)機、燃料電池等常見的分布式發(fā)電方式，通常都是直流電或經(jīng)整流后變?yōu)橹绷麟姡捎媚孀兤鞑⑷虢涣麟娋W(wǎng)會在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生諧波，降低系統(tǒng)效率，影響系統(tǒng)的安全運行和繼電保護裝置的正確動作［1］。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，負(fù)荷側(cè)整體結(jié)構(gòu)也發(fā)生巨大變化。在接入交流配電系統(tǒng)時，電動汽車、電腦、手機等負(fù)荷需要裝設(shè)AC／DC 裝置進行供電，空調(diào)、冰箱、洗衣機等家用變頻設(shè)備和儲能系統(tǒng)ESS（Energy Storage System）也需經(jīng)過AC／DC／AC裝置才能實現(xiàn)變頻以及保證供電質(zhì)量和供電可靠性。用戶的用電方式日益變化，電動汽車和數(shù)據(jù)中心等直流負(fù)荷的出現(xiàn)、電力電子設(shè)備的使用以及沖擊性負(fù)荷的增長，導(dǎo)致交流配電系統(tǒng)存在大量的諧波污染，這與用戶對電能質(zhì)量要求日益提高的矛盾與日俱增［2］。

相較于傳統(tǒng)的交流配電系統(tǒng)，直流配電系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢：直流配電系統(tǒng)的供電容量更大，并可以通過接入ESS等提高系統(tǒng)的供電可靠性和故障穿越能力；直流配電系統(tǒng)對分布式發(fā)電裝置、ESS和直流負(fù)荷等直流設(shè)備具有良好的接納能力，且損耗更低，電磁干擾問題比較小；直流配電系統(tǒng)無需考慮相角和頻率，可以實現(xiàn)異步系統(tǒng)互聯(lián)，分布式電源并網(wǎng)無需經(jīng)過DC／AC 變換，一方面可提高電能變換效率以及減少設(shè)備損耗，另一方面可簡化電器的內(nèi)部電路以及降低故障率和設(shè)備成本。目前，國內(nèi)外對直流高壓輸電系統(tǒng)的研究較為深入，在異步系統(tǒng)互聯(lián)、無源系統(tǒng)供電等方面有諸多成功案例。直流配電技術(shù)在數(shù)據(jù)中心、艦船系統(tǒng)、鐵路牽引、電信系統(tǒng)等領(lǐng)域已有部分應(yīng)用。實際應(yīng)用案例表明，直流配電系統(tǒng)可以有效提高電能質(zhì)量，減少損耗和設(shè)備成本，能夠更好地接納分布式電源以及降低電力電子設(shè)備給系統(tǒng)帶來的沖擊，保證電網(wǎng)的安全運行。為此，本文對國內(nèi)外直流配電系統(tǒng)的示范工程進行總結(jié)分析，以期為我國直流配電系統(tǒng)的發(fā)展提供思路。

1 國外示范工程介紹

近年來，美國、德國、丹麥、日韓等國家都逐漸開展直流配電系統(tǒng)的相關(guān)研究，從電壓等級、應(yīng)用場景、控制架構(gòu)和繼電保護方案等方面進行理論研究和示范驗證。國外相關(guān)示范工程大多集中在直流建筑、海島微電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等，電壓等級較低且容量較小。在配電網(wǎng)、微電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進一步細化，相關(guān)學(xué)者提出“納米網(wǎng)”、“智能配電網(wǎng)分布式智能電網(wǎng)DGI（Distributed Grid Intelligence）”等概念，并根據(jù)工程需要研發(fā)了直流配電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，例如DC／DC 變換器、能量管理設(shè)備、ESS、故障管理裝置等。具體如表1所示。

表1 國外示范工程介紹Table 1 Introduction of foreign demonstration projects

1.1 美國可持續(xù)建筑工程

美國弗吉尼亞理工大學(xué)的電力電子系統(tǒng)中心CPES（Center for Power Electronics Systems）在2007 年提出基于直流配電的可持續(xù)建筑方案SBI（Sustainable Building Initiative）研究計劃。該計劃采用分層式母線結(jié)構(gòu)，直流配電系統(tǒng)設(shè)有2 個電壓等級：380 V直流母線用于驅(qū)動空調(diào)、烘干機、電熱爐等大功率負(fù)荷，48 V 直流母線則通過DC／DC 變換器與380 V 直流母線連接，主要為電視、電腦、LED燈等小功率負(fù)荷供電，提高了供電的安全性［3］。

隨著研究的深入，CPES 在2010 年將SBI 工程拓展為SBN（Sustainable Building and Nanogrids）計劃，在家居用電的基礎(chǔ)上提出交直流混合供電網(wǎng)絡(luò)，將光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、ESS、電動汽車等接入380 V 直流母線，以實現(xiàn)能量管理和零排放，可以形成獨立的微電網(wǎng)運行，具有較強的故障穿越能力，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中箭頭表示潮流方向。

圖1 SBN結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of SBN

SBN 工程采用兩級脈沖寬度調(diào)制（PWM）變換器作為能量控制中心ECC（Energy Control Center）對直流系統(tǒng)進行控制，這可以顯著減少直流鏈路電容和電壓紋波，實現(xiàn)短路保護、直流母線電壓快速調(diào)節(jié)以及軟啟動能力，并具有直流側(cè)高頻漏電流消除功能。此外，為減少ESS 充放電產(chǎn)生的開關(guān)損耗，CEPS 設(shè)計了三相交錯雙向DC／DC 變換器，相比雙開關(guān)DC／DC 變換器，其可以減少開關(guān)通斷和二極管反向恢復(fù)帶來的損耗，損耗約降低22.5%，并且具有較高的開關(guān)頻率以及較低的輸入、輸出電流紋波，極大簡化了濾波器的設(shè)計。針對三相交錯變流器在輕負(fù)荷下效率低的問題，采用電流斷續(xù)模式DCM（Discontinuous Current Mode）運行，與電路恒流模式CCM（Constant Current Mode）運行相比，DCM 可以顯著降低關(guān)斷損耗和導(dǎo)通損耗，有助于提高效率。

由于SBN工程提出較早，換流器、直流變壓器等設(shè)備的技術(shù)相對不成熟，且受限于當(dāng)時的配電網(wǎng)構(gòu)架采用分層單母線結(jié)構(gòu)，供電可靠性較差。但在SBN 工程中，相關(guān)學(xué)者在配電網(wǎng)、微電網(wǎng)的基礎(chǔ)上提出“納米網(wǎng)”等概念，將直流配電系統(tǒng)細化、直流負(fù)荷模塊化，有利于保護分區(qū)和即插即用功能的實現(xiàn)，對直流配電系統(tǒng)的控制研究和拓展有重要意義，而且這種模塊化的分類方式被后續(xù)的許多工程借鑒。

1.2 美國未來可再生能源傳輸管理工程

2011年，美國北卡大學(xué)站在對船艦直流配電系統(tǒng)進行分析與研究的基礎(chǔ)上，提出未來可再生能源傳輸管理FREEDM（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management）系統(tǒng)，采用12 kV 交流作為系統(tǒng)母線，實現(xiàn)交直流配電和即插即用功能，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見附錄中圖A1［4］，圖中實線表示系統(tǒng)之間的電氣連接，虛線表示通信網(wǎng)絡(luò)，箭頭表示信息流。

FREEDM系統(tǒng)包含3個關(guān)鍵技術(shù)［5］。

（1）即插即用接口。系統(tǒng)含1 個400 V 直流和1個120 V 交流總線接口，可以實現(xiàn)含分布式發(fā)電和ESS交直流系統(tǒng)的并網(wǎng)。

（2）智能能量管理IEM（Intelligent Energy Management）裝置。系統(tǒng)的12 kV 母線通過3 個IEM 裝置分別連接69 kV 外部電網(wǎng)、120 V 交流系統(tǒng)和400 V直流系統(tǒng)，在電壓轉(zhuǎn)換和交直流變換的基礎(chǔ)上實現(xiàn)能量控制，并具有局部電源管理功能，例如低壓交流和直流電壓的調(diào)節(jié)、電網(wǎng)側(cè)電壓暫降穿越、負(fù)荷側(cè)故障電流限制等。

（3）標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)DGI。該系統(tǒng)嵌入IEM 設(shè)備中，利用通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)系統(tǒng)管理與其他能源路由器。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見附錄中圖A2。

此外，F(xiàn)REEDM 系統(tǒng)安裝了智能故障管理IFM（Intelligent Fault Management）設(shè)備以隔離電路中的潛在故障，從而提高用戶側(cè)的故障恢復(fù)能力和電能質(zhì)量。

FREEDM 系統(tǒng)的環(huán)狀供電結(jié)構(gòu)具有自身獨特的優(yōu)勢：在保證系統(tǒng)供電可靠性的前提下具有良好的拓展能力，并且由于IEM 和IFM 設(shè)備的存在，用戶側(cè)的負(fù)荷變動對直流配電網(wǎng)的影響大幅降低，滿足了“即插即用”的需求。此外，F(xiàn)REEDM 系統(tǒng)采用基于智能電網(wǎng)設(shè)備的DGI 系統(tǒng)，在維持系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下考慮市場狀況和用戶需求，實現(xiàn)實時電價和能量管理。FREEDM 系統(tǒng)的提出代表了一種新理念：可以在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上通過有效的能源管理措施實現(xiàn)分布式發(fā)電的廣泛接入和環(huán)境保護。

1.3 德國亞琛工業(yè)大學(xué)City of Tomorrow工程

德國亞琛工業(yè)大學(xué)提出City of Tomorrow 城市供電方案，并在亞琛工業(yè)大學(xué)內(nèi)建造了±5 kV 直流配電示范工程，城市配電系統(tǒng)采用中壓直流環(huán)網(wǎng)供電，通過大功率AC／DC 換流器和DC／DC 變換器進行電能轉(zhuǎn)換與傳輸［6］。

中壓直流配電系統(tǒng)由外部20 kV 交流變電站供電，經(jīng)AC／DC 變換后為亞琛工業(yè)大學(xué)新校區(qū)的幾個大功率試驗臺提供電能，總功率為15.5 MW。該直流配電系統(tǒng)采用電纜雙極環(huán)網(wǎng)方式供電，如圖2所示，每臺試驗裝置通過DC／DC變換器或DC／AC換流器連接到直流母線上。其中，雙向AC／DC 換流器A 連接直流配電系統(tǒng)和外部交流系統(tǒng)，在正常工作時以整流方式為直流配電系統(tǒng)供電，必要時反轉(zhuǎn)潮流方向，以逆變模式運行為外部交流系統(tǒng)供電。該直流配電系統(tǒng)采用主從控制策略，換流器A 作為主控制單元，換流器C、D、E 分別控制各自負(fù)荷的電壓和頻率。DC／DC 變換器B 作為ESS的控制單元，負(fù)責(zé)蓄電池組的充放電控制功能。

圖2 City of Tomorrow結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of City of Tomorrow

作為城市直流配電網(wǎng)的示范工程，City of Tomor?row并未考慮新能源并網(wǎng)問題，系統(tǒng)的能量供應(yīng)僅有外部交流電網(wǎng)和ESS，由于未接入分布式發(fā)電裝置，在外部交流電網(wǎng)發(fā)生故障時，ESS 很難維持需要的持續(xù)供電，故障穿越能力較差。但該示范工程為城市直流配電系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供了經(jīng)驗，同時也為未來大功率DC／DC 變換器、直流斷路器、高溫超導(dǎo)電纜技術(shù)等設(shè)備的測試提供了試驗場地。

1.4 丹麥博恩霍爾姆島工程

作為歐盟《歐洲島嶼清潔能源倡議》和丹麥能源島項目的一部分，博恩霍爾姆島旨在促進部署創(chuàng)新解決方案，實現(xiàn)歐盟島嶼脫碳。博恩霍爾姆島的供電系統(tǒng)由傳統(tǒng)能源和可再生能源發(fā)電組成，交流系統(tǒng)分為60、10、0.4 kV 這3 個電壓等級［7］。0.62 kV直流電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如附錄中圖A3所示，該直流系統(tǒng)內(nèi)部分別通過專用母線連接60 kW 的光伏系統(tǒng)、192 kW·h的電池儲能系統(tǒng)BESS（Battery Energy Storage System）、2 kW 的風(fēng)力渦輪機和50 kW 的電動汽車快速充電器，并通過一個三相30 kW 的直流變換器與外部400 V交流電網(wǎng)進行電能交換。

該直流配電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是一種可重構(gòu)的電池組。在可重構(gòu)電池中，可以根據(jù)所選擇的電池特性、發(fā)電單元和負(fù)荷特性實時重新排列電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保持電池組之間的平衡。根據(jù)電池組的組合方式不同，可以獲得不同的電壓、電流和功率水平，以確保適當(dāng)?shù)碾娏髅芏取Ｒ虼耍總€BESS 可與配電系統(tǒng)中的任一發(fā)電機組或電動汽車并聯(lián)，節(jié)省了DC／DC 變換器，降低了能量損失、投資成本和故障風(fēng)險［8］。

分布式發(fā)電在丹麥電力系統(tǒng)中占有較高比例，博恩霍爾姆島工程的建設(shè)和運維作為歐盟島嶼脫碳計劃的一部分，提供了良好的示范工程，且該工程在電動汽車側(cè)采用V2G（Vehicle to Grid）技術(shù)，用于調(diào)節(jié)分布式發(fā)電的輸出電能。BESS 可通過不同數(shù)量的蓄電池組串聯(lián)輸出不同等級的直流電壓，省略了不同電壓等級互聯(lián)時的直流變壓器設(shè)備，但由于目前蓄電池組占地范圍大且造價較高，實際上并未減少系統(tǒng)的占地面積，不利于家用或商業(yè)推廣，且BESS 的投切對開關(guān)的要求較高，增加了系統(tǒng)成本。在V2G 技術(shù)、BESS、分布式發(fā)電的支撐下，通過外部電網(wǎng)的調(diào)節(jié)，博恩霍爾姆島已實現(xiàn)了島嶼脫碳，為直流系統(tǒng)運行方式和島嶼脫碳提供了寶貴經(jīng)驗。

1.5 日本電報電話株式會社仙臺工程

日本電報電話株式會社（NTT）受新能源與工業(yè)技術(shù)開發(fā)組織（NEDO）委托，在日本仙臺市啟動了日本首個直流配電系統(tǒng)的示范工程［9］。該工程采用兩極三線制母線結(jié)構(gòu)，如圖3 所示，交流側(cè)電壓為400 V，直流側(cè)母線電壓為430 V，ESS 和光伏電池通過DC／DC變換器與直流母線相連，再經(jīng)過DC／DC變換器連接300 V 直流母線，可直接向數(shù)據(jù)中心的高壓直流輸電（HVDC）服務(wù)器供電。負(fù)荷單元電壓等級為48 V，由300 V 直流母線通過5 kW DC／DC變換器供電。

圖3 NTT仙臺直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of NTT Sendai DC distribution system

為提高直流配電系統(tǒng)的效率，NTT 公司開發(fā)了一個400 V 整流器，具有良好的功率因數(shù)校正、高頻隔離和輸出穩(wěn)壓等功能，并在低負(fù)荷因數(shù)中實現(xiàn)了超過95%的效率［10］。同時，為提高電能質(zhì)量，該示范工程將電壓補償器VC（Voltage Compensator）和電池充電器與整流器配合使用。如果負(fù)荷對運行電壓要求較高，400 V 直流母線可在不停運的情況下，采用VC 進行系統(tǒng)配置，提高供電質(zhì)量。另外，仙臺直流系統(tǒng)在300 V 直流系統(tǒng)安裝了帶有保險絲和塑殼開關(guān)的配電裝置PDU（Power Distribution Unit），其結(jié)構(gòu)見附錄中圖A4。該PDU 的特點是安裝有電容器組和聯(lián)合斷路器，能防止系統(tǒng)中的電壓振蕩，隔離不同的電力系統(tǒng)，有效提高系統(tǒng)的供電可靠性，防止故障范圍擴大。此外，380 V直流供電系統(tǒng)主要采用高阻中點接地系統(tǒng)。該接地系統(tǒng)的優(yōu)點是將人體內(nèi)的接地故障電流限制在無害的范圍內(nèi)，保障了人身安全，消除了單次接地故障時產(chǎn)生閃弧的危險。

仙臺工程的PDU 主要用于不同負(fù)荷之間的故障隔離，相比于全線安裝直流斷路器，PDU的提出和使用降低了系統(tǒng)成本和占地面積。由于光伏發(fā)電和ESS 的存在，仙臺直流系統(tǒng)對負(fù)荷的電力分配可以在互聯(lián)狀態(tài)和孤島運行狀態(tài)之間無縫接續(xù)。作為應(yīng)對IT 設(shè)備普及帶來的供電形式多樣性以及消費者對電能質(zhì)量不同要求的解決方案，仙臺直流配電示范工程通過引入分布式發(fā)電和ESS 替代商用電源，具有效率高、可靠性高、易于控制、對保護繼電器要求低等優(yōu)點，緩解了大量負(fù)荷并網(wǎng)對電能質(zhì)量和系統(tǒng)控制帶來的不利影響，降低了高電能質(zhì)量負(fù)荷的運行成本。2011 年，在外部交流電網(wǎng)由于地震停電三天的情況下，該示范工程仍持續(xù)供電，為極端情況下不間斷供電和高電能質(zhì)量供電提供了豐富的經(jīng)驗，可作為家用直流微電網(wǎng)系統(tǒng)進行推廣。

1.6 韓國巨次島工程

巨次島直流配電系統(tǒng)示范工程由韓國電力合作公司（KEPCO）設(shè)計建造，該工程旨在通過一個獨立的直流配電網(wǎng)系統(tǒng)證明直流供電的優(yōu)勢，并建立商業(yè)化模式［11］。圖4 為巨次島直流電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中分布式資源包括光伏、風(fēng)機和ESS，功率轉(zhuǎn)換設(shè)備包括連接分布式發(fā)電的DC／DC 變換器、連接負(fù)荷的DC／DC 變換器、連接交流系統(tǒng)的AC／DC 換流器。負(fù)荷分為AC／DC 混合負(fù)荷、DC 家庭、DC 路燈和DC V2G 負(fù)荷。在直流配電系統(tǒng)中，用于風(fēng)力和光伏發(fā)電的變流器和電池充電器都并聯(lián)到一條750 V 直流線路上，由變流器控制進行功率控制，并通過雙極線向用戶供電。

圖4 巨次島直流配電系統(tǒng)示范工程Fig.4 Demonstration project of Geocha Island DC distribution system

直流配電系統(tǒng)可由操作員根據(jù)ESS 的狀態(tài)進行管理，ESS 從分布式發(fā)電中吸收電能，當(dāng)發(fā)生過充時，運營商可以通過設(shè)置ESS 的最大荷電狀態(tài)SOC（State Of Charge）來限制分布式發(fā)電的輸出功率。如果ESS 的SOC 不足，則通過調(diào)整柴油發(fā)電機的輸出功率給ESS 充電。為實現(xiàn)整個系統(tǒng)的優(yōu)化運行，KEPCO 開發(fā)并采用了集中式的能源管理系統(tǒng)EMS（Energy Management System）對直流配電系統(tǒng)的運行進行優(yōu)化。

不同于丹麥博恩霍爾姆島工程，韓國巨次島工程由于未與外部電網(wǎng)連接，需要實現(xiàn)島內(nèi)能量自給，因此在分布式發(fā)電的基礎(chǔ)上，采用柴油發(fā)電機來保障能量供給。由于工程內(nèi)部含有交流系統(tǒng)，需要考慮對交流電壓和頻率的控制，而且沒有外部電網(wǎng)的支撐，系統(tǒng)對ESS的SOC 控制和管理變得尤為重要，為此KEPCO 開發(fā)出一套具有推廣意義的能量管理系統(tǒng)，通過ESS 的SOC 來控制柴油發(fā)電機組的輸出功率以滿足供電和經(jīng)濟性要求。韓國巨次島工程提高了該島的能源效率，易于實現(xiàn)可再生能源互聯(lián)，并且該工程中開發(fā)的直流優(yōu)化運行系統(tǒng)，有助于實現(xiàn)直流配電系統(tǒng)的商業(yè)化運行。該工程雖然未能實現(xiàn)島嶼脫碳，但對孤島系統(tǒng)的運行具有深遠意義。

1.7 國外示范工程特點與差異

目前國外的示范工程主要集中在直流建筑、數(shù)據(jù)中心、海島供電等低壓、小范圍等特定供電場景，均配備有ESS 對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各不相同，供電可靠性等方面有所差異。

在關(guān)鍵設(shè)備方面，各示范工程的特色大多集中在能量管理裝置、直流變壓器、斷路器等方面。SBN工程采用兩級PWM 變換器作為能量控制中心對直流系統(tǒng)進行控制，可有效平抑電壓波動，并具有短路保護功能，消除直流側(cè)高頻漏電流；為減少ESS充放電產(chǎn)生的開關(guān)損耗而設(shè)計的三相交錯雙向DC／DC變換器，在降低損耗的同時簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為使FREEDM 系統(tǒng)實現(xiàn)“即插即用”功能，在其中設(shè)計安裝了IEM 裝置，在電壓轉(zhuǎn)換和交直流變換的同時實現(xiàn)了能量控制以及局部電源管理功能；在故障管理方面安裝了IFM 以隔離電路中的潛在故障，提高用戶側(cè)的故障恢復(fù)能力和電能質(zhì)量。博恩霍爾姆島工程的關(guān)鍵部件是以一種可重構(gòu)的電池組代替直流變壓器，通過電池組的不同組合方式，可以獲得不同的電壓、電流和功率水平，以滿足不同負(fù)荷需求。為提高系統(tǒng)效率，日本仙臺工程開發(fā)了400 V 整流器，并將PDU 用于不同負(fù)荷之間的故障隔離，無需全線安裝直流斷路器，降低了系統(tǒng)成本和占地面積。

在供電可靠性方面，各示范工程均通過安裝ESS提高故障穿越能力，且大多引入分布式發(fā)電以保證在外部電網(wǎng)故障時維持系統(tǒng)供電。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上而言，SBN 工程、博恩霍爾姆島工程、日本仙臺工程、巨次島工程均采用輻射形結(jié)構(gòu)，在母線故障情況下會極大影響供電情況。FREEDM 工程、City of Tomorrow工程則采用環(huán)狀供電，供電可靠性相對更高，但City of Tomorrow 工程僅由外部交流電網(wǎng)和ESS 提供電能，未安裝分布式發(fā)電裝置，在外部交流電網(wǎng)發(fā)生故障時，受限于ESS 的容量因而很難維持長時間的持續(xù)供電。相比較而言，2011 年，在外部交流電網(wǎng)由于地震停電三天的情況下，日本仙臺示范工程仍維持系統(tǒng)供電，證明了分布式發(fā)電的引入可以更加有效地提高系統(tǒng)供電可靠性。

在分布式發(fā)電和ESS 方面，除City of Tomorrow工程外，其他示范工程均考慮了分布式發(fā)電并網(wǎng)問題，其中SBN 工程、日本仙臺工程、韓國巨次島工程將分布式發(fā)電和ESS 經(jīng)DC／DC 變換器后直接接入直流母線，由于博恩霍爾姆島工程安裝有一種新型的BESS，分布式發(fā)電先通過各自的母線向BESS 充電，再經(jīng)過BESS放電以滿足負(fù)荷需要。FREEDM 系統(tǒng)中不僅為12 kV 交流母線安裝大規(guī)模ESS 來維持母線電壓穩(wěn)定，而且為分布式發(fā)電和ESS的接入提供了多種接口，可通過400 V 直流系統(tǒng)或120 V 系統(tǒng)并入交流母線，實現(xiàn)了“即插即用”功能。

2 國內(nèi)示范工程介紹

自2008 年開始，國內(nèi)相關(guān)單位逐步對直流配電網(wǎng)展開研究。2016 年發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030 年）》，將直流輸配電技術(shù)作為現(xiàn)代電網(wǎng)建設(shè)的重要發(fā)展方向。“十四五”中涉及新能源消納和配電網(wǎng)智能化的需求也對直流配電系統(tǒng)的發(fā)展提出了更高要求。國內(nèi)對直流配電系統(tǒng)的研究起步較晚，在“863 計劃”和國家重點研發(fā)計劃項目的推動下才逐漸開展，目前針對直流配電系統(tǒng)的研究仍處于理論研究和示范驗證階段，國內(nèi)相關(guān)的直流配電示范工程也大多是基于實際需要，為解決目前電網(wǎng)存在的諸多問題而建設(shè)的。例如，為解決工業(yè)園區(qū)供電可靠性和高電能質(zhì)量要求等問題所建設(shè)的深圳寶龍工業(yè)城示范工程和蘇州工業(yè)園示范工程、為探索能源互聯(lián)網(wǎng)和能源轉(zhuǎn)型問題所建設(shè)的珠海唐家灣示范工程和杭州江東新城示范工程、為解決新能源就近消納問題所建設(shè)的貴州大學(xué)示范工程等，上述工程中根據(jù)實際需要開發(fā)了一系列直流配電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，并在示范工程中得到工程驗證。具體如表2所示。

表2 國內(nèi)示范工程介紹Table 2 Introduction of domestic demonstration projects

2.1 深圳寶龍工業(yè)城示范工程

深圳電網(wǎng)是全國供電負(fù)荷密度最大的特大型城市電網(wǎng)。近年來隨著寶龍工業(yè)城的建設(shè)和發(fā)展，園區(qū)負(fù)荷出現(xiàn)敏感負(fù)荷增多、分布式發(fā)電和ESS豐富、直流負(fù)荷增加等特點，適合作為直流配電系統(tǒng)示范工程的建設(shè)落點。

在綜合考慮寶龍工業(yè)城的地理位置和不同供電需求的背景下，該示范工程將負(fù)荷分為4 類，采用雙電源“手拉手”的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如附錄中圖A5 所示。直流配電系統(tǒng)通過兩端的110 kV 碧嶺換流站和110 kV 丹荷換流站作為主電源，采用電壓源型換流器VSC（Voltage Source Converter）從2座變電站的10 kV母線側(cè)接收電能，滿足直流配電系統(tǒng)供電負(fù)荷的用電需求。為提高與直流配電系統(tǒng)相聯(lián)的交流配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，兩端交流系統(tǒng)與中壓直流配電母線之間均通過全控型VSC相連［12］。

該示范工程通過使用不同的設(shè)備模塊，在滿足不同負(fù)荷用電要求的基礎(chǔ)上，保證了供電可靠性，解決了分布式發(fā)電的就地消納問題，并且降低了系統(tǒng)成本。其中直流變壓器采用多重化結(jié)構(gòu)輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)ISOP（Input-Series Output-Parallel），即在高壓端采用串聯(lián)方式以提高電壓等級，在低壓端采用并聯(lián)方式以提高功率等級。每個直流變壓器均采用相同結(jié)構(gòu)的雙主動全橋DAB（Dual Active Bridge）結(jié)構(gòu)，具備雙側(cè)定直流電壓控制和功率雙向傳輸功能，可通過近端儲能站控制2 個交流源的相移來調(diào)節(jié)功率流動的大小和方向。

此外，該示范工程中采用國內(nèi)外直流配電系統(tǒng)較少采用的雙端“手拉手”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，研發(fā)了無機械開關(guān)結(jié)構(gòu)、高可靠性、低成本的全固態(tài)混合式直流斷路器［13］，其電流開斷速度快、可靠性高，降低了對限流電抗的要求，可實現(xiàn)故障電流多次開斷。該直流斷路器由主通流支路、轉(zhuǎn)移支路、吸收支路并聯(lián)構(gòu)成。其中主通流支路采用3 個絕緣柵雙極型晶體管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）反向串聯(lián)以承擔(dān)系統(tǒng)關(guān)斷電壓，每個IGBT 反并聯(lián)1 個二極管，在換流過程中，強迫電流向轉(zhuǎn)移支路換流，完成快速換流過程。轉(zhuǎn)移支路采用5 個壓接式IGBT 串聯(lián)，并配有剩余電流裝置RCD（Residual Current Device）動態(tài)吸收電路和靜態(tài)均壓電路。吸收支路采用金屬氧化物壓敏電阻MOV（Metal Oxide Varistor）作為吸收限壓元件，在關(guān)斷瞬間限制電壓尖峰，同時吸收殘余的系統(tǒng)能量，完成電流的開斷過程。

該示范工程有助于緩解目前深圳配電網(wǎng)存在的供電可靠性、電能質(zhì)量需求、分布式發(fā)電就地消納等問題，采用的多種設(shè)備模塊解決方案為解決直流配電系統(tǒng)不同負(fù)荷供電需求下降低系統(tǒng)成本問題提供了有效的技術(shù)方案。此外，寶龍工業(yè)城示范工程通過5 種運行方式的切換有效地發(fā)揮了直流配電系統(tǒng)的削峰填谷和潮流調(diào)節(jié)作用。在該工程中對直流配電系統(tǒng)的電氣主接線方案、主設(shè)備選型、控制保護系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，為我國中壓直流配電系統(tǒng)的研究和工程實施提供了參考。

2.2 珠海唐家灣示范工程

為積極探索能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)新方向，南方電網(wǎng)廣東電網(wǎng)公司自2017 年開始籌建，在珠海唐家灣建設(shè)支持能源消費革命的城市-園區(qū)雙級互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源示范工程，并于2018年12月建成投運。

珠海唐家灣示范工程是典型的多層級直流配電工程，如附錄中圖A6 所示，該系統(tǒng)采用三端交流供電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三端可實現(xiàn)實時功率支援，其中雞山換流站1 段、2 段和唐家換流站的VSC 出口通過±10 kV 直流母線互聯(lián)，組成三端互聯(lián)直流配電母線為低壓直流系統(tǒng)供電，光伏裝置、ESS、充電樁、直流負(fù)荷等組成±375 V 低壓直流系統(tǒng)，并通過DC／AC換流器為110 V 交流負(fù)荷供電，±375 V 低壓直流母線則經(jīng)過直流變壓器與中壓直流母線相連，從而形成多級直流配用電網(wǎng)絡(luò)［14］。

為實現(xiàn)多端功率轉(zhuǎn)供以及提高系統(tǒng)的供電可靠性，該示范工程采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和單極對稱的主接線形式。由于在多端直流系統(tǒng)中通常存在多個線路交匯點，若在交匯點均安裝混合式直流斷路器將極大地增加系統(tǒng)成本。為此，在保證可以清除任一線路故障的情況下，珠海唐家灣示范工程采用三端口耦合負(fù)壓型混合式直流斷路器［15］，在提高系統(tǒng)經(jīng)濟性的同時可實現(xiàn)多路協(xié)調(diào)關(guān)斷，為解決多端直流系統(tǒng)斷路器設(shè)置問題提供了寶貴經(jīng)驗。

該示范工程為國際首個±10 kV、±375 V、±110 V多電壓等級交直流混合配電網(wǎng)示范工程，也是世界最大容量的±10 kV 配電網(wǎng)柔性直流換流站，不僅可以對系統(tǒng)的潮流方向進行調(diào)節(jié)，還可以對母線電壓進行有效的控制，實現(xiàn)了對系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點電壓的調(diào)控。工程的建成與深化應(yīng)用，為不同結(jié)構(gòu)換流閥和直流斷路器的設(shè)計運行提供了豐富的經(jīng)驗，促進了中低壓柔性直流設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化進程，為直流配電系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、運維、推廣等方面提供了重要的參考數(shù)據(jù)，并具有重要的參考價值和示范效應(yīng)，在構(gòu)建柔性直流配電網(wǎng)技術(shù)體系、節(jié)約土地資源和能源投入等方面具有良好的經(jīng)濟社會效益，為粵港澳大灣區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了支撐。

2.3 貴州大學(xué)示范工程

2018 年9 月，我國首個中壓五端柔性直流配電示范工程在貴州大學(xué)新校區(qū)建成投運，該示范工程作為一種多端、多電壓的配電系統(tǒng)，涵蓋了交直流微電網(wǎng)、分布式電源、交直流負(fù)荷等多種系統(tǒng)單元，并作為DGI 產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺，用于對直流配電系統(tǒng)的相關(guān)研究。

貴州直流配電系統(tǒng)由中壓直流配電系統(tǒng)、低壓交流微電網(wǎng)、低壓直流微電網(wǎng)3 個子系統(tǒng)組成，如圖5 所示［16］。其中中壓直流配電系統(tǒng)的直流母線電壓為±10 kV，并通過3 個模塊化多電平換流器（MMC）與10 kV／10 kV 隔離變壓器及10 kV 交流配電網(wǎng)相連，為低壓微電網(wǎng)提供電能；低壓交流微電網(wǎng)包含ESS、光熱發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、充電樁等設(shè)備，直接并聯(lián)或經(jīng)換流器并聯(lián)在380 V 交流母線上；低壓直流微電網(wǎng)由ESS、光熱發(fā)電、充電樁等直流設(shè)備組成，其直流母線電壓為±375 V，并可通過DC／AC 換流器向380 V 低壓交流電網(wǎng)供電。ESS 作為能量平衡單元用于維持微電網(wǎng)穩(wěn)定，并可根據(jù)需要提供削峰填谷功能。低壓交流配電系統(tǒng)和直流配電系統(tǒng)分別通過4 號MMC 和直流變壓器連接在±10 kV 直流母線上，實現(xiàn)中壓直流配電系統(tǒng)與交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)的柔性互聯(lián)。MMC 和直流變壓器具有功率雙向流動功能，可實現(xiàn)交直流微電網(wǎng)和中壓直流配電系統(tǒng)之間的功率控制以及相互支撐。

圖5 貴州中壓五端柔性直流配電示范工程Fig.5 Demonstration project of Guizhou medium-voltage five-terminal flexible DC distribution system

該示范工程采用分層分布式運行控制架構(gòu)，可根據(jù)交流配電網(wǎng)狀態(tài)和各微電網(wǎng)子系統(tǒng)內(nèi)平衡單元運行狀態(tài)進行控制，實現(xiàn)各子系統(tǒng)就地控制和負(fù)荷“即插即用”的需要，無需通過上層控制和通信，可根據(jù)實際運行情況自主實現(xiàn)直流配電系統(tǒng)緊急情況下的多運行模式平滑切換及各子系統(tǒng)快速相互支撐。

不同于工業(yè)園區(qū)直流配電網(wǎng)，貴州大學(xué)直流配電系統(tǒng)考慮了城市熱力網(wǎng)的發(fā)電設(shè)備和大學(xué)園區(qū)的交直流負(fù)荷，并對當(dāng)?shù)馗邼B透率的分布式發(fā)電具有良好的接納能力，為城市直流配電網(wǎng)的規(guī)劃提供了示范。雖該直流配電系統(tǒng)也具有三端供電結(jié)構(gòu)，但在±10 kV 母線側(cè)未采用類似于珠海唐家灣工程的三端直流斷路器設(shè)備，在一定程度上增加了系統(tǒng)成本。但該柔性直流配電系統(tǒng)示范工程作為一種交直流混合的城市直流配電網(wǎng)，在考慮光伏、風(fēng)力等分布式發(fā)電的基礎(chǔ)上，增加了對來自城市熱力網(wǎng)的能量接收，并且通過多個換流器和直流變壓器可實現(xiàn)多配電系統(tǒng)的功率控制和能量交換，提高了城市配電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和可靠性。由于系統(tǒng)采用開放式設(shè)計，對交直流負(fù)荷的增加和分布式電源的接入具有良好的靈活性。目前國內(nèi)外對多端直流系統(tǒng)的相關(guān)研究較少，直流配電系統(tǒng)大多采用環(huán)網(wǎng)或輻射形供電方式，該示范工程的建成為構(gòu)建未來新型DGI 提供了新的思路。

2.4 蘇州工業(yè)園示范工程

蘇州直流配電系統(tǒng)示范工程作為國家重點研發(fā)計劃專項，具有±10 kV、750 V、375 V 這3 個電壓等級，可滿足不同用戶的高可靠性和直流供電需求。該工程分為主網(wǎng)側(cè)、配電側(cè)、用戶側(cè)3 個部分，其中主網(wǎng)側(cè)為龐東中心站和九里中心站2 座直流中心站，配電側(cè)包括7 座配電房與3 座光伏升壓站，工程總?cè)萘考s為20 MW。

該直流配電系統(tǒng)示范工程含有工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、居民負(fù)荷、充電樁、數(shù)據(jù)中心等典型直流用電場景，并在考慮當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境情況、直流負(fù)荷分布情況、分布式發(fā)電情況等因素的基礎(chǔ)上，共設(shè)九里換流站（H1，主變?nèi)萘繛?0 MV·A）和龐東換流站（H2，主變?nèi)萘繛?0 MV·A）2 座直流換流站，分別通過MMC 引出2 回±10 kV 直流母線，采用開閉所K1、K2單母線分段、雙電源進線方式的雙端環(huán)形主接線形式，滿足分布式電源的接入與直流負(fù)荷的用電需求，并解決了光伏電站的就近消納問題。其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖6所示［17］。

圖6 蘇州直流配電工程結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of Suzhou DC distribution project

蘇州工業(yè)園配電系統(tǒng)采用雙端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中中壓母線采用偽雙極接線，低壓母線采用真雙極接線，在滿足N-1 要求的情況下可以實現(xiàn)對配電網(wǎng)電源和負(fù)荷的調(diào)節(jié)和控制，提高配電網(wǎng)的供電水平和新能源消納水平。在分析國內(nèi)外換流器、直流變壓器等關(guān)鍵設(shè)備研究成果的基礎(chǔ)上，該示范工程中提出并采用非對稱主站換流閥的設(shè)計方案［18］，即九里換流站采用基于半橋子模塊HBSM（Half Bridge SubModule）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，龐東換流站則采用全橋子模塊FBSM（Full Bridge SubModule）與HBSM 構(gòu)成的混合型模塊化多電平換流器HMMC（Hybrid MMC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過FBSM 的故障自清除能力可有效縮短換流站的供電恢復(fù)時間，在保證負(fù)荷供電可靠性的情況下，避免了雙HMMC 帶來的高昂成本。此外，采用雙端環(huán)形的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有良好的拓展性，可以根據(jù)需要拓展為多端環(huán)形，保證沿途負(fù)荷的雙電源供電。由于直流配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架較為復(fù)雜，且含有不同形式的電源、負(fù)荷等單元，因此蘇州工業(yè)園配電系統(tǒng)的運行方式較多，且模式轉(zhuǎn)換比較復(fù)雜，其日常運行方式可分為單端供電、雙端環(huán)網(wǎng)供電、雙端隔離運行3 種，故障情況下又分為閉鎖型限流和直流穿越運行2種故障處理方式。

松遼流域地下水的形成與賦存條件復(fù)雜，在氣候、地貌、水文等自然地理和地層、地質(zhì)構(gòu)造等因素的控制下，表現(xiàn)出不同的水文地質(zhì)特征，丘陵山區(qū)和平原區(qū)的水文地質(zhì)條件差異較大。平原區(qū)主要為松嫩平原、三江平原、遼河平原等，是中生代以來持續(xù)下降的地區(qū)，為地下水的匯集中心，巨厚的中新生代碎屑巖及松散堆積層中賦存豐富的多層地下水。

相較于深圳寶龍工業(yè)城示范工程，蘇州直流配電系統(tǒng)雖然也采用雙端供電模式，但由于中低壓系統(tǒng)分別采用偽雙極和真雙極接線方式，換流站采用的非對稱主站換流閥的設(shè)計方案，在降低建設(shè)成本的情況下，提高了系統(tǒng)的供電可靠性，為雙端直流配電系統(tǒng)提供了一種新思路。

在該示范工程的推動下，蘇州市以光伏為代表的分布式清潔能源發(fā)展迅速，2019 年全市光伏發(fā)電裝機容量增長25%，光伏發(fā)電量增長30.9%。蘇州示范工程多項自主創(chuàng)新核心技術(shù)持續(xù)保持國際領(lǐng)先，目前已成為全球相關(guān)領(lǐng)域的典范和標(biāo)桿工程，具有廣泛的國際影響力。

2.5 杭州江東新城示范工程

“十四五”期間，隨著“數(shù)智杭州·宜居天堂”藍圖落地，新能源汽車充電、5G 通信、大數(shù)據(jù)中心等新基建持續(xù)升溫，預(yù)計“兩新一重”新基建用電需求將占杭州“十四五”負(fù)荷增長的65%。針對這一特征，國網(wǎng)杭州供電公司投資350 億元，持續(xù)推動清潔低碳高效能源服務(wù)，為此，杭州江東新城建立了智能柔性直流配電網(wǎng)示范工程。該示范工程將配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的輻射形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成多端互聯(lián)系統(tǒng)，使系統(tǒng)可以快速隔離故障并恢復(fù)供電，提高了杭州電網(wǎng)的供電可靠性［19］。

杭州江東新城智能柔性直流配電網(wǎng)工程額定電壓為±10 kV，總換流容量為30 MW，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。系統(tǒng)采用2 臺10 kV AC／±10 kV DC 的HMMC和1臺10 kV AC／±10 kV DC的全橋型模塊化多電平換流器FMMC（Full-bridge MMC）將2座10 kV交流換流站和1 座20 kV 交流換流站與±10 kV 直流母線相連，3臺MMC均未使用變壓器［20］，大幅減少了工程的占地面積。±10 kV直流母線配備一套±10 kV混合型直流斷路器，并通過ISOP 結(jié)構(gòu)的直流變壓器將直流電壓轉(zhuǎn)換為±375 V 為負(fù)荷供電。由于系統(tǒng)未安裝變壓器設(shè)備，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時，交流側(cè)會產(chǎn)生較大的直流偏置電流，導(dǎo)致交流斷路器不能正常開啟。為此在HMMC 中采用阻尼模塊DSM（Damping SubModule）抑制直流偏置電流使其達到過零點，實現(xiàn)交流斷路器的可靠分?jǐn)啵_保在任一電源故障情況下負(fù)荷的有效供電。

圖7 杭州智能柔性直流配電網(wǎng)Fig.7 Smart flexible DC distribution network of Hangzhou

該示范工程采用的智能配電柔性多形狀開關(guān)是國內(nèi)相關(guān)設(shè)備研制的一大突破。該設(shè)備的投運增加了系統(tǒng)功率連續(xù)可控狀態(tài)，預(yù)防倒閘操縱引起的供電中斷等問題，還能減緩電壓驟降、三相不平衡等故障，促進饋線負(fù)荷分撥的均衡化與電能質(zhì)量提升。

該示范工程的安全穩(wěn)定運行驗證了無變壓器設(shè)備的直流配電系統(tǒng)的可行性、DSM 對交流斷路器可靠分?jǐn)嗟挠行裕現(xiàn)MMC結(jié)構(gòu)的換流器可用于連接2個不同電壓等級的交直流系統(tǒng)，推動了直流配電系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。將不同供電區(qū)域通過直流配電系統(tǒng)互聯(lián)，在提高供電可靠性的基礎(chǔ)上，還可以控制系統(tǒng)潮流、接納分布式發(fā)電，有力支撐了杭州大江東配電網(wǎng)的可靠、優(yōu)良、安全運行，加快了浙江省建設(shè)風(fēng)光儲能、滿足客戶多元需求的新一代電力系統(tǒng)進程，保障了清潔能源消納，強化了新能源并網(wǎng)管理，有效推進了《杭州市能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出的清潔能源占比達到60%以上目標(biāo)的實現(xiàn)。

2.6 國內(nèi)示范工程特點與差異

與國外示范工程不同，國內(nèi)各示范工程主要為解決城市發(fā)展和分布式發(fā)電問題提出新思路，集中在工業(yè)園區(qū)等區(qū)域性的直流配電系統(tǒng)。

在關(guān)鍵設(shè)備方面，與國外示范工程相似，國內(nèi)各示范工程的關(guān)鍵設(shè)備大多集中在直流變壓器、斷路器等裝置。深圳寶龍工業(yè)城示范工程中研制了15 kV／200 kW 直流變壓器樣機，具備雙側(cè)定直流電壓控制和功率雙向傳輸功能；全固態(tài)混合式直流斷路器無機械開關(guān)結(jié)構(gòu)、可靠性高，降低了對限流電抗的要求，可實現(xiàn)故障電流多次開斷。珠海唐家灣示范工程針對星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點，采用三端口耦合負(fù)壓型混合式直流斷路器和集成門極換流晶閘管IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）技術(shù)，在提高系統(tǒng)經(jīng)濟性的同時可實現(xiàn)多路協(xié)調(diào)關(guān)斷。蘇州工業(yè)園示范工程中提出并采用非對稱主站換流閥的設(shè)計方案，通過FBSM 的故障自清除能力縮短換流站的供電恢復(fù)時間，在保證負(fù)荷供電可靠性的情況下，避免了雙HMMC 帶來的高昂成本。杭州江東新城示范工程系統(tǒng)采用2 臺HMMC 和1 臺FMMC將2 座10 kV 交流換流站和1 座20 kV 交流換流站與±10 kV 直流母線相連，3 臺MMC 均未使用變壓器，減少了工程的占地面積；智能配電柔性多形狀開關(guān)增加了系統(tǒng)功率連續(xù)可控狀態(tài)，能預(yù)防倒閘操縱引起的供電中斷等問題。

在供電可靠性方面，深圳寶龍工業(yè)城示范工程采用雙電源“手拉手”的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從兩端的換流站接收電能，供電可靠性相對較高。珠海唐家灣示范工程采用星形三端交流供電的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和單極對稱的主接線形式，可通過±10 kV 中壓直流母線實現(xiàn)實時功率支援，低壓直流母線則經(jīng)過直流變壓器與中壓直流母線相連，從而形成多級直流配用電網(wǎng)絡(luò)，供電可靠性較高。貴州大學(xué)示范工程作為國內(nèi)首個五端柔性直流配電系統(tǒng)，類似于珠海唐家灣示范工程，3 座變電站交流母線經(jīng)過MMC 和隔離變壓器連接到±10 kV 中壓直流母線上，再通過換流裝置向低壓交流微電網(wǎng)和低壓直流微電網(wǎng)供電。蘇州工業(yè)園示范工程采用開閉所單母線分段、雙電源進線方式的雙端環(huán)形主接線形式，中壓母線采用偽雙極接線，低壓母線采用真雙極接線。杭州江東新城示范工程采用三端供電系統(tǒng)，通過MMC 裝置將2 座10 kV 交流換流站和1 座20 kV 交流換流站與±10 kV 直流母線相連，再通過柔性直流換流站為直流負(fù)荷供電。

在分布式發(fā)電和ESS 方面，國內(nèi)各示范工程均是基于實際需要，旨在解決負(fù)荷變化和分布式發(fā)電就近消納等問題，大多考慮了分布式發(fā)電和ESS 等問題。深圳、珠海、貴州示范工程均是將分布式發(fā)電和ESS 先并入低壓交直流微電網(wǎng)中，再經(jīng)過雙向變換器并入中壓母線；蘇州示范工程沒有安裝ESS，光伏電站的電能經(jīng)配電房直接并入中壓直流母線；杭州示范工程則沒有考慮分布式發(fā)電和ESS。

3 我國直流配電系統(tǒng)發(fā)展建議

縱觀全球范圍內(nèi)直流配電系統(tǒng)的發(fā)展，對比國內(nèi)外的示范工程，可以得出以下結(jié)論。

（1）可再生能源發(fā)電是解決化石能源危機和環(huán)境污染問題的有效方式。直流配電系統(tǒng)可以減少可再生能源發(fā)電接入電網(wǎng)的換流環(huán)節(jié)，進而降低接入成本，促進可再生能源發(fā)電的發(fā)展，加快能源轉(zhuǎn)型。

（2）相較于交流配電系統(tǒng)，直流配電系統(tǒng)具有供電半徑大、線路造價低、供電可靠性高等優(yōu)點，可以解決經(jīng)濟快速發(fā)展造成的城市配電網(wǎng)線路走廊緊張、供電容量不足、諧波干擾等問題。

（3）直流負(fù)荷和ESS 可直接接入直流配電系統(tǒng)，在改善電能質(zhì)量的同時提高直流配電系統(tǒng)的可擴展性，便于日后的城市發(fā)展規(guī)劃。

通過與國外示范工程的比較，可以發(fā)現(xiàn)我國在以下幾個方面仍然存在著差距。

（1）標(biāo)準(zhǔn)不完善。自2008 年開始，國內(nèi)相關(guān)單位對直流配電網(wǎng)展開了研究。但我國直流配電系統(tǒng)仍處于起步階段，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還未完善［21］，以家用直流電器為例，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅局限于斷路器和插頭，而未涉及其余設(shè)備。在低壓直流系統(tǒng)中僅對IT 系統(tǒng)的直流系統(tǒng)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。而國際方面，2007年IEC 在SG1 下設(shè)置了SEG4 對低壓直流系統(tǒng)進行評估，2017 年IEC TC8 為響應(yīng)SEG4 低壓直流發(fā)展報告和工作需要，成立了WG9 工作組，推進直流配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化進程。目前，對于0～120 V 超低壓直流已標(biāo)準(zhǔn)化，對于120～1 500 V 低壓直流有待標(biāo)準(zhǔn)化。此外，英國、德國、法國等歐洲國家的直流系統(tǒng)發(fā)展較早，對于1 500 V 以下直流配電系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已較為完善。

（2）用電設(shè)備少。就用戶側(cè)而言，很多家用電器本質(zhì)上是由直流系統(tǒng)供電，接入交流電網(wǎng)時需經(jīng)過變換器，會產(chǎn)生附加損耗。由于國外對家用直流微電網(wǎng)和“能源屋”等環(huán)保措施的大力推廣，直流冰箱、直流空調(diào)等直流家電發(fā)展迅速，技術(shù)相對成熟，目前已基本形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈和營銷模式，可根據(jù)用戶的不同需求提供定制服務(wù)。而目前國內(nèi)對直流配電系統(tǒng)的推廣尚未對用電側(cè)進行考慮，缺乏對用戶用電習(xí)慣、用電需求等方面的考慮；另一方面國內(nèi)家用直流電器發(fā)展緩慢，產(chǎn)品類型少且存在諸多問題，常規(guī)采購渠道很難購買到所需的直流電器，不利于直流配電系統(tǒng)的推廣。

（3）應(yīng)用范圍小。自20 世紀(jì)電力電子技術(shù)快速發(fā)展，國外對于直流系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用極為關(guān)注，在原有艦船配電系統(tǒng)、城軌鐵路交通供電系統(tǒng)、發(fā)電廠二次設(shè)備等特種直流系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開展直流配電系統(tǒng)的相關(guān)試驗，尤其是隨著聯(lián)合國氣候變化框架公約的簽署，以“直流數(shù)據(jù)中心”、“能源屋”、“零碳建筑”為代表的直流配電建筑得到廣泛推廣，目前已經(jīng)擁有完善的設(shè)備、工程等，并得到商業(yè)化應(yīng)用。而目前國內(nèi)對直流配電系統(tǒng)的研究還處于試驗探索階段，在國內(nèi)電力系統(tǒng)中，直流配電技術(shù)主要應(yīng)用于變電站一次設(shè)備的操作以及二次設(shè)備和通信設(shè)備的安保電源。雖然有部分用電大用戶采用直流供電系統(tǒng)，例如電信部門、互聯(lián)網(wǎng)公司的通信機房供電系統(tǒng)以及船舶和軌道交通供電系統(tǒng)等，但仍局限于以直流微電網(wǎng)、海島、樓宇配電、工業(yè)園區(qū)等為主的小范圍應(yīng)用。這些專有配電系統(tǒng)電壓相對較低、規(guī)模和配電容量較小、供電對象單一，且對分布式電源和儲能的匯集能力不足，不適合日常應(yīng)用場景和商業(yè)化推廣［22］。

（4）技術(shù)問題多。由于國外對直流系統(tǒng)的研究起步較早，加之環(huán)境保護問題的迫切需求，美國、歐盟國家、日韓等大力推進直流系統(tǒng)的相關(guān)研究，在此基礎(chǔ)上加速了以ABB、西門子、松下等電力設(shè)備企業(yè)對直流設(shè)備的開發(fā)和研制，目前相關(guān)設(shè)備已經(jīng)得到商業(yè)化推廣。另外，在環(huán)境保護問題備受關(guān)注的背景下，以可再生能源發(fā)電、零排放為特點的直流配電網(wǎng)在國外也得到發(fā)展和推廣。而目前國內(nèi)對于直流配電網(wǎng)的研究仍處于起步階段，在考慮我國國情的情況下，直流配電系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、調(diào)度運行、經(jīng)濟分析等問題有待深入研究，配電系統(tǒng)的一次設(shè)備、保護裝置等關(guān)鍵設(shè)備還存在造價高、設(shè)計不合理等問題，未能達到商業(yè)化要求。另外，對于公共配電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)的研究還局限于示范工程，商業(yè)化實踐幾乎還是空白，許多研究成果沒有得到檢驗。

總結(jié)以上國內(nèi)外相關(guān)示范工程的經(jīng)驗，我國直流配電系統(tǒng)的發(fā)展可以得到以下啟示。

（1）加快相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定。2016 年7 月中國電力科學(xué)研究院獲批籌建直流配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，并于2017 年發(fā)布《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》，邁出了直流配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的第一步。目前在直流配電系統(tǒng)方面，IEC、ISO 等國際標(biāo)準(zhǔn)還處在起步階段，中國電力企業(yè)聯(lián)合會、中國電力科學(xué)研究院等相關(guān)部門和組織可參考IEC SEG4 關(guān)于低壓直流系統(tǒng)的相關(guān)報告和英國、德國、法國等歐洲國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，加快直流電壓、直流設(shè)備、接口等重要問題的標(biāo)準(zhǔn)制定，重點關(guān)注相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況，確保標(biāo)準(zhǔn)適用性。借助CIGRE、IEC、IEEE 等國際標(biāo)準(zhǔn)化平臺，參與國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的起草和修訂，積極推動國家標(biāo)準(zhǔn)國際化。

（2）推進智能電網(wǎng)建設(shè)。從美國及歐盟國家的示范工程和商業(yè)化產(chǎn)品可以看出，無論是直流配電系統(tǒng)的建設(shè)，還是分布式發(fā)電的推廣，都需要強大的ICT 技術(shù)支持。現(xiàn)代信息通信技術(shù)與電網(wǎng)深度融合不僅需要軟開關(guān)、固態(tài)變壓器、有源濾波器等新型智能裝置的推廣應(yīng)用，還需要在二次系統(tǒng)廣泛應(yīng)用信息通信、大數(shù)據(jù)分析等先進技術(shù)。為此，應(yīng)加快實現(xiàn)直流配電網(wǎng)的可測、可觀、可控，推動以故障自愈為方向的配電網(wǎng)自動化建設(shè)；應(yīng)加強智能電表和智能終端的推廣、智能臺區(qū)和智能配電站的建設(shè)，提升直流配電網(wǎng)裝備水平和智能化水平，提高信息和通信水平，實現(xiàn)配電系統(tǒng)一次系統(tǒng)與二次設(shè)備的深度集成。

（3）完善電力市場機制。歐盟的EcoGrid 項目［23］為我國的電力市場機制改革提供了豐富的經(jīng)驗。直流配電系統(tǒng)的推廣需要發(fā)揮直流系統(tǒng)對新能源設(shè)備和電動汽車的良好接納能力，在對新能源設(shè)備、交通工具等實行補貼政策的基礎(chǔ)上，大力支持分布式發(fā)電和光電建筑、屋頂太陽能等技術(shù)推廣應(yīng)用。在電價方面制定直流電補貼政策及計量標(biāo)準(zhǔn)、分布式發(fā)電并網(wǎng)補貼、多種銷售電價等，健全市場機制和政策體系，保障清潔能源安全高效利用。

（4）加大政策推廣力度。根據(jù)歐美等國直流配電系統(tǒng)的發(fā)展可知，政府發(fā)揮作用和積極履行責(zé)任以及相關(guān)政策法規(guī)的出臺，將更好地指導(dǎo)直流配電系統(tǒng)的發(fā)展。一方面，為直流配電系統(tǒng)提供資金支持，設(shè)立專項基金和研究經(jīng)費，激勵企業(yè)、研究機構(gòu)、高校等積極參與直流配電系統(tǒng)的研究；另一方面，鼓勵和支持分布式發(fā)電、電動汽車等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從需求側(cè)拉動直流配電系統(tǒng)的發(fā)展。此外，直流配電系統(tǒng)的發(fā)展離不開良好的市場環(huán)境，可對直流家電企業(yè)、直流設(shè)備企業(yè)、分布式發(fā)電企業(yè)等給予一定稅收優(yōu)惠政策，可給予分布式發(fā)電企業(yè)適當(dāng)補償?shù)取４_立發(fā)展直流配電系統(tǒng)和分布式發(fā)電的目標(biāo)，推動電源結(jié)構(gòu)和布局優(yōu)化，構(gòu)建多元化清潔能源供應(yīng)體系。加大對新能源的開發(fā)和利用，需要一個對分布式發(fā)電有較好接納性的電網(wǎng)，直流配電系統(tǒng)是加快電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級、打造清潔能源優(yōu)化配置平臺的良好途徑。推廣分布式發(fā)電和直流配電系統(tǒng)有利于最大限度地開發(fā)利用新能源，提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。

（5）加強核心技術(shù)研發(fā)。直流配電設(shè)備、用電設(shè)備的研發(fā)對直流配電系統(tǒng)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。以直流冰箱、直流空調(diào)、直流照明設(shè)備等為代表的直流家電和以屋頂太陽能為代表的家用分布式發(fā)電裝置在國內(nèi)發(fā)展緩慢，可在目前引進消化模式的基礎(chǔ)上向自主研發(fā)轉(zhuǎn)型，促進直流家電業(yè)的形成發(fā)展，實現(xiàn)商業(yè)化推廣。農(nóng)村電網(wǎng)和農(nóng)村建筑為屋頂太陽能、低碳建筑、家用直流系統(tǒng)等提供了廣闊的發(fā)展空間，但目前國內(nèi)相關(guān)技術(shù)大多停留在試驗和示范層面，較為分散且缺乏試驗和資金支持［24］。應(yīng)整合研究資源成立相關(guān)研究中心，開展對直流輸配電多電壓等級協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)、大容量高效率的直流變壓器等電能變換裝置的重點攻關(guān)，形成系統(tǒng)的研究體系和人才梯隊，并引導(dǎo)企業(yè)參與科研，加快科研成果向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，推進直流配電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)裝備創(chuàng)新，提升系統(tǒng)的安全和效率水平。

a. 仿真平臺開發(fā)。直流配電系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計和安全穩(wěn)定運行都需要經(jīng)過仿真軟件的仿真驗證，但直流配電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和仿真方法不同于交流系統(tǒng)和高壓直流輸電，潮流計算、電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)等模型需要重新建立和工程驗證，仿真方法也需根據(jù)需要重新考慮。直流系統(tǒng)的響應(yīng)時間常數(shù)比交流系統(tǒng)小得多，且含有大量的動態(tài)元件，對仿真速度和精度提出了更高要求。在直流配電仿真技術(shù)方面，應(yīng)在參考交流系統(tǒng)和高壓直流相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對直流配電系統(tǒng)的潮流計算、電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)等關(guān)鍵問題，提出基本設(shè)計思路和解決方法，對目前存在的開關(guān)算法不精確、仿真計算效率較低等問題進行優(yōu)化完善。應(yīng)針對直流配電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備建模問題進行研究分析，根據(jù)需要開發(fā)具有廣泛適用性的仿真平臺。

b. 規(guī)劃系統(tǒng)研發(fā)。直流配電系統(tǒng)尚處在工程示范階段，對于系統(tǒng)的規(guī)劃和可靠性評估還未形成完整的體系與標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)對各示范工程的規(guī)劃設(shè)計和評估大多基于工程實際和理論研究，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。對于直流配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、接線方式等理論研究相對完善，但對于電壓等級的選擇、關(guān)鍵設(shè)備的選型定容、系統(tǒng)的控制策略、保護配置等仍缺乏系統(tǒng)性的規(guī)劃方法和評估手段。直流配電系統(tǒng)的發(fā)展逐漸轉(zhuǎn)向兩端甚至多端供電，并且由于分布式發(fā)電和ESS 的接入，系統(tǒng)的潮流分布和暫態(tài)分析更為復(fù)雜，因此對可靠性的評估提出了新的要求。對于直流配電系統(tǒng)的評估模型和方法需要重新完善，部分可靠性指標(biāo)要進行較大調(diào)整，需要建立新能源、直流變壓器、變流器等關(guān)鍵設(shè)備的可靠性模型，研發(fā)直流配電系統(tǒng)規(guī)劃系統(tǒng)用以指導(dǎo)工程實際。

c. 關(guān)鍵設(shè)備研制。通過上述國內(nèi)外各示范工程可以看出，關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用對直流配電系統(tǒng)的發(fā)展尤為重要，主要包括直流變壓器、換流器、直流斷路器、直流傳感器、直流用電設(shè)備等。以直流變壓器為例，相比AC／DC 變換器，其發(fā)展相對緩慢，目前直流變壓器的研究主要分為諧振式LCC 拓?fù)洹Ц綦x變壓器的DAB 串聯(lián)電路、有源雙向半橋電路（DHB）3 種主電路拓?fù)洹Ｖ械蛪捍笕萘康闹绷髯儔浩魅蕴幱跇訖C階段，嚴(yán)重制約了中低壓直流配電系統(tǒng)的發(fā)展和推廣［25］。針對目前中低壓直流變壓器存在的諸多問題，一方面應(yīng)研制大容量、低損耗、高效率、具有故障穿越功能的直流變壓器，另一方面由于目前直流配電系統(tǒng)的建設(shè)大多面向分布式發(fā)電的接納問題，研制開發(fā)具有隔離功能的新能源專用直流變壓器可增強分布式發(fā)電的并網(wǎng)能力，提高直流配電系統(tǒng)的可靠性。另外，由于DAB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流變壓器具有雙向功率流動能力以及極易擴展等優(yōu)點，在中低壓直流配電系統(tǒng)得到廣泛研究利用，但ISOP 結(jié)構(gòu)對變壓器的均壓、均流提出了更高要求，通常需要額外的輔助電路，這導(dǎo)致造價高、損耗大等問題，因此如何有效實現(xiàn)ISOP 結(jié)構(gòu)直流變壓器的均壓、均流也是未來的研究方向。

d. 協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究。直流配電系統(tǒng)通常具有多個電壓等級，且一般包含多個低壓交直流微電網(wǎng)、分布式發(fā)電、負(fù)荷等，這使系統(tǒng)的控制架構(gòu)變得極為復(fù)雜。直流配電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制對于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義［26］。隨著VSC 電壓和容量的提高，多個換流器之間的相互作用對系統(tǒng)的影響尤為顯著。現(xiàn)有直流配電系統(tǒng)控制策略大多未考慮換流器之間的交互影響，導(dǎo)致控制精度低、響應(yīng)速度慢、控制效果差、運行經(jīng)濟性不高等問題。因此需要在現(xiàn)有控制策略的基礎(chǔ)上考慮兩端、多端直流配電系統(tǒng)控制器的影響，實現(xiàn)系統(tǒng)的多端協(xié)調(diào)控制和電壓穩(wěn)定。另外，在完善直流配電系統(tǒng)分層控制理論和方法的基礎(chǔ)上，對各層之間的控制策略進行優(yōu)化，以實現(xiàn)系統(tǒng)的潮流優(yōu)化、平衡工況控制等，建立系統(tǒng)級的綜合調(diào)控體系。

e. 直流保護技術(shù)探索。不同于交流系統(tǒng)，直流配電系統(tǒng)的阻尼小，故障發(fā)展更快，范圍更大，因此對保護的速動性、選擇性、可靠性要求更高［27］。一般而言，直流系統(tǒng)需要在幾毫秒內(nèi)實現(xiàn)故障的快速定位、隔離及保護動作，以防止系統(tǒng)崩潰。基于現(xiàn)有直流配電系統(tǒng)的研究和需求，除了研制高性能的直流斷路器等關(guān)鍵設(shè)備外，應(yīng)開展系統(tǒng)的快速故障檢測和網(wǎng)絡(luò)化多點通信、一二次設(shè)備融合、系統(tǒng)級與設(shè)備級協(xié)同保護優(yōu)化方案等研究，發(fā)展故障廣域檢測與快速定位技術(shù)、故障電流的快速抑制技術(shù)等。

4 結(jié)論

直流配電系統(tǒng)在實現(xiàn)分布式電源并網(wǎng)方面具有很大優(yōu)勢，是未來節(jié)約能源和防止全球變暖最有前景的技術(shù)之一。“十四五”中指出，我國要在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060 年前實現(xiàn)碳中和，關(guān)鍵是發(fā)展新能源發(fā)電技術(shù)逐步替代化石能源。直流配電系統(tǒng)的發(fā)展和推廣對于實現(xiàn)我國能源的綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文介紹了目前國內(nèi)外部分直流配電系統(tǒng)的示范工程，各示范工程的實踐表明直流配電系統(tǒng)是解決能源消耗和環(huán)境污染問題的有效途徑。但目前國內(nèi)的直流配電系統(tǒng)發(fā)展緩慢，且大多處于工程示范階段，主要用于分布式發(fā)電的就近消納和敏感負(fù)荷供電等，應(yīng)用范圍小，局限性大，未能實現(xiàn)商業(yè)化和大規(guī)模推廣。此外，直流配電技術(shù)的研究和裝置研制還有很長的路程，需不斷借鑒國外經(jīng)驗開展相關(guān)試驗與示范工程，探索適合我國國情的直流配電系統(tǒng)管理與發(fā)展模式。在世界各國對節(jié)能減排和能源綜合利用需求日益增長的背景下，直流配電網(wǎng)將以其技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢而擁有廣闊的發(fā)展前景，也將給生活與生產(chǎn)方式帶來巨大的改變。

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