图 1 CPES 中心提出的直流配电系统结构 Fig. 1 DC distribution system proposed by CPES
(a) 功率变换系统
图 2 CPES 中心提出的交直流混合配电系统结构 Fig. 2 AC and DC distribution system proposed by CPES
第 33 卷 第 25 期 2013 年 9 月 5 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.33 No.25 Sep.5, 2013 ©2013 Chin.Soc.for Elec.Eng. 9
文章编号：0258-8013 (2013) 25-0009-11 中图分类号：TM 71 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40
综上所述，直流配电的发展很大程度上受到了 分布式电源发展的推动，而分布式电源的应用也使 得传统的配电由单纯的供电功能，扩展出了发电功 能；另外分布式电源尽管优点突出，但本身存在诸 多问题，例如分布式电源单机接入成本高、容量小、 控制困难等。所以，分布式电源相对于大电网来说 是一个不可控源，目前主网往往采取限制、隔离的 方式来处置分布式电源，这就限制了分布式能源效 能的充分发挥。
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也导致了用户的用电方式发生了较大的变化。例如 电力电子变频技术在空调、冰箱、洗衣机等产品中 得到了广泛的应用。而在交流配电网中，需要经过 AC-DC-AC 转换才能达到变频。而对于直流配电 网，则只需进行 DC-AC 转换，从而省略了 AC-DC 环节，降低了变换器损耗。
需要指出的是，这些领域的直流配电往往指的 是传统意义上向负载供电的功能，而并不包含发电 的概念。
2）分布式电源发展对直流配电的推动。 20 世纪 70 年代世界范围内的能源危机爆发后， 环境污染和能源短缺等问题受到了全世界各国的 普遍关注，而分布式能源系统由于具有负荷变动灵 活、供电可靠、输电损失小以及便于可再生能源应 用等特点，而受到越来越多的关注[4]；另外，分布 式电源的应用也使得传统的配电由单纯的供电功 能，扩展出了发电的功能。 常见的分布式电源主要有光伏电池、燃料电 池、风力机和燃气轮机等，而这些电源产生的电能 均为直流电或可经过简单整流后变为直流电。如此 分布式电源并入直流配电网将可以节省大量的换 流环节。例如：光伏发电等产生的是直流电，通常 需经过 DC-DC 和 DC-AC 两级变换才能并入传统的 交流配电网；而风力机等虽然是以交流形式产生电 能，但通常并不稳定，通常也需要经过 AC-DC 和 DC-AC 两级变换才能并入交流配电网。而如果这些 分布式电源接入直流配电网，则可以省略上述的 DC-AC 环节，从而减小成本、降低损耗。 3）负荷发展对直流配电的推动。 近几年，电力电子技术得到了快速的发展，这
1 直流配电在国外的研究现状与发展
1.1 美国的直流配电网研究 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[9-20]。下文列举几个具有代表 意义的结构方案进行介绍。
美国相对较早开始了直流配电网的研究，主要 研究机构有弗吉尼亚理工大学以及北卡罗来纳州 立大学等。在 2007 年，美国弗吉尼亚理工大学 CPES 中心提出了“Sustainable Building Initiative(SBI)” 研究计划，主要为未来住宅和楼宇提供电力。随着 研究的深入，CPES 于 2010 年将 SBI 发展为 SBN(Sustainable Building and Nanogrids)，其典型结 构如图 1[10]所示。整个系统具有 2 个电压等级的直 流母线 DC 380 V 和 DC 48 V，分别给不同等级的负 载供电。DC 380 V 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。DC 48 V 母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 DC 380 V 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[10]所示。在该结构中，交流配电网 和直流配电网是同时存在的，系统根据电压等级从
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宋强等：智能直流配电网研究综述
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and Management (FREEDM)”系统结构[12]，用于构 建未来自动灵活的配电网络。FREEDM 系统结构如 图 3[12]所示，它主要具有 3 个核心的技术特征： 1）包含有 DC 400 V 直流母线和 AC 120 V 交流母 线的即插即用接口；2）连接 12 kV 交流中压配电母 线和 DC 400 V 及 AC 120 V 低压配电母线的智能能 量管理(intelligent energy management，IEM)装置(又 称为能量路由器)；3）开放标准的分布式电网操作 系统。在 FREEDM 系统中，交流配电网和直流配 电网也是同时存在的，它们均通过 IEM 与大电网连 接，其中直流配电网主要用于集成分布式电源单 元、分布式储能单元及直流负载等。
4）直流配电的自身优势。 ①线路成本低。 相比交流配电的三相四线制，直流配电只有两 个线路，所需的建设费用少；此外，在交直流电有 效值相同时，交流电压的峰值比直流电压峰值大， 因此对电缆的绝缘强度要求也就更严格，所以直流 电缆的成本也要低[5]。 ②输电损耗小。 由于直流配电只有两个线路，所以相比交流线 路，导线的损耗小；另外，在输送相同的有功功率 情况下，单相交流的输电损耗大于单极直流系统的 损耗，而三相交流系统的损耗低于单极直流系统。 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]6\。 ③供电可靠性高。 在交流配电网中，交流输电能力受到同步发电 机间功角稳定问题的限制，且随着输电距离的增 大，同步机间的电抗增大，输电能力受到更大的限 制。而直流线路不存在频率稳定和无功功率等问 题，供电可靠性也较高。 ④具有环保优势。 直流线路的“空间电荷效应”使电晕损耗和无 线电干扰都比交流线路小，产生的电磁辐射也小， 具有环保优势[7]。 5）现代直流配电的运行特点。
KEY WORDS: distributed power source; DC distribution; smart grid; system architecture; control; protection
摘要：随着电力电子技术的发展，相比交流配电网，直流配 电网在很多领域取得了技术和经济优势，具有巨大的发展前 景。首先对直流配电的发展历程、优势及运行特点等进行了 论述和分析；在此基础上，介绍了直流配电网在一些发达国 家的研究现状与发展情况。其次，对直流配电网研究中的系 统架构、控制技术、保护技术等关键问题和相关研究现状进 行了全面的阐述。最后，对直流配电网在中国的发展进行了 介绍和展望。
为了解决以上问题以及充分发挥分布式能源 的效能，分布式电源往往采用微电网形式并入主 网[8]，即在直流配电网中，微电网将是最主要的运 行方式。目前，微电网主要是以交流微电网的形式 存在，而在直流配电网中，微电网的主要存在形式 将为直流微电网[9]。与交流微电网相比，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。
容量小等原因使得直流配电被交流配电所取代[1-2]。
20 世纪末，随着功率半导体技术的发展，直流 供电技术的技术和经济优势逐渐体现。美国、日本 和欧洲等国家和地区于 20 世纪 90 年代便开始了数 据通信中心直流配电的研究。而军舰、航空以及混 合电动汽车等特殊应用领域的直流区域配电技术 也日趋成熟[3]。这些都为直流配电向工厂、住宅等 领域的推广应用提供了基础。
(State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments (Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China)
关键词：分布式电源；直流配电；智能 在输配电系统产生时，直流就被作为最主要的 配电方式，但是由于当时直流输配电电压等级低、
基金项目：国家自然科学基金项目(51077076)；国家 863 高技术基 金项目(2011AA05A102)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51077076); The National High Technology Research and Development of China (863 rogramme)(2011AA05A102).
ABSTRACT: With the development of power electronics technology, compared to the AC power distribution network, the DC power distribution network has tremendous potential for its obvious advantage in technology and economic. In this paper, firstly, the development history, advantages as well as operation features were described and analyzed. On this basis, the research and developments of DC power distribution network in various countries were summarized. Secondly, the key topics, such as system architecture, control and protection technologies, and their research developments were comprehensively expounded. At last, the development of DC power distribution network in China was introduced and forecasted.