康青，馬曉春，葉衛(wèi)華，袁蒙

(1.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044;2.智研院中電普瑞科技有限公司，北京 102200)

0 引言

配電網(wǎng)是指從輸電網(wǎng)到用戶之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由配電線路、配電變壓器及附屬設(shè)施組成，在電力網(wǎng)中起分配電能的作用。傳統(tǒng)配電網(wǎng)采用交流配電方式，利用變壓器的電磁感應(yīng)原理改變電壓。現(xiàn)代電網(wǎng)面臨大量分布式發(fā)電并網(wǎng)等挑戰(zhàn)，采用傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)方式無(wú)論對(duì)于分布式發(fā)電，還是對(duì)于現(xiàn)代化的直流用電設(shè)備，都必須經(jīng)過(guò)多級(jí)變流環(huán)節(jié)，這勢(shì)必增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度和設(shè)備損耗，同時(shí)提高了設(shè)備制造成本。而直流配電網(wǎng)采用直直變換技術(shù)，利用晶閘管和自關(guān)斷器件來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過(guò)通、斷的時(shí)間變化來(lái)改變負(fù)載平均電壓[1]。直流配電網(wǎng)與分布式電源接入靈活、設(shè)備投資低、電能質(zhì)量高及供電可靠性好，已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

直流配電技術(shù)涉及電網(wǎng)規(guī)劃、工程經(jīng)濟(jì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等一系列技術(shù)問(wèn)題，本文從直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)著手，以放射狀低壓直流配電網(wǎng)為例分析并歸納總結(jié)了直流配電網(wǎng)的拓?fù)涮攸c(diǎn);提出了采取配電網(wǎng)交直流同線饋送方式，有利于分布式電源的接入;分析了專家PID控制，為直直變換的控制方法提出了新思路;針對(duì)發(fā)生故障時(shí)配電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行了研究;最后，以無(wú)中央控制單元的工業(yè)低壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)及適用于居民住宅帶熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的低壓雙極型直流微網(wǎng)為例，詳盡地說(shuō)明了直流配電網(wǎng)技術(shù)的可行性與應(yīng)用前景。

1 直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流配電網(wǎng)系統(tǒng)的接線方式主要有放射狀、環(huán)狀與兩端配電。通常放射狀配電網(wǎng)供電可靠性相對(duì)較低，但一次投資少，繼電保護(hù)配合簡(jiǎn)單，故障識(shí)別及保護(hù)控制配合等相對(duì)容易;環(huán)狀與兩端配電網(wǎng)供電可靠性相對(duì)較高，但一次投資高，繼電保護(hù)整定復(fù)雜，故障識(shí)別和保護(hù)控制配合等也相對(duì)困難。因此，直流配電網(wǎng)應(yīng)根據(jù)供電可靠性、供電范圍及投資等實(shí)際工程的需要，采用不同的電壓等級(jí)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]。直流入戶的實(shí)現(xiàn)涉及多級(jí)直流配電網(wǎng)，所選接線需保證供電可靠、電能質(zhì)量高、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行靈活、操作安全等指標(biāo)[3]。中壓直流配電網(wǎng)的部分電能需經(jīng)直流降壓裝置送到低壓直流配電網(wǎng)再供用戶使用，以放射狀低壓直流配電網(wǎng)為例，如圖1所示。

2 技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)交流配網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)主要有以下特點(diǎn):

圖1 放射狀低壓直流配電網(wǎng)示意圖

1)提高電能質(zhì)量

直流系統(tǒng)用戶側(cè)電能質(zhì)量主要考量電壓偏差和波動(dòng)。直流母線的存在隔離了用戶側(cè)頻率偏差對(duì)更高電壓等級(jí)配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)的影響，電能質(zhì)量也可相應(yīng)地進(jìn)行區(qū)域化管理。柔性直流配電網(wǎng)中的換流器可以靈活發(fā)出或吸收無(wú)功功率，從而動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線和用戶負(fù)載的無(wú)功功率，并穩(wěn)定交流母線和用戶側(cè)交流電壓[4]。

2)有利于電網(wǎng)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)

直流配電網(wǎng)只有正負(fù)兩極，能節(jié)省大量的線路建設(shè)費(fèi)用。兩條極性相反的架空線通常采取相鄰排布，對(duì)外界產(chǎn)生的磁場(chǎng)幾乎可以完全抵消，故可與煤氣、水管敷設(shè)在同一管道，節(jié)省空間資源。相同有效值的直流電壓的峰值約比交流電壓小40%，減少電纜絕緣介質(zhì)的投資。

在直流配電網(wǎng)的情況下，分布式電源及儲(chǔ)能裝置的接口設(shè)備與控制技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，且分布式電源通過(guò)直流方式集中并網(wǎng)，較交流分布式并網(wǎng)接入方式對(duì)交流電網(wǎng)影響更小，設(shè)備投資更低。

3)滿足負(fù)荷特性的要求

我國(guó)用電量的70%左右都由動(dòng)力負(fù)荷消耗，通過(guò)直流供電可省去變頻器中的整流器部分，傳統(tǒng)電機(jī)負(fù)荷采用變頻調(diào)速技術(shù)可以節(jié)能降耗并有效提升電機(jī)的工作性能和運(yùn)行效率。同時(shí)，多數(shù)家電可以采用直流供電，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電壓和電流紋波大幅降低，電能損耗可相對(duì)減少15%以上[5－7]。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域

1)分布式電源并網(wǎng)及微網(wǎng)建設(shè)

微網(wǎng)中的光伏電池、燃料電池等新能源發(fā)電為直流電，風(fēng)力發(fā)電所提供的交流電通常先通過(guò)整流器變換為直流電，故直流配電網(wǎng)更有利于分布式電源并網(wǎng)。同時(shí)，低壓直流配電網(wǎng)將是未來(lái)微網(wǎng)發(fā)展的新方向。

2)構(gòu)成城市直流輸配電網(wǎng)

大中型城市的空中輸電走廊余地已經(jīng)很小，采用電纜輸電是滿足電力增容的合理方法。直流電纜比交流電纜占有空間小、輸送有功多。隨著技術(shù)的進(jìn)步，直流用電有望成為提高生活質(zhì)量、節(jié)能降耗的主要用電形式。因此，在直流電纜的基礎(chǔ)上配以直流配電網(wǎng)，有望成為未來(lái)城市增容的最佳途徑。

3)工業(yè)用戶低壓直流配電網(wǎng)

工業(yè)用戶通常安裝有直流電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，多數(shù)用電設(shè)備都可以使用或很容易改造成直流用電方式。直流配電網(wǎng)方式可以有效降低工業(yè)用戶的投資，避免電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)生產(chǎn)造成的不良影響。

4)不同連接方式的非同步運(yùn)行

連接不同額定頻率或相同額定頻率的交流系統(tǒng)的非同步運(yùn)行。直流配電網(wǎng)不存在頻率偏差、三相電壓不平衡、諧波污染等問(wèn)題，用于連接不同額定頻率或相同額定頻率的交流系統(tǒng)的非同步運(yùn)行非常有利。

3 直流配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 交直流同線饋送方式

配電網(wǎng)交直流同線饋送方式是針對(duì)分布式電源的發(fā)展提出的一種新型配電網(wǎng)電源饋送方式。在滿足饋電線路電氣特性要求的前提下，讓直流電和交流電一同在配電網(wǎng)相關(guān)線路上傳輸。

相對(duì)純交流饋送方式，交直流一同在配電網(wǎng)相關(guān)線路上傳輸可以使線路的功率損耗顯著降低、線路的電壓分布更均衡。在有直流負(fù)載或倍頻負(fù)載的地方，直接的或通過(guò)簡(jiǎn)單的變換供給相應(yīng)負(fù)載，總體投資水平明顯低于交流。直流部分的有功功率可以和交流配電網(wǎng)進(jìn)行盈虧調(diào)劑，從而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的功率平衡。交直流同線饋送方式為直流配電網(wǎng)提供了新思路[8]。

文獻(xiàn)[9]提出了基于分布式直流電源配電網(wǎng)的交直流同線饋送方案，借助于現(xiàn)有的交流配電網(wǎng)線路實(shí)現(xiàn)分布式直流電源電能的傳輸。該方式下疊加的電壓只與交流電壓和負(fù)荷有關(guān)，與饋電線路參數(shù)無(wú)關(guān)，其大小可根據(jù)設(shè)置有功功率損耗比例系數(shù)和絕緣要求配合給定。并從對(duì)環(huán)境的影響、穩(wěn)態(tài)性能和短路暫態(tài)電流三個(gè)方面論證了方案的可行性。

3.2 DC-DC變換器的控制技術(shù)

傳統(tǒng)的DC－DC變換器控制多用模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，一般采用經(jīng)典的PID控制或改進(jìn)型PID控制。為滿足不同偏差e和偏差的變化ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求，利用自適應(yīng)規(guī)則控制在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了參數(shù)自整定PID控制器，即專家PID控制器，控制框圖如圖2所示[10]。

圖2 專家PID控制框圖

目前直流變壓設(shè)備價(jià)格相對(duì)昂貴，自身功耗較高，且運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，這些都限制了直流配電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論研究的發(fā)展，現(xiàn)代控制技術(shù)中的一些理論和方法已應(yīng)用到DC－DC變換器的研究中來(lái)。一些文獻(xiàn)提出了狀態(tài)反饋控制，非線性控制，自適應(yīng)控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，函數(shù)控制以及智能控制(包括模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法)等。這些研究工作尚處于理論分析和仿真研究的階段，如何結(jié)合直流配電網(wǎng)設(shè)計(jì)的實(shí)際要求應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的最新研究成果則顯得尤為關(guān)鍵。

3.3 直流配電網(wǎng)保護(hù)研究

直流配電網(wǎng)系統(tǒng)故障類型較多，消除每種故障或異常狀態(tài)的方法有所區(qū)別，大多數(shù)直流保護(hù)動(dòng)作都配合控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行故障隔離和消除。采用保護(hù)、控制集成方案可以降低保護(hù)系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低系統(tǒng)成本，減少保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，是未來(lái)直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向之一[11－13]。

直流配電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電力電子設(shè)備特性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性之間的影響。保護(hù)需要在直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)增加額外設(shè)備，該額外設(shè)備可以整合到逆變器中。部分保護(hù)設(shè)備可與傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的保護(hù)設(shè)備整合，如直流連接采用用戶網(wǎng)絡(luò)中過(guò)流保護(hù)已有的斷路器。

單控制器控制單逆變器的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。每個(gè)負(fù)載連接到有電流測(cè)量或簡(jiǎn)單過(guò)流保護(hù)的跳閘控制器，圖中的單個(gè)逆變器可以替換成多個(gè)逆變器，通過(guò)斷路器的負(fù)載供電不變。單個(gè)逆變器系統(tǒng)中，跳閘控制器可以實(shí)現(xiàn)逆變器的控制，但是在多個(gè)逆變器系統(tǒng)中，控制結(jié)構(gòu)決定于逆變器類型:獨(dú)立型或者主從型。

圖3 單控制器控制單逆變器

常用的單控制器控制多個(gè)逆變器的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。多個(gè)逆變器可以為多個(gè)負(fù)載組供電，每個(gè)逆變器可以是獨(dú)立的單元，也可以由外部控制設(shè)備統(tǒng)一控制[14]。

圖4 單控制器控制多個(gè)逆變器

4 直流配電網(wǎng)案例分析

4.1 無(wú)中央控制單元的工業(yè)低壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)

該配電網(wǎng)系統(tǒng)采用直流環(huán)形母線結(jié)構(gòu)，確保通過(guò)平行路徑向每個(gè)逆變器供電。整流器中的一個(gè)或者兩個(gè)通過(guò)專用線路連接至交流系統(tǒng)，降低子系統(tǒng)之間的互相影響。該系統(tǒng)具有UPS特性，為高優(yōu)先級(jí)負(fù)載連續(xù)供電。這種控制的好處是增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，盡量減小故障范圍。整流器的分布電壓控制允許整流站之間電流共享，降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。通過(guò)選擇電壓降落斜率，很容易控制直流母線電壓水平[15]。

圖5 工業(yè)低壓直流配電網(wǎng)系統(tǒng)

4.2 適用于居民住宅帶熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的的低壓雙極型直流微網(wǎng)

2007年，日本提出了適用于居民住宅帶熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的低壓雙極型直流微網(wǎng)，對(duì)其基礎(chǔ)特性進(jìn)行了研究，通過(guò)直流母線在住宅間分配功率，并在實(shí)驗(yàn)室搭建了物理模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能提供高質(zhì)量的電能，當(dāng)主系統(tǒng)出現(xiàn)電壓下降時(shí)，該系統(tǒng)能繼續(xù)提供高質(zhì)量的電能，即使在負(fù)荷側(cè)發(fā)生短路，也不會(huì)影響對(duì)其他負(fù)荷的供電[16]。

5 結(jié)束語(yǔ)

直流電機(jī)、電力半導(dǎo)體、電能儲(chǔ)存、可再生能源發(fā)電等的快速發(fā)展，標(biāo)志著直流供電的優(yōu)勢(shì)不斷顯現(xiàn)。直流輸電技術(shù)在工程中的成功投運(yùn)，也預(yù)示著直流領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外學(xué)者正在努力探索直流配電網(wǎng)領(lǐng)域，隨著電力電子器件、計(jì)算機(jī)控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，直流配電網(wǎng)的各種技術(shù)難題必將一一攻克。這一技術(shù)將由理論研究到仿真模擬，逐步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，相信在不久的將來(lái)，直流配電網(wǎng)技術(shù)會(huì)逐步服務(wù)于我們的生活，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的跨越式發(fā)展，為人類的用電史增添輝煌的篇章。

[1]黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994:110－111.

[2]江道灼，鄭歡.直流配電網(wǎng)研究現(xiàn)狀與展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(8):98 －104.

[3]陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京:中國(guó)電力出版社，2007:7－8.

[4]湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2009.

[5]Salomonsson D，Sannino A.Load modelling for steady-state and transient analysis of low-voltage DC systems[J].IET Electric Power Applications，2007，1(5):690 －696.

[6]Techakittiroj K，Wongpaibool V.Co-existance between AC-distribution and DC-distribution:in the view of appliances[C]//Computer and Electrical Engineering， 2009.ICCEE'09.Second International Conference on.IEEE，2009，1:421 －425.

[7]Kakigano H，Nomura M，Ise T.Loss evaluation of DC distribution for residential houses compared with AC system[C]//Power Electronics Conference(IPEC)，2010 International.IEEE，2010:480 －486.

[8]崔曉丹，于繼來(lái).配電網(wǎng)交直流同線饋送方式的潮流分析[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2006，18(6):63－67，73.

[9]崔曉丹，于繼來(lái).配電網(wǎng)交直流同線饋送方式[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2007，11(1):6 －11.

[10]嵇保健，陳新.DC/DC變換器的專家PID控制方法研究[C].2006中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集，2006.

[11]Baran M E，Mahajan N R.Overcurrent protection on voltage-sourceconverter-based multiterminal DC distribution systems[J].Power Delivery，IEEE Transactions on，2007，22(1):406－412.

[12]Salonen P，Nuutinen P，Peltoniemi P，et al.Protection Scheme for an LVDC Distribution System[C]//20th International Conference on Electricity Distribution，Prague，June 2009:891 －891.

[13]Salonen P，Kaipia T，Nuutinen P，et al.Fault Analysis of an LVDC Distribution System[C].WESC，2008.

[14]Nuutinen P，Salonen P，Peltoniemi P，et al.LVDC customer-end inverter operation in short circuit[C]//Power Electronics and Applications，2009.EPE＇09.13th European Conference on.IEEE，2009:1－10.

[15]Tang W，Lasseter R H.An LVDC industrial power distribution system without central control unit[C]//Power Electronics Specialists Conference，2000.PESC 00.2000 IEEE 31st Annual.IEEE，2000，2:979－984.

[16]Kakigano H，Miura Y，Ise T，et al.A DC micro-grid for superhighquality electric power distribution[J].Electrical Engineering in Japan，2008，164(1):34－42.