直流配电网的发展及优势分析
李超，王维庆，樊小朝，王海云，桑宝旭，马新学
（新疆大学电气工程学院，可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，乌鲁木齐830047）
摘要：随着分布式电源的快速发展及直流负荷的迅猛增长，交流配电网已经不再适应未采电网的发展，而直流配电网的优势日益显现.文中对直流配电网发展历程进行了回顾，并以 美国及日本的直流配电网为例对其结构进行了介绍，然后对交流配电网的弊端及直流配电网的优势进行了重点阐述，结果表明，直流配电网优于交流配电网，具有经济、高效、可靠等诸多优势，是未来电网的发展超势.
关键词：直流配电网；交流配电网：分布式电源：直流负荷
中图分类号：TK-9文献标志码：B文章编号：1009-3230（2016）03-0034-05
Research on theDevelopmentandAdvantage of DCPowerDistributionGrid
Li Chao Wang Wei - qing Fan Xiao - chao Wang Hai - yun Cang Bao xu Ma Xin xue(College of Electrical Engineering Ministry of Education Engineering Research Center of Renewable Energy Power Generation and Grid Technology Urumqi 830047 China)
the AC distribution grid is no longer suitable for the development of the future power grid and the Abstract; With the rapid development of distributed power supply and the rapid growth of DC load advantages of DC power distibution grid is being more and more obvious. The development trendf the fture power grid the develpment process of theDCdistribtion gid were reviewed and nthe United States and Japan DC power distribution gid as an example on the structure are introxduced and advantages of AC power distribution of malpratice and DC distribution gid hascaried on the key elaboration.The result in thispaper shows that DC power distribution gid isbetter than that of AC power distribution grid with conomic efficient， reliable and otheradvantages.
ddns zamod pqup p uop rmod y pf uoqsp od spm ayload
0引言
源消费增长三分之一.如图1所示，报告对2013-2035年全球能源结构进行了预测，非化石能源占比将从现在的19%提高到25%，而化石能源中仅天然气份额增加.
2015年末，国际能源署（IEA）发布的《世界能源展望2015>报告中指出，预计2040年全球能
德国在2011年5月30日宜布，德国将于2022年前关闭国内的核电站.德国将成为首个不再使用核能的主要工业国家.德国放弃核
图11965-2035年-次能源的占比及2013-2035年
电技术，一方面迫于民众和政治的压力，而更重要的导火索是福岛核事故.德国认为解决环境污染和核污染的潜在威胁，只有发展可再生能源一条道路，德国作为先驱者、探路人，放弃核能破釜沉舟发展可再生能源，值得世人深思.
我国国家电网公司在2012-2013年也先后印发《关于做好分布式电源并网服务的意见》以及其修订版，鼓励分布式电源发展，积极为分布式电源项目提供便利条件，开辟绿色通道，对并网的线路改造提供支持.可见，未来将有更多的分布式电源存在于城市电网中，如何有效利用这些分布式电源，既要防止分布式电源接人对原有电网的影响，又要方便分布式电源的接人，成为一项重要研究内容.
现有的配电网，将单个发电量较大分布式电源通过换流逆变器，或组建成交流微电网有再并人市电网.面对未来如雨后春笋般出现的分布式电源，以上两种方法，都表现出了诸多弊端，将直流配电技术应用于配电网，许多问题将迎刃而解.
1直流配电网发展历程及结构
1882年爱迪生在纽约珍珠街建成了世界上第一个发电厂，发电虽然只有30千瓦的容量，仅构如图2所示.
供照明使用，但这是第一次电力真正用在人类的生活中使用，完成了电力工业技术体系，全面推动了电力工业的发展.面起使用的是由蒸汽机驱动的直流发电机.其电力体系，从发出的直流电，经导线传输到直流负荷，完完全全是一个典型的直流配电网络.
直流输电虽然作为最初的宠儿，但受制于电力器件技术上的瓶颈，远距离输送和大容量电机制造的困难，导致采用直流配电的系统容量上不去，可靠性差，电力系统技术进展缓慢，逐步被交流配电网所替代.自20世纪50年代，大功率换流器件研究发展，高压直流输电再次登上历史舞台.1954年，自瑞典采用大功率换流器的高压直流输电（HVDC）工程商业应用.
100多年来，配电网被交流输配电占据了压倒性的优势（-.上文中所提及的都是直流输电中的应用，而直流微电网则是近10年来的后起之秀.IGBT等电力电子器件和分布式电源的高速发展，为直流配电网的发展提供了先天性条件，电动汽车等大容量直流负载更是起到了巨大的推动作用.
由于当今世界快速发展，交流配电网逐渐显露出瓶颈状态，随着光伏、风电、天燃气发电等越来越多的分布式发电并人城市配电网，必须找到发展未来的智能型电网提供解决方案，直流配电网让我们看到了曙光.
2007年，美国University of Virginia 的 CPES中心提出了 SBI(Sustainable Building Initiative）计划，主要研究未来建筑的直流供配电.3年后，随着研究的深人，CPES中心将SBI发展为SBN（Sustainable Building and Nanogrids），其系统结
经不占优势.再从相同有效值电压的交直流线路所需绝缘来看，交流线路所承载的电压为直流的1.7倍，所以直流线路绝缘介质所需资金投资要更少.如图3所示，文献[7]提出一种将现有交流线路进行有限改造，改用可视为由一个双极直流和一个单极直流并联组成三极输电系统，交改双极直流时，增容15%~32%，面交改三极直流时，增容58%-82%，即三极直流较双极直流多输送37%的功率.
图2日本大版大学提出的双电极直流配电系统结构
2交流配电网的端
现有的配电网仍以交流配电网为主，交流电具有升降压简单，便于输送等特点，在过去的100年中，发挥了不可磨灭的重要作用.一方面，然面随着科技的进步，分布式电源已不再是遥不可及的电力工业领域独有的东西，一些光伏发电，小型风机已经走进小型非电力企业，甚至个别家庭；另一方面，2015年国家大力补贴新能源汽车行业，大力推广、刺激消费，其配套的智能充电桩陆续上线.这两方面对于现有的交流配电网都带来了冲击.
图3三极直流输电结构示意图
（3）供电可靠性方面.交流配电网中，因为要保证电网交流点三要素稳定同步，并网的同步发电机必须保证同步运行，防止出现发电机振荡乃至失步.再者，从交流的发电，输电和用电设备来看，容易产生谐波.这些谐波充斥在电网中，如不采取措施，将会引起严重的后果.
3直流配电网的优势
（1）资源浪费方面.大量的分布式电源并网需要数量庞大的换流器，这些器件无疑是一种浪费，而且频繁换流中所带来的能力损失也不可避免.文献[6]指出交流系统中无功在传输中存在自然损失，有功因为产生交替不变换二形成涡流，辐射，也同样会造成能源损失.
直流配电网作为交流配电网的替代产品，它将无疑具有更多的优势.
（1）直流配电网拥有更大的传输效率.一方面，相同条件下直流配电能有效提高配电容量或配电距离.假设交流配电网配电线路额定线电压是Vc，额定线电流为1c，功率因数cosp=0.9，则其所能传输的额定功率为：
（2）经济成本方面.现有的交流配电网采用三相四线制，单从线材数量上相比直流配电网已
(1)
因此，在选取相同横截面积的导线，拥有电流密度相当的情况下，Voc=√2V/√3，1c=1c，那么相比于三相输电的交流电：
如果将原有的四相三线制改造为2条双极性的直流配电线路，则直流配电电路的传输功率可为交流配电电路的2.094倍.
对于2线单相的交流线路（单相加零线）改造成单极直流配电线路则为式（3），若使用双极直流配电则传输功率还要增大1倍.
由以上分析得出，在不考虑改造成本的情况下，相当条件下直流线路的输电能力高于交流线路.如果考虑交流线路的趋肤效应，此数据还会进一步改变.文献[8]较详细的讨论研究了电缆在低压交流和直流电能传输上的性能.
（2）更适于分布式电源和储能装置接人.根据分布式能源2006联盟的报告，在丹麦分布式能源所占比例已经占到了5成以上，在芬兰、德国、荷兰、捷克已达4成，日本和印度也接近2成.现在应用较广泛的分布式电源为光伏发电、小型风机、燃料电池等.光伏发电和燃料电池等分布式能源都发出的直流电.而现在小型风机，因为发出波动性较大的交流电，所以也多采用交直交的方式并人电网.如果并入直流微电网，则可以省
(2)
(3)
(4)
对双线直流配电而言，设额定直流电压为略后一个逆变环节.所以说直流微电网更适于分Vac，额定直流电压为Ic，则所输送额定功率为：布式电源的接人.大部分的储能装置所输出的都是直流电，例如蓄电池、超级电容、飞轮储能等，这些储能装置如果直接并人直流配电网，则能提高运行效率和稳定性.
（3）直流微网减少中间变换环节.大型写字楼、实验楼、研发中心等集中办公场所，以及服务器，网络中心等数据处理中心，采用交流电，则需在每个用电终端，进行一次整流变换，同时在转换过程中一些电能的损失以热能的方式散发出来；如果采用直流供电，则可以减少大量整流变压器，相应减少转换中散发出的热量，减少换气扇、空调的资金投人.同理，对于，其他分散用电设备内部，如日光灯、节能灯、LED灯等照明系统，电视机、机顶盒、路由器等视听设备都离不开交直变换.有转换就存在转换效率的问题，这就意味着会有能量损失.随着技术的成熟、成本的下降，大量的变频电器走人百姓生活，如变频冰箱、变频空调、变频洗衣机，为了达到变频低功耗，其内部的实质就是交直交的变换过程.如果采用直流配电网，则可以直接进行DC-AC转换，减少中间环节以为着减少能量损失.
（4）大容量直流负荷增多.上述所讲述的都是一些分散的家用的电气设备.作为直流配电网发展的推动者之一，电动汽车、混合动力汽车的充电桩陆续投入使用.2015年底，国家电网公司成立全资子公司，国网电动汽车服务有限公司，册资本30亿元.作为国家电网公司直属单位，公司定位于履行央企社会责任，落实国家能源战略、大气污染防治和节能减排政策，推动电动汽车产业加快发展.北汽新能源车发表在公开报道中提出，近两年低碳环保的新能源车愈发受到北京市民的青，2016年内北汽新能源车在私人及公共领域
的销售预计达到4.5万辆，北汽预计将销售3至3.5万辆私人新能源车，增加私人充电桩2.5万个.政府以及其他公共领域预计销售1万辆，安装充电桩五六千个.也就是说，2016年，北汽预计新建充电桩3万个.单从北汽发展规划来看，就新增3万个充电桩，那结合国内外其他新能源汽车的增长速度，直流充电桩的负荷将成井喷式增长.
参考文献
[1]国际能源著（IEA）.世界能源展望，2014.[2]浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电[M].北京：水力电力出版社，1985.[3]汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术[M].北京：，2009.[4] Beeyevich D Cvetkovic 1 Deng D et al. Future elee.tronic power distribution systems : a contemplative view[ C] // 2010 12th Intemational Conferenee on Optimi-zation of Electrical and Electric Equipment. Basov Russis ; IEEE 2010 : 1369 1380.[5] Kakigano H Miura Y lse T. Low = voltage bipolar -ugnqp enbqu odns a pdlo ad[J]. IEEE Transactions on Power Electronices 2010 25(12) ;3066 3075.[6]WANU F PEI Y BOROYEVICH D et al. AC vs.DC distribution for off shore power delivery [ C] /34th Annual Coeference of IEEE Industrial Electron-ics November 10 - 13 2008 Orlando FL USA:2113 2118.[7]文俊，温家良，数威扬，等、高压直流三极输电技术[J].电网技术，2013 08：2336-2342.[8] Borioli E Brenna M Faranda R et a. Comparison be-tween the electrical capabilities of the cables used inLV AC and DC power lines [ C] / Harmmonics andQuality of Power. Lake Placid NY USA : IEEE 2004 :408 413.[9] Agustoni A Borioli E Brenna M et al. LV DC distri-ipue 1 somosa oua panqep q pu uognqof possible stractures[ C] / 18th Intemational Confer-ence and Exhibition on Electrieity Distribution. taly:CIRED 2005 :1 5.[10]候福平主编.通信用240V直流供电系统[M].北京：人民邮电出版社，2014.
（5）高要求的负荷更需要.目前国内各行各业面临的洗牌，淘汰功耗大、效率低的企业，鼓励发展高效能、高技术的企业是历史必然，对电能的质量要求越来越高.对于敏感负荷，都采用了交流UPS供电系统，例如在通信网络中，使用UPS已经非常普遍，从单台计算机设备发展到业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储乃至整个通信网络.从小型交流UPS分散供电，发展到大型UPS集中供电，从n1并联余热备份系统，乃至双总线交流系统等供电方式保证系统的可靠性.交流供电系统的基本结构如图5”所示.
4结束语
文中以美国及日本的直流配电网对直流配电网的结构进行了研究，对比分析了交流配电网的整端以及直流配电网的优势，直流配电网具有传输效率高、容量大、电能质量高，适合于高要求的电网，而且有利于分布式电网以及储能技术的发展.综上，面对未来的负荷变动和分布式电源的发展趋势，直流配电网可以满足多方需求、消纳分布式电源，供给大容量直流负荷，提供高要求的电能供给.因此，直流配电网将是我国配电网的发展趋劳.
