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发布时间：2019-09-09 17:24所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要:随着能源清洁化转型以及智慧能源建设的推进，直流配电系统因便于接纳分布式清洁能源、功率易于控制等优点受到密切关注。对直流配电系统的组网技术及其应用技术的研究现状和发展趋势进行了综述，首先对直流配电系统的主要性能特点进行了总结，其次对直流
摘要:随着能源清洁化转型以及智慧能源建设的推进，直流配电系统因便于接纳分布式清洁能源、功率易于控制等优点受到密切关注。对直流配电系统的组网技术及其应用技术的研究现状和发展趋势进行了综述，首先对直流配电系统的主要性能特点进行了总结，其次对直流配电系统中典型的拓扑结构和供电模式进行了全面的分析，进而研究了模块化多电平换流器、直流变压器和低压换流器接入直流配电系统时的控制方式，最后结合交直流混合配电网、直流能量路由器、能源互联网及泛在电力物联网等智慧能源应用场景与发展趋势的分析，总结和展望了柔性直流配电系统关键技术的主要研究方向。
关键词:直流配电系统;组网技术;智慧能源;泛在电力物联网
0引言
随着城市用电负荷密度不断增大，城市电网面临着多重难题:一方面要扩大城市配电网容量以适应城市经济发展的需求，另一方面要接纳太阳能、风能等可再生清洁能源以减轻环境污染的压力[1-3]。在该背景下，直流配电系统(DCdistributionsystem，DCS)是基于电压源换流器提供直流电力且具有先进能源管理系统的智能化配电系统，因其输送容量更大、供电质量更优、易于接纳分布式能源(distributedenergyresource，DER)、可控性更高[2]等优势而受到关注。
与此同时，随着用能清洁化和智能化转型的推进，拥有自组织、自检查、自平衡、自优化等功能，满足安全、清洁和经济要求的智慧能源系统[4]，以及基于信息物理融合的能源互联网[5]和泛在电力物联网(ubiquitouspowerInternetofThings，UPIoT)[6]成为推进配电网发展的重要方向。
鉴于DER接入DCS不仅可以减少换流环节，节约成本，更能充分发挥DER的价值和效益，因此依托柔性DCS，构建面向直流的能量路由器(又称为能源路由器)[7-8]、能源互联网及UPIoT等智慧能源应用场景的关键技术体系，将成为未来城市配电网发展的重要支撑。在此背景下，多个国家展开了DCS的探索。美国的研究机构较早开展了DCS的研究，探索了DCS的系统结构和供电形式[9-10]。欧洲罗马尼亚等国家充分利用光伏、风力等新能源以及沼气等生物质能，提出了带有交替式电源的DCS结构[11]。
中国目前已建成多个基于柔性直流互联的交直流混合主动配电网示范工程，对未来建设规模化直流配电智慧城市提供了理论和实践指导意义。其中包括世界上第1个多端柔性直流工程———南澳多端柔性直流示范工程，成功将风电场并网，探索了柔性直流技术在提高城市供电电压水平、电网扩容和促进可再生能源消纳等方面的关键问题[12]。
另外，国内首个中压五端柔性直流配电示范工程2019年在贵州正式投入试运行，建立了智慧能源一体的柔性交直流互联配电中心[13]。同时为积极探索智慧能源建设的新方向，中国已成功建成并投运了世界规模最大的多端交直流混合柔性配电网互联工程———珠海唐家湾多端柔性直流配电工程，以及交直流负荷并存的张北数据中心示范工程[14]，实现了供电区域互联互济及DER的友好接入。
显然，DCS在面向DER、微网、储能、充电站桩、柔性负荷等方面具有先天的优势，非常匹配UPIoT技术的发展。UPIoT的定位在于配电网侧数据的采集、处理、决策，旨在促进清洁能源的消纳和建设智慧能源综合服务，打造一个枢纽型、平台型和共享型的平台，挖掘数据的价值。而DCS便于各种设备的接入与兼容，更能促进能量路由器技术的发展和应用，因此DCS可望成为未来智慧能源及UPIoT的一个重要组成部分———未来智慧城市配电网有望以DCS架构和信息物理系统为支撑，与物联网深度融合，实现城市配电网的高效运维和管理。
目前对DCS的研究多集中在可靠性评估、经济性分析、电压控制策略和功率控制策略，以及仿真建模分析等方面[15-17]，而对DCS不同拓扑结构、接入方式的优势特点和需要深入研究的问题的论述较少，对DCS在智慧能源发展背景下的技术发展方向的探讨也较少。本文首先对DCS的性能特点进行分析，其次对DCS的典型拓扑、供电模式和接入方式等组网技术进行综述，研究了模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)、直流变压器和低压换流器接入DCS时的控制方式，最后，结合DCS的技术应用与发展趋势分析，对相关领域的技术研究方向做出一些展望。
1DCS的主要性能特点
在配电领域，随着经济、社会的进步和发展，电力负荷增长迅速，使得传统交流配电系统面临巨大挑战，特别是在中国拥挤和蓬勃发展的城市，对配电系统的电源和供电线路走廊建设的制约越来越多[18]。然而，直流配电技术的应用有望大幅改善未来城市配电网的智慧程度，提高城市供电的安全可靠性。
1.1DCS适合互动化接入
可再生能源分布式并网成为未来配电网的重要特征[19-20]。由于DER、储能设备、电动汽车充电站通常是以直流的方式工作，故在DCS中，DER及储能等并网接口与控制技术相对简单，DER产生的电能可以直接用于负载和存储，从而减少转换损耗[21]，使得DCS更加便于源网荷储的互动化接入。而在能源互联网中，柔性直流换流器更加适合构建能量路由器，从而成为多能互补系统中的枢纽。
1.2DCS的供电电能质量
电能质量是配电网用户最关注的问题之一。DCS通过调节直流电压并控制用户侧的交流电压和频率，可以很方便地保障高电能质量供给[22-23]。定性来看，基于柔性直流技术的DCS在改善用户供电质量方面比交流配电网具有更大的优势。在面向智慧能源的DCS中，考虑到大量DER和各类型负荷的接入带来的复杂性，谐波含量有可能变大，在采用较低的直流电压供电时的电压降落也比较大，需要充分发挥DCS的调控功能，加强DCS电能质量控制方法的研究与应用。
1.3DCS的供电可靠性
传统交流配电系统一般采用三相四线制，而直流配电只有正负两极两根导线，线路的可靠性比相同电压等级的交流线路要高。对于低压DCS，还可以采用多母线冗余结构来保证更高的供电可靠性。
同时，电力电子变换器的接入使得DCS内部故障不会波及外部系统。相较于交流配电网，DCS更便于储能装置的接入，从而提高其供电可靠性与故障穿越能力。当直流配电线路被停用时，柔性换流器还可作为静止同步补偿器(STATCOM)，以补偿交流电网的功率因数和输电能力，从而提高系统的电压可控性和稳定性[24]。
此外，城市配电网的安全可靠性还受短路电流水平制约，而柔性直流的接入对原交流系统的短路电流贡献很小[25]，这一特点对中国大城市的安全可靠供电来说至关重要。尽管如此，DCS仍然存在元件众多、固有可靠性低的问题，同时受到直流断路器和电力电子器件的技术限制和成本制约，DCS的可靠性仍然有很大的提升空间。
根据珠海DCS项目的运行经验，系统可靠性暴露出3点问题:①对国产电力电子器件可靠性水平的评估不够到位;②直流变压器(电力电子变压器)的故障穿越能力不足问题;③直流断路器中的有源元件电容器容易导致直流母线电压偏移，引发不平衡保护和电压保护的误动作。需要加强直流断路器的结构与性能提升技术研究，以及相适应的直流保护参数整定方法，以提高DCS的可靠性。
1.4DCS的稳定性
随着大量DER和柔性电力电子设备的接入，DCS的稳定性问题也逐渐成为学术界和工业界的关注热点[26-27]。特别是对于可以孤岛运行的直流微电网来说，其电源和负荷电力电子化带来的动态特性，改变了以同步发电机为主的传统电力系统的稳定性特征。
目前，国内外已有相关学者通过DCS或微电网的小信号稳定性分析，利用阻抗匹配等系统稳定分析理论，对电力电子化配电系统中DER的并网动态特性进行了探究，但大部分研究仍然集中于单个并网逆变器或级联型逆变器。因此，需要深入开展电力电子化DCS的稳定性分析理论和方法的研究，并提出相应的稳定性提升策略，保障DCS的安全可靠运行。
1.5低压DCS的安全性
中国广泛采用220V交流低压供电，超过了人体耐受的安全低压水平，人身触电造成伤亡事件屡屡发生，在城市暴雨后内涝引发的群众触电事故更是时有发生。全国每年触电死亡数千人，触目惊心，引起了广泛的关注。如果低压系统对多数家电采取±48V直流安全电压供电，将在很大程度上降低人身触电事故发生的概率，这也将是直流配电技术在低压系统领域应用的主要优势。
不过，由于电压等级较低，且DCS设备占地面积大，其能量密度和功率密度将受到影响，因此可以考虑采用±375V和±48V直流组合供电，其中，户级配电采用±375V以提高能量密度(在珠海示范工程中验证了该电压等级的价值)，非高功率用电设备级供电采用±48V以减少非安全电压与人们接触的机会。
1.6DCS的技术经济性
在未来智慧能源的建设过程中，DCS技术的广泛应用必须要考虑其技术经济性指标。虽然DCS在适应DER灵活接入、为用户提供高效供电等方面存在较明显的技术优势，但由于直流断路器和换流环节的投资较大，且控制系统较为复杂，因此DCS还存在成本高的问题，这在各示范工程中都有所暴露。
而另一方面，现有交流配电网中已存在大规模的存量资产，这些资产的充分合理利用也是DCS的技术经济所要考虑的问题之一[28]。但可以预见的是，随着DCS的广泛应用，上述投资将在一定程度上得以显著下降，结合用电设备整流器、适配器的弃用，从社会整体角度上降低用电成本也是值得预期的。
2DCS拓扑结构和供电模式
合理的拓扑结构是保证DCS友好接纳DER、提高供电质量的首要前提。本章分别针对DCS的拓扑结构和供电模式进行了总结和综述。
2.1DCS拓扑结构
DCS拓扑结构主要分为背靠背型、辐射型、两端供电型、三端互联型、环型及网状等结构[29-37]。一般地，可根据供电可靠性和经济性需求来采用不同拓扑结构对DCS进行设计和建设[30]。
2.1.1背靠背拓扑结构
该结构下，中压交流母线通过AC/DC换流器互联，中压直流母线侧根据实际情况可接入DER。背靠背DCS可在不改变原有交流配电网结构的基础上，通过柔性换流站潮流灵活控制，可提高供电质量及供电可靠性。背靠背拓扑结构起初应用于两个交流系统的异步互联，但随着城市负荷密度的增大、城市电网规划的不协调及清洁能源消纳等问题，该结构可应用于城市配电网区域互联较好地解决上述问题[29]。杭州建成的全国首个智能柔性DCS示范工程采用的就是三端背靠背拓扑结构[31]。
2.1.2辐射型拓扑结构
辐射型拓扑是DCS的一种基本结构，一次性投资小，继电保护整定相对简单[32]，每个负载或储能设备只能通过单条线路向电源取得电能。张北柔性变电站及交直流配电网示范工程即采用的是辐射状直流配电拓扑结构[14]。一旦中压直流母线或上一级电源发生故障，都将影响供电。
因此，该结构适用于供电范围不大、供电可靠性要求不高、直流负荷相对集中的场合[32]。由于辐射型DCS存在潜在的供电可靠性问题，因此应充分结合DCS中电力电子变换器的灵活调节手段，优化配电网的潮流分布和负荷功率分配，提高配电网中DER的消纳能力和系统的可靠性。
2.1.3两端供电型拓扑结构
该结构下，两段中压直流母线可根据实际情况分别接有储能设备、交直流负载、DER和低压DCS，通常情况下联络开关处于断开状态。该结构可靠性较高，并可快速对故障定位，减少停电损失。但故障识别和保护控制存在一定的配合难度[34]，需要对该结构的DCS的故障识别和定位算法，以及保护装置的整定和配合进行深入研究。
该拓扑要求两侧电源以较低的负载率来换取高可靠性，因此适用于向特殊用户提供高质量电能，或提供大容量DER的并网接口。深圳柔性直流配电示范工程即是在该条件下采用两端供电型拓扑结构[35]。
2.1.4三端互联型拓扑结构
该结构下，柔性交直流混合配电网通过3个换流器与交流系统交换能量，既可由各端的电压源换流器向直流系统供电，又可在其中一端(或两端)电压源换流器退出运行时，由剩余的换流器维持系统的正常运行。通过该拓扑结构的灵活控制策略可以实现当地清洁能源的就近消纳和送出并网。
该拓扑适用于高新企业、直流楼宇和数据中心等对供电质量及可靠性要求较高的场景。该结构由于其控制灵活、供电可靠性高、可扩展性好、便于清洁能源的接入及送出等特点，可望发展成为一种成熟的直流拓扑结构。珠海“支持能源消费革命的城市—园区双级‘互联网+’智慧能源示范项目”即采用此结构[36]。
2.1.5环型拓扑结构
该结构下，中压直流母线根据实际情况分别连接有储能设备、交流负载、直流负载、低压DCS，可以闭环运行。当环线中任意一点发生故障，将故障定位并隔离后，其他部分则形成两端供电型结构且仍可正常运行，相比后者还节省了联络开关的操作[34]。
但该结构对保护配置要求更高，因而需要对环型DCS的故障耦合特性和保护协调配合方法进行深入研究，从而提高系统发生故障时保护装置的可靠性。鉴于环型DCS供电可靠性高，易于检测故障点，恢复供电迅速，更适合于DER多点接入、高可靠供电的场合，可望成为今后DCS发展的主流趋势。
2.1.6网状拓扑结构
该结构[37]由两个或两个以上环型结构联结而成，在各个环型线路中接入各种电源和负荷，并在不同环型母线上实现功率传输或双向能量交换。网状结构本质上是多个环型结构的互联，其供电可靠性更高，但正因为其复杂的结构而使得控制和保护更加复杂[38]，需要进一步研究该结构下DER的接入能力与系统供电可靠性之间的关联关系。
2.2DCS供电模式
DCS根据上层电网的传输方式可分为交流传输的DCS和直流传输的DCS[39];而根据负载供电方式可分为集中型供电模式及模块式供电模式[40-41]。
2.2.1按上层传输方式分类
目前各国对DCS接入电网装置的研究及其关键设备的研制都还在起步阶段，大部分的研究集中在上层为交流传输的低压DCS。随着柔性直流技术应用的深入，上层为直流传输的方式将逐渐增多，将使得直流传输的低压DCS得以发展起来。不同的上层传输方式直接影响DCS的控制方式，因此应根据系统接入的上层电网形式和系统特征结构确定配电网供电模式，保证系统运行的经济性和安全性要求。
2.2.2按负载供电方式分类
集中式DCS的多个负载从一个变流器取电。其拓扑结构简单、变流器效率高，但其扩展和冗余能力较差，不适宜DER的接入，且变流器容量大、负担重，可靠性也会降低。该模式适用于电源和负荷较集中的情况。
模块式DCS的每个负载分别经由一个变流器从DCS取电。各用户间接与直流系统相连，作为一个单独模块各自对应一个变流器。这种拓扑结构扩展能力和冗余能力都很强，但变流器效率低、成本较高[42]。该模式适用于电源和负荷都比较分散的情况。显然，不同的负载供电方式直接影响用户的供电质量和系统的供电可靠性。
3DCS的接入方式
3.1高压MMC接入
MMC由德国学者在2003年提出[43]，具有模块化、低谐波含量、低损耗等优势，受到了学术界和工业界的广泛关注[44]。2013年底，世界首个基于MMC的多端柔性直流输电工程“汕头南澳±160kV/200MW直流输电工程”建成投产[12]。MMC的拓扑结构参见文献[45]。MMC的控制一般采用电压电流双闭环控制器，可实现有功环和无功环的解耦控制。
常用的有功环—无功环控制组合包括[43-45]:定直流电压—定无功功率(Udc-Q)、定有功功率—定无功功率(P-Q)和定频率—定交流电压(V-F)。采用Udc-Q控制模式和P-Q控制模式的MMC一般连接着强交流系统和柔性DCS。MMC在前者控制模式中发挥主站的作用，是整个柔性DCS的功率平衡节点，并控制直流系统电压。
而在后者控制模式中MMC发挥从站的作用，负责在DCS和交流系统之间交换定额的有功/无功功率。采用V-F控制模式的MMC一般连接着无源系统和柔性DCS，DCS通过MMC和交流变压器向无源网络低压负载进行供电。接入该模式换流器的无源网络通过DCS与交流系统相连，能为海岛用户或重要负荷提供高可靠、高质量供电[46]。
MMC的接入方式适用于中高压拓扑结构的DCS，其控制方式根据所接入交流系统的强弱和系统运行状态决定。由于MMC内部子模块个数较多且相互耦合，系统状态电气量特性复杂[47]，如何在保证MMC和系统安全经济运行的前提下，确定其接入容量、子模块个数等关键参数，是实现DCS的高效经济供电的基础。
3.2直流变压器接入
直流变压器[48]是DCS变电环节的重要设备，中压的DCS通过直流变压器变换成低压直流之后，才能向低压负荷供电。直流变压器由高压DC-AC换流器、高频变压器和低压AC-DC换流器构成。高压侧直流通过单相高压DC-AC换流电路转换成高频交流之后，经高频变压器转换成低压高频交流，再经低压AC-DC换流器变换成低压直流，实现高压直流和低压直流的相互转换。直流变压器控制器的控制模式包括:常规方式下的定低压侧直流电压控制模式和孤岛模式下(指的是DCS失去所有交流电流，只能依靠DCS内的储能和DER向DCS内的负载供电)的高压侧直流电压控制模式[49]。
目前直流变压器的研究仍然集中在理论分析和实验样式验证阶段，以双主动全桥为主要拓扑结构的直流变压器虽然已经有一些成果，但外部短路故障时的自清除问题、内部桥臂故障时的不对称运行等问题仍需要进一步研究。另外，直流变压器的高频环节损耗较大，需进一步研究直流变压器的降损方法，促进直流变压器在DCS中的规模应用。
3.3低压换流器接入
DCS低压侧的负载可通过直流接入和经换流器方式接入系统。其中，若负载的直流电压与DCS电压等级匹配，可采用直接接入方式。而经换流器方式又可分为单向DC-DC换流器接入、双向DCDC换流器接入和双向DC-AC换流器接入。单向DC-DC换流器接入方式一般适用于直流电压不匹配的负荷或光伏阵列[50]。
光伏虽然可以通过合适的阵列数量直接接入DCS中低压侧，但直接接入不能实现光伏阵列的最大功率跟踪。通过单向DCDC换流器接入，光伏控制器可以调节光伏阵列机端直流电压，进而实现最大功率跟踪。经双向DCDC换流电路接入一般适用于储能电池[51]。其控制模式十分灵活，具体表现如下。
1)平抑光伏功率波动模式。此时，储能和光伏作为一个整体电源，向DCS注入稳定的有功功率。该工作模式要求储能要有较快的响应速度，且需要频繁充放电，影响其工作寿命。
2)削峰填谷模式。该模式根据不同时刻的电费高低，确定储能的功率流动方向，从而获得最大的经济效益。在该工作模式下，储能装置充放电频率较低，工作寿命较长。
3)孤岛供电模式[52]。此时，储能并网换流器可从定功率控制模式转入定直流电压控制模式。需要指出的是，电动汽车充电站/桩在DCS中是一类比较特殊的负荷，它既能为电动汽车运行提供能量，又能充当储能电池的作用。因此，电动汽车充电站可根据运行需要选择双向或单向DC-DC换流电路接入。
4柔性直流配电的技术应用方向
4.1应用于交直流混合配电网
随着智慧能源技术的发展，可再生能源与传统能源、直流负荷与交流负荷并存，交直流混合配电网将成为未来配电网的一种重要形式。在原交流配电网基础上改造升级，同时为迎合源荷的多样性，交直流混合配电网可以显著提高用户的供电可靠性、稳定性和安全性，且其技术经济性也更有优势，因此交直流混合配电技术在未来智慧能源建设过程中得到了越来越多的重视[54-56]。中低压直流侧母线和中低压交流母线侧通过换流器互联，可实现直流侧和交流侧能量的双向流动，提高配电的灵活性及可靠性。直流侧低压母线通过换流器等装置实现直流负荷、DER及低压交流母线互联，实现清洁能源直接消纳及智慧能源灵活供给。
4.2应用于能源互联网
能源互联网是以电力系统为核心，以互联网及其他前沿信息技术为基础，以分布式可再生能源为主要一次能源，与天然气网络、交通网络等其他系统紧密耦合而形成的复杂多网流系统[57]。能源互联网的主要特征包括支撑多类型能源的开放互联，提高能源综合利用效率，支撑高渗透可再生能源消纳，支撑能量自由传输和用户广泛接入的自由多边互联网架构，支撑能源运行、维护、交易、金融等大数据分析，等等[58]。
与“互联网+”智慧能源的内涵一致，因此能源互联网也被认为就是智慧能源。随着智能电网与能源网、互联网的深度融合，能源互联网将成为电网发展的必然趋势，这点已经获得了越来越多的共识[5，8]。
4.3应用于UPIoT
国家电网有限公司在2019年两会工作报告中指出UPIoT是其“三型两网”战略目标的重要组成部分。UPIoT建设的重点方向包括提升电网安全经济运行水平、促进清洁能源消纳和打造智慧能源综合服务平台等方面[64]，这需要打造一个数字化水平高、灵活可靠，适应车联网和DER接入的开放型、交互型的终端电网。
如前所述，鉴于DCS在供电可靠性、电能质量、可控性以及接纳分布式电源等方面性能相比于传统交流配电网更佳[65-66]，并且更加适用于基于能源互联网的综合智慧能源服务，因此与传统交流配电网相比，DCS在用电终端实现UPIoT具有先天优势。
还有一点，交流中低压配电网要建设物联网的改造工作量巨大，标准难以统一;而DCS需要全新建设，制定一二次融合的UPIoT标准则简单易行得多，可避免重复建设，故DCS更加适应UPIoT。
5结语
DCS将在未来智慧能源建设中发挥重要的作用，并将面临更多新问题。基于全控型电力电子设备的柔性直流技术可以高效实现城市配电网互联、潮流主动控制及DER灵活接入，进而逐步实现包含智能主动配电系统的能源互联网。
智慧能源概念下的DCS结构功能发生了巨大变化，亟须全方位研究面向智慧能源应用的DCS高可靠拓扑结构与供电模式及高效变流器控制技术，适应智慧能源接入的DCS供电电能质量和可靠性提升技术，高维非线性DCS响应特性和稳定控制技术，DCS多时空源荷互动与主动管理技术，DCS与物联网交互技术等关键问题，以对基于DCS的智慧城市建设起到引领作用。
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摘要:近年来，随着我国经济的进步，们对于生活质量的要求也与过去相比有了大幅度的提升。尤其是最近几年来，人们对于电力的需求逐年上升，每年的用电量曲线呈现上升的趋势，这也在一定程度上体现了人们对于电力的需要，电能已经成为了人们日常生活不可缺少的一部分。
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