第1章 绪论
随着光伏、电动汽车和LED照明等直流设备的大规模接入，以及用户对电能质量要求的不断提高，传统交流配电系统正面临着电源类型多样化、负荷需求多元化、变换环节多级化等一系列复杂问题，供电质量、供电可靠性以及供配电效率所受影响日益严重。基于柔性直流技术的交直流混合配电系统可以更为灵活地接纳分布式电源与直流负荷，减少电能变换环节，提升供配电效率，尤其是柔性直流技术，可以实现换流站有功、无功功率的*立解耦控制，以及交直流系统互联功率的灵活转供，能够有效提高供电质量，保障供电可靠性，更加适合现代配电系统的发展。为此，国家先后启动了一批重大科技项目，在深圳、北京等地建设柔性直流配电系统示范工程。2018年1月，由国网冀北电力有限公司建设运营的世界*个柔性变电站(小二台柔性变电站)在张北阿里巴巴数据港成功并网运行，交直流混合配电技术从理论变为现实。
1.1 直流配电系统的驱动因素与优势
与交流配电系统相比，直流配电系统具有更大的供电容量、更高的供电可靠性以及更好的分布式电源接纳能力。光伏、风电等新能源发电的快速发展和负荷多元化变化等对直流配电系统推广和发展有着至关重要的驱动作用[1，2]。
1.1.1 直流配电系统的驱动因素
1.分布式电源对直流配电系统的推动
光伏、风机、燃料电池等，作为常见的分布式发电方式，产生的电能通常都是直流电或经整流后变为直流电，再通过直流/交流(DC/AC)换流器才能并入交流电网，大量的逆变器并网会在系统内产生谐波，降低系统效率，影响系统的安全运行和继电保护装置的正确动作。如果采用直流配电系统，可大大减少DC/AC换流环节，且无须考虑频率和相位的影响，减少分布式发电并网的成本和换流环节产生的损耗。
2.负荷变化对直流配电系统的推动
随着电力电子技术的快速发展和大功率半导体装置的普及，负荷侧整体结构也发生着巨大变化。以常见的电动汽车、计算机、手机等设备为例，充电器需要装设交流/直流(AC/DC)装置进行供电，而直流配电系统可直接或经过直流/直流(DC/DC)装置向这些设备供电，无须经过AC/DC装置，减少了损耗、降低了成本。
1.1.2 直流配电系统的优势
1.供电半径大
城市规模的快速扩大与用电负荷的急速增长，对配电系统的规模和传输容量提出了更高的要求。在原有配电系统上进行直接扩建的成本太高，因此需要在有限的线路走廊上输送更大的容量。双极直流线路与三相交流线路的供电容量大致相等，即在原有交流配电电缆线路上改用直流配电系统供电，能够节省一条线缆线路的供电走廊，或者在相同供电走廊占有情况下提高50%的供电容量。因此，采用直流配电系统可以提高供电容量，缓解城市发展速度与配电网规模不匹配的问题。
2.传输效率高
目前交流变压器的效率普遍在98%以上，即交流配电系统在进行电压变换时的电能损耗很小。但每经过一次AC/DC(或DC/AC)电力电子变换，电能损失约为2.4%，因此，直流配电系统直接向直流负荷供电可降低由电能变换产生的能量损失，提高传输效率。另外，目前已经出现效率高达99%的直流变压器，随着电力电子技术的发展，电力电子变换器的通态损耗和开关损耗会进一步降低，总体效率仍存在上升的空间。
3.供电可靠性高
直流配电系统的线路只需要两根导线，相比交流线路的供电可靠性更高。对于占线路故障80%～90%的单极瞬时接地故障，与三相交流配电系统发生单相短路不同，直流配电线路非故障极可与大地形**的供电回路，维持部分甚至全部的功率输送，极大地提高了供电可靠性。而且直流配电系统相比于交流配电系统具有响应快、恢复时间短的优点，可通过多次再启动或降压运行消除故障、恢复正常运行。此外，DC/DC换流器的存在，使得直流配电系统的故障范围缩小，区域内的故障不会引起外部继电保护装置的误动而导致故障范围扩大，超级电容器等储能装置的接入，更加有效地提高了直流配电系统的供电可靠性和故障穿越能力。
4.输电损耗小
交流配电系统存在电缆金属护套的电阻损耗和涡流损耗、无功损耗等，而直流配电系统没有无功功率传输引起的损耗，也没有集肤效应产生的有功损耗，其线路损耗仅为交流配电系统的15%～50%。尽管交流配电系统可以通过无功补偿等措施来降低线路损耗，但这将大大增加系统的建设成本和复杂性。在输送相同有功功率的情况下，单相交流系统的输电损耗大于单极直流系统的输电损耗，如果直流系统为双极，则线路电流将变为原来的1/2，线路损耗变为原来的1/4，这将远远小于交流三相系统。
5.电源易接入
能源危机和环境污染问题已受到普遍关注，以光伏、风机为代表的分布式发电方式已然是未来电网的发展趋势。但分布式发电的输出功率受环境影响较大，光伏发电、风力发电等受气象条件影响严重，有时还需要配置相应的整流装置和储能装置，再经过DC/AC换流器才能并入交流电网。以超级电容器为代表的储能装置和作为分布式储能单元的电动汽车充电站等，本身均以直流电的形式工作，并入交流系统时需要装设双向DC/AC换流器和复杂的控制装置，增加了并网成本，不利于分布式发电的推广和发展。若采用直流系统，分布式发电和储能装置的并网及控制会简单很多，可降低设备故障率、减少并网成本。
6.电磁影响小
直流线路的电晕损耗和电磁干扰问题都比交流线路小，产生的电磁辐射也小，直流电缆附近磁场强度远低于国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)和电气电子工程师学会(IEEE)规定的人体暴露极限[3]，与地球磁场强度具有相同的数量级。因此，即使直流电缆的埋深相对较低，也不会产生明显的电磁影响。
1.2 直流配电系统发展现状
1.2.1 国外发展现状
近年来，美国、德国、丹麦、日本、韩国等国都逐渐开展了直流配电系统的相关研究，从电压等级、应用场景、控制架构和继电保护方案等方面进行理论研究和示范验证[2]。国外相关示范项目大都集中在直流建筑、海岛微电网、数据中心等类型，电压等级较低且容量较小，在配电网、微电网的基础上进一步细化，提出了纳米网、分布式智能电网(distributed grid intelligence，DGI)等概念，并根据工程需要研发了直流配电系统的关键设备，如DC/DC换流器、能量管理设备、储能装置、故障管理装置等，具体如表1-1所示。
1.美国SBI示范项目
美国弗吉尼亚理工大学的电力电子中心(center for power electronics system，CPES)在2007年便提出了基于直流配电的SBI(sustainable building initiative)研究计划。该计划采用分层式母线结构，其直流配电系统设有两个电压等级：直流380V母线，用于驱动空调、烘干机、电热炉等大功率负载；直流48V母线则通过DC/DC换流器与直流380V母线连接，主要为电视、电脑、LED灯等小功率负载供电，提高了供电的安全性[4]。随着研究的深入，CPES在2010年将SBI项目拓展为SBN(sustainable building and nanogrids)计划，在家居用电基础上提出了交直流混合供电网络，将光伏发电、风力发电、储能装置、电动汽车等接入直流380V母线，以实现能量管理和零排放，可以形成*立的微电网，具有较强的故障穿越能力，具体结构如图1-1所示。
SBN项目采用两级脉冲宽度调制(PWM)变换器作为能量控制中心(energy control center，ECC)对直流系统进行控制，可以显著减少直流链路电容和电压纹波，实现短路保护、直流母线电压快速调节和软启动，并具有直流侧高频漏电流消除功能。此外，为减少储能装置充放电产生的开关损耗，CPES设计了三相交错双向DC/DC换流器，相比双开关DC/DC换流器，可以减少开关通断和二极管反向恢复带来的损耗，损耗降低约22.5%，并且具有较高的开关频率，输入输出电流的纹波较低，大大简化了滤波器的设计。针对三相交错变流器在轻负载下效率低的问题，SBN项目的三相变流器采用了断续电流模式(discontinuous current mode，DCM)运行，与电路恒流模式(constant current mode，CCM)运行相比，DCM可以显著降低关断损耗和导通损耗，有助于提高效率。
SBN项目由于提出较早，换流器、直流变压器等设备的技术相对不成熟，且局限于当时配电网构架的原因采用分层单母线结构，供电可靠性较差。但SBN项目在配电网、微电网的基础上提出了纳米网等概念，将直流配电系统细化、直流
图1-1 SBN项目结构图[f1]
负荷模块化，有利于保护分区和即插即用功能的实现，对直流配电系统的控制研究和拓展有重要意义，而且这种模块化的分类方式被后续的许多工程借鉴。
2.美国FREEDM项目
美国北卡罗来纳大学在对船舰直流配电系统进行分析与研究的基础上，于2011年提出了未来可再生电能传输管理(future renewable electric energy delivery and management，FREEDM)系统，其交流母线电压等级采用12kV，实现了交直流混合供电和即插即用功能，如图1-2所示。
FREEDM系统包含三个关键技术[5]。
(1)即插即用接口。系统含一个直流400V和一个交流120V总线接口，可以实现含分布式发电和储能装置的直流系统并网。
(2)智能能量管理(intelligent energy management，IEM)装置。系统的12kV母线通过三个IEM装置分别连接69kV外部电网、120V交流系统和400V直流系统，在电压转换和交直流变换的基础上实现了能量控制，并具有局部电源管理功能，如低压交流和直流电压的调节、电网侧电压暂降穿越、负载侧故障电流限制等。
图1-2 FREEDM结构图
(3)标准化操作系统DGI。该系统嵌入IEM装置中，利用通信网络协调系统管理装置与其他能源路由器。
另外，FREEDM系统安装了智能故障管理(intelligent fault management，IFM)设备用以隔离电路中的潜在故障，提高用户侧的故障恢复能力和电能质量。
FREEDM系统的环状供电结构具有自身*特的优势，在保证系统供电可靠性的前提下具有良好的拓展能力，并且由于IEM装置和IFM设备的存在，用户侧的负荷变动对直流配电网的影响大幅降低，满足了即插即用的需求。此外，FREEDM系统采用了基于智能电网设备的DGI系统，在维持系统稳定性的前提下考虑市场状况和用户需求，实现实时电价和能量管理。FREEDM系统的提出代表了一种新理念，可以在原有设备的基础上通过有效的能源管理措施实现分布式发电的广泛接入和环境保护。
3.德国亚琛工业大学City of Tomorrow
德国亚琛工业大学提出了City of Tomorrow城市供电方案，并在亚琛工业大学内建造了±10kV直流配电示范工程，城市配电系统采用中压直流环网供电，通过大功率AC/DC换流器和DC/DC换流器进行电能转换与传输。
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