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1、1 课题背景、目的和意义1.1 课题背景早在输配电系统产生之时，人们就将目光锁定于直流，但由于早期直流输配电电压水平低、输 送容量小等因素的制约以及交流系统的优越性使直流配电系统停滞不前。 20 世纪末，随着直流供 电技术的发展，尤其是电力半导体技术的发展，直流供电技术和直流电器产品克服了原有缺点，并 在某些领域重新取得了技术经济优势。近年来高压直流输电技术广泛应用于电力系统中，换流器、滤波器、断路器等各方面发展较为 成熟，低压直流配电技术也逐渐受到国外学者的关注。这对直流配电网的建设有着很好的借鉴作用 和有力的技术支持1。1.2 课题研究的目的和意义随着新能源、新材料、信息技术和电力电子技术
2、的长足发展和广泛应用，用户对用电需求、电 能质量及供电可靠性等要求不断提高，现有交流配电网将面临分布式新能源（电源）接入，负荷和 用电需求多样化、潮流均衡协调控制复杂化，以及电能供应稳定性、高效性、经济性等方面的巨大 挑战。风电、光伏发电、燃料电池、以及电动汽车动力电池、超级电容器等各种储能装置基本上都 是直流电（或采用直流电技术）,必须通过 DC/AC 换流器才能并入交流配电网；众多办公与家用电 器设备采用直流供电实际上更为方便、节能；越来越多的工业负荷采用变频技术以提高电能利用效 率。另外，国内数十年来由于城市规划与电力系统规划工作的相互分离，形成了与负荷发展要求不 相应的配电网结构，使配
3、电网的规划、发展及供电质量越来越不适应城市发展的需求。总之，传统 的配电网结构与配（供）电方式已越来越不能满足快速发展的经济社会对其提出的更加环保、更加 安全可靠、更加优质经济、支持分布式电源接入，以及用户与电网双向互动等诸多要求。国外研究资料表明，基于直流的配电网在输送容量、可控性及提高供电质量等方面具有比交流 更好的性能，可以有效提高电能质量、减少电力电子换流器的使用、降低电能损耗和运行成本、协 调大电网与分布式电源之间的矛盾，充分发挥分布式能源的价值和效益2。2 课题国内外基本研究概况2.1 直流配电在国外的研究现状与发展相比交流配电网，直流配电网以其强大的节能优势具有巨大的发展前景。目
4、前，一些国家已经 纷纷开展了直流配电网的研究，提出了各自的直流配电网概念和发展目标。下面列举几个具有代表 意义的结构方案进行介绍3。2.1.1 美国的直流配电网研究2010 年，美国弗吉尼亚理工大学 CPES 中心提出了“ Sustainable Building and Nanogrids(SBN) ”研究计划，其典型结构如图1所示。整个系统具有2个电压等级的直流母线DC380V和 DC48V，分别给不同等级的负载供电。DC380V母线主要是为了匹配工业标准的直流电压等级，它 依靠前端整流器和功率因数校正(power factor correction, PFC)电路接入主电网。DC48V母
5、线主 要是为了匹配通信标准的直流电压等级，它依靠DC/DC变换器与DC380V母线连接。在SBN研 究的基础上，结合高压直流输电的发展， CPES 还提出了交直流配电分层连接的混合配电系统结 构，如图 2 所示。在该结构中，交流配电网和直流配电网是同时存在的，并采用分层的结构组成了 一个交直流混合的配电网络。扎9r-；统结构直流IENERfiV； .STORAGE：PLUC-IN HYBRIDS&LAR ARRAYWINDTURBINE0坦阿NlApplianoes: Washer, Appliances1 LED light Dry er. Stofi/Rnge,.1 It；|&剧Cansu
6、mer eLTV. Computer. rI 图 1 CPES 中,.11-DC bus3S0VUECCAC DlS iRlBlFTiQNELECTRONICS2.1.2日本的直流配电网研究2004 年，日本东京工业大学等机构实现了一套 10kW 直流配电系统样机13。在上述研究的基 础上，日本大阪大学于2006年提出了一种双极结构的直流微电网系统，如图414-15所示。230V 交流电由降压变压器从6.6 kV配电网直接获得，然后通过双向整流器变换为土 170V直流电压。一 个燃气轮机通过背靠背变换器直接连接到 230V 交流电，蓄电池和超级电容等储能设备以及光伏电 池等分布式电源均通过DC
7、-DC变换器连接到直流母线。power supply ccnicrhsdirertinnslthe bulk poer system200 V6 6kV/230 V图3具有双电极的直流配电系统结构secondary batterythe bulk powe rsystemcontactcc +ilndingpt胡exgas enginecogeneraConsystemeJ&c&ic double layer亡占苗utmth咅 t?uik power system iQJ1/1( 100 V5inde Dhase iri/erterI single phase inverter I2.1.3
8、欧洲的直流配电网研究罗马尼亚的布加勒斯特理工大学在 2007 年提出了一种带有交替供电电源的直流配电系统结 构，如图 5 所示。该系统不仅可以利用光伏发电和风力发电产生的电能，还可以由沼气等产生生 物能供电。另外，自 2008 年以来，英国、瑞士及意大利等国开展一项名为 UNIFLEX (Universal and Flexible Power Management)的研究项目，重点研究通过新型功率变换技术适应未来有大量分 布式电源接入的欧洲电网的功率流动管理。+訖” co專4 带有交替供电电源的直流配电系统结构2.1.4 直流配电在国内的研究现状与发展直流配电自身存在线路造价低、输电损耗小、
9、可靠性高及环保等优势。另外，直流配电还可以 减少分布式发电系统及直流负荷接入电网的中间环节，进而降低接入成本，提高功率转换效率和电 能质量。直流配电网的这些特点完全符合中国电力的发展需求和方向。自 2009 年开始，国内相关单位逐步对直流配电网展开了相关研究。清华大学在国家自然科学 基金项目中提出了基于高频隔离和公共直流母线的电池储能电网接入系统，该项目的侧重点在于研 究用于直流配电系统中的新一代功率变换技术，包括新一代功率器件应用以及高频隔离变换技术 等。另外，2012 年，中国还以深圳供电局为主成立了城市电网先进技术研究中心，计划于2012 年 至 2015 年建立柔性直流配电技术实验室，
10、并实施柔性直流配电相关关键技术的研究3。综上所述，目前关于直流配电技术的研究主要集中在一些特殊领域，针对的对象主要是配电系 统最末端的低压供电系统，或者是与交流配电网配合运行供电。真正从电力系统角度出发对直流配 电技术进行的研究无论是在深度上还是广度上均有限，特别是在直流配电保护的问题上还存在很多 挑战。本课题就是要在保护这方面进行一些研究，探讨可行、通用的保护方案。3 课题研究内容、研究路线及方案3.1 课题研究内容3.1.1 了解国内外直流配电网运行及其保护的研究及发展现状（见 2）3.1.2 学习直流配电的基本知识直流配电技术是指在配电网中采用直流制为主导的电能输送技术，主要应用了电力电
11、子设备。 利用传统能源发出的电能首先输送到交流电网上。交流配电网通过 AC/DC 变换接入直流配电网， 同样，直流配电网通过 DC/AC 变换与交流配电网相连。近年来，出于能源危机和环境保护的考 虑，很多分布式电源得到发展，这些电源发出的电能有直流有交流，但要并入交流电网都需要经过 转换，若是广泛采用直流配电网，那么就无需最后的 DC/AC 转换环节。同样，现在用户负荷有很 多是利用直流驱动的，直流配电网可直接为它们供电。对于需要变频或是有很高供电可靠性的负 荷，直流配电网也是也可省略AC/DC变换，减少消耗3。3.1.3 学习直流保护的基本原理在直流配电网的保护技术的研究中，目前主要吸取了交
12、流配网保护技术的经验。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3。3.1.4 研究直流配电网运行特性总的来说，直流配电网具有供电容量大、线路损耗小、电能质量好、无需无功补偿以及适于各 类电源和负载接入等优（特）点。经研究计算表明，在线路建造费用及占用走廊宽度相同时，采用直流配电能够有效提高供电容 量或供电半径。直流配电网实现分布式储能的技术难度与交流配电网比相对较低，在解决一定的技术问题后， 可有效解决电压闪变等电能质量问题。此外，柔性直流配电网中的换流器不需要交流侧提供无功功 率，在灵活地发出或吸收无功功率的同时
13、，还可起到静止无功补偿器（STATCOM）的作用，动态 补偿交流母线和用户负载的无功功率，并稳定交流母线和用户侧交流电压。考虑交流电缆金属护套涡流造成的有功损耗和交流系统的无功损耗，当直流系统线电压为交流 系统的2倍时，直流配电网的线损仅为交流网络的15%50%。直流配电网采用大量电力电子设备，因此通态损耗和开关损耗较大，其效率约为 85%95%， 亦即换流器和直流变压器的电能转换效率低于交流变压器。但是，直流配电网的线损远低于交流配 电网。目前研究证明，交直流混合配电网和直流配电网的总体效率与交流配电网相差不大，但随着 电力电子技术与器件的发展，其换流器的通态损耗与开关损耗不断降低，直流配电
14、网的总体效率仍 存在上升的空间。相对交流配电网而言，直流配电网更便于超级电容、蓄电池等储能装置的接入，从而提高其供 电可靠性与故障穿越能力。未来的配电网应能够接纳风能、太阳能等新能源发电的大规模、分布式并网。在直流配电网情 况下，实现分布式新能源并网发电及储能等的接口设备与控制技术相对要简单得多2。现代以及将来的直流配电网会以微电网为主要运行方式，交流微电网相比，直流微电网不需要 对电压的相位和频率进行跟踪，可控性和可靠性进一步提高，因而更加适合分布式电源和负载的接 入3。3.1.5 研究直流配电保护方案直流配电保护主要涉及3个方面的内容：开关设备；系统接地；继电保护系统4。开关设备主要是直流
15、断路器。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断路器的研制带来了困难4。目前，对于直流断路器 的开断方法主要有增大电弧电压法、分段串接入限流电阻法、磁场控制气体放电管断流法、 迭加 振荡电流法、 电流转移法等3。在直流配电系统中，可以采用不接地、高阻接地和低阻接地等方式；大地也可以与两电极中的 一极或者变换器和电池的中性点连接。在图8 （a）所示的TN-S接地方式中，变换器和电池的中性 点连接到大地（T），并通过一条单独的线路将大地（T）、中性点（N）和保护线（PE）连接。当 接地故障发生时，会有较大的故障电流和电压暂变现象，这会影响连接在故障电极上的其他负载运 行，但不会影响另一电极上的负载。该接地方式故障容易检测并快速清除。在图8 （b）所示的IT 接地方式中，系统正电极和保护线均经过高阻抗（I）连接到大地（I）。相比负电极，正电极与大 地连接可以减小电腐蚀的效应。当接地故障发生时，会有较小的故障电流和电压暂变现象。单故障 发生时，可以保证负载的稳定运行，但由于接地故障会改变极地电压，进而会影响敏感负荷的运 行。该方式由于故障电流小，故障检测困难，并且负载的金属外壳可能会带电3。图 5 直流配电网接地方式在直流配电网中，根
