含分布式电源的低压直流配电网研究综述

段双明，郭　阳，任　俊，靳利光，吴　薇

(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)

含分布式电源的低压直流配电网研究综述

段双明，郭阳，任俊，靳利光，吴薇

(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)

摘要：在风力发电和光伏发电领域，与交流配电网相比低压直流配电网具有能量变换环节少、系统效率高和控制简单等特点,更有利于分布式直流电源和直流负载的灵活接入。叙述了低压直流配电网的研究现状，分析了直流配电网的特点，探讨了含分布式电源的低压直流配电网的拓扑结构、电压等级选取原则和构建低压直流配电网所面临的问题，最后给出构建含分布式电源的低压直流配电网的建议和解决方案。

关键词：低压直流配电网；分布式电源；母线拓扑结构；电力电子接口技术

为应对能源危机和环境污染，人类开始大规模开发利用太阳能和风能等可再生能源。太阳能和风能产生的电能直接以直流电形式或经简单变换后以直流电形式存在。在现有交流配电网条件下，可再生能源产生的电能在接入电网前须经过DC/AC变换，例如分布式光伏发出的电能经DC/DC和DC/AC变换后接入交流电网，风电在AC/DC和DC/AC变换后接入交流电网，储能电源经DC/DC和DC/AC变换或者直接经DC/AC变换后接入交流电网。如果将可再生能源发出的直流电能直接接入直流电网，则可去掉直流到交流的电压变换过程，提高可再生能源利用效率。

目前，直流用电设备已广泛应用于工业生产和日常生活。图1为常见直流用电设备，其工作电压从DC 5 V至DC 1 500 V，笔记本电脑和常见电子设备的工作电压为DC 20 V伏，数据中心服务器工作电压为DC 240 V，城市轨道交通客车工作电压为DC 750或者DC 1 500 V。在交流配电网条件下，通常将交流电经整流和功率因数校正为上述直流负载供电[1]。

图1　不同电压等级的直流用电设备

综上所述，将可再生能源发出的直流电能接入直流电网，可减少能量变换环节，提高能源利用效率，将直流用电设备接入直流电网，可去掉整流和功率因数校正环节，节约设备成本。包含可再生能源发电和直流负载的低压直流配电网具有电能利用率高和节约设备成本等优势，具有很好的应用前景。

1低压直流配电网发展过程及研究现状

1.1　低压直流配电网发展过程

19世纪80年代，爱迪生电力照明公司利用“巨汉号”直流发电机发出直流电，给上千只白炽灯供电，是直流配电网的雏形。然而，受当时的技术限制，直流电的电压等级较低，输送距离较短，直流配电系统未得到广泛应用[2]。

20世纪中后期，随着电力电子功率器件的发展和应用，电力负载呈现多样性，同时计算机和通信设备对电源的安全和稳定性要求不断提高，极大地推动了直流配电技术的发展。到20世纪末，低压直流配电已成功应用于数据中心、航空器、舰船、城市轨道交通、电厂和变电站等对电源质量要求较高的领域[3,4]。

2000年后，能源危机和环境污染等问题凸显，人们对可再生能源和节能设备的需求不断增大。可再生能源产生的电能多为直流电，大部分节能设备使用的也是直流电。随着直流电源和直流负载的增多，低压直流配电网的研究工作得到发展。美国等西方发达国家对直流配电网的研究起步较早，目前已取得一定成果，并以“直流微电网”的形式开展应用[5,6]。

1.2　直流配电网研究现状

1.2.1欧美研究现状

2010年，美国弗吉尼亚理工大学CPES(Center for Power Electronics Systems)提出一种未来家庭直流配电系统[7]，其结构如图2所示。该系统有DC 380 V和DC 48 V两个电压等级。DC 380 V电源主要为包含电机的负载、厨房负载和其他重要家庭负载供电。DC 48 V电源安全性更高，因此利用其为频繁接触的计算机、娱乐系统和照明供电。

图2　CPES提出的未来家庭直流配电系统结构图

2014年，丹麦奥尔本大学开始建设智能直流微电网应用创新实验室(Intelligent DC Microgrid Living Lab)，对未来低压直流配电网的建模、设计、协调控制、通信和管理等工作进行研究，其研究成果有“智能分布式发电和储能单元的协调控制”、“直流微电网群的分层控制”和“采用下垂控制的直流微电网潮流分析”等[8-10]。

1.2.2日韩研究现状

日本电报电话公司为节约能源于本世纪初开始了低压直流配电的研究，并将直流配电网成功应用于国内通信系统和一些公用基础设施[11]。韩国成均馆大学和三星电子公司面向家庭应用提出一种低压直流配电网方案[12]，并进行了应用试验。该系统有DC 380 V和DC 12 V两个电压等级，容量分别为2 kW和500 W，前者主要为含有电机的家用电器供电，后者为计算机、照明等低功率家用电器供电。

1.2.3中国研究现状

浙江大学承担的国家高级研究发展计划(863计划)课题项目—“基于柔性直流的智能配电关键技术研究与应用”，对直流配电网的基本框架、经济性、电源接口和换流器配置等方面进行了研究[13]。清华大学和天津大学承担的自然科学基金项目中都有直流配电网方向的课题，国家电网公司科技项目中也有关于直流供电的研究工作。以深圳供电局为主要单位成立的城市电网先进技术研究中心于2012年开始建设柔性直流配电技术实验室，开展柔性直流配电关键技术研究。

2014年3月由厦门大学能源学院和中广核太阳能开发有限公司共建的国内首个“实用性太阳能建筑一体化直流微电网示范项目”投入运行。微电网由150 kW太阳能电池供电，同时配有直流储能单元和交流/直流备用电源，微电网母线采用国际倡导的DC 380 V电压。微电网的负荷包括30 kW直流空调、40 kW电动汽车充电站和30 kW电阻性负载，并预留20 kW用于直流照明。该直流微电网将可再生能源与建筑负载直接相连，减少能量转换环节并实现了能源的智能管理。

2低压直流配电网优点

2.1　电源转换效率高

可再生能源产生的电能大多以直流电形式存在，直流电接入交流电网需要逆变，逆变过程有电能损失，降低了新能源利用效率。文献[1]对低压交、直流配电网的电能转换效率进行分析，如图3所示。光伏阵列在最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracker,MPPT)控制下，输出的电能直接注入直流电网或经逆变器注入交流电网。

图3(a)所示的传统交流配电网中，显示器、笔记本电脑和电视机等用电设备的电源电路由整流、功率因数校正(负载功率大于75 W)、DC/DC(或DC/AC)变换等部分组成，电能从光伏阵列到负载的转换效率为：

η1=98%×97%×98.5%×97%×95%≈86%。

图3(b)所示的低压直流配电网中，电能从光伏阵列到负载只经过MPPT控制器和DC/DC(或DC/AC)变换，电能转换效率为：

η2=98%×95%≈93%。

可以看出，在直流配电网中电能从光伏阵列到负载的转换效率比交流配电网中高7%，直流配电网中电能利用效率更高。

图3　光伏接入交、直流系统概念图

2.2　节约成本、节省空间

目前，大部分家用电器和小功率负载内部由直流电源供电。图4为某变频空调内部电源结构图,交流电经整流和功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)转换为直流电，为变频器供电，变频器根据运行条件输出频率变化的交流电给压缩机中的电机供电，从而实现空调的变频控制。如果直接用直流电源为空调供电，则可省去整流电路和PFC电路，电源电路中的元器件将减少一半，节约制造成本。同时由于电源电路工作时需要足够的空间和散热器散发热量，所以电源器件减少的同时，也可减小内部空间、减小散热器体积。由于个人计算机、显示器和LED节能灯等用电设备内部也由直流电源供电，如果将这些用电设备接入低压直流配电网，同样可减少器件数量，节约成本、减小空间。

2.3　供电可靠性高

以通信系统为例，由于通信负载的重要性，必须保证24 h不间断供电。虽然在交流电网中UPS系统可提高供电可靠性，但与直流供电系统相比，UPS供电系统仍存在一些技术瓶颈，如逆变器的存在导致系统效率的降低、其产生的复杂电磁环境导致自身的可靠性降低、设备可维护性差等。在直流供电通信系统中，将直流电源和蓄电池组并联为通信设备供电，相当于将两个不同性质的电源并联为负载供电，通过并联冗余的方式提高供电可靠性，可用性指标高达10个“9”，比用交流UPS组成的配电系统的可用性指标高3个“9”[14]。

3低压直流配电网的拓扑结构及电压等级

3.1　低压直流配电网的母线拓扑结构

根据直流负载的特点并参考相关文献和现有直流配电系统，直流配电网的母线拓扑结构可分为以下三种：单母线结构、双层式母线结构和双母线结构。

单母线结构如图5所示，分布式电源、储能设备和负载接在同一直流母线上，母线电压一般为DC 380 V，这种母线结构与传统低压交流配电网母线结构兼容性强，容易实现，但安全性较差，当负载电压较低时，需要为每台负载提供电源适配器，增加了配电成本。

图5　单母线结构

对单母线结构进行分层设计，可以得到有两种电压等级的母线结构，该结构即为分层式母线结构，如图6所示，电压等级一般选为DC 380 V和DC 48 V。分布式电源、储能设备和大功率高压负载接在电压较高的母线上，低压负载接在电压较低的母线上。分层式母线结构能有效减小电源适配器数量，且供电安全性和可靠性较高，但与传统交流配电线路兼容性差。

图6　双层式母线结构

在单母线结构上加入电压平衡器[15]，由电压平衡器产生大小相等极性相反的两路母线电压，该结构为双母线结构，如图7所示。这种配电结构在提高直流母线电压的同时保证每根母线的对地电压较低，提高了供电安全性。负载可以根据功率大小或电压等级灵活地选择不同的供电母线。一条线路发生故障时，另一条线路可以继续工作，两条线路互为备用。因为该母线结构需要电压平衡器，所以其母线电压控制难度和配电成本较高。

图7　双母线结构

3.2　低压直流配电网的电压等级

电压等级是直流配电网的关键因素，关系到系统安全和效率。电压过高时不能保证人身安全，电压过低时电流过大，将导致系统性能下降[16]。目前一般根据传统交流配电网的电压等级确定直流配电网的电压等级，可分为以下电压等级：

(1)400 V：对应额定电压为380 V-400 V的交流配电网，可以为变频器和电动机供电，电压等级相对较高，有一定危险性，需要良好的接地和保护措施；

(2)310 V：对应单相220 V交流电源峰值电压，与单相交流电源经二极管整流电路输出的直流电压相当，所以此电压等级可以兼容部分现有负载；

(3)240 V：通信用直流供电系统电压等级，用来代替220V交流电和传统UPS结合的供电方式，既安全可靠又经济节能；

(4)220 V：对应单相220 V交流电源电压有效值，一些额定电压为220 V的交流电阻性负载(如加热器)可以直接运行在该电压等级的直流配电网中；

(5)48 V：用在通信部门，为部分通信设备供电；

(6)12 V-24 V：为家庭或者办公场所供电，如为笔记本电脑、显示器和电视机等低功率负载供电，统一供电可以减少电源适配器的数量。

4低压直流配电网的关键技术

4.1　电力电子接口技术

在低压直流配电网中，各种负载、分布式电源和储能设备通过电力电子装置或直接连接到直流母线，不同特征的负载和电源使用不同的电力电子接口装置。从电网、负载和分布式电源的角度可将电力电子接口技术分为以下三类[17-19]：

4.1.1网侧接口技术

网侧接口是连接输电线路和低压直流配电网的电力电子装置，按交流或直流输电类型可将网侧接口分为AC/DC变换器和DC/DC变换器两种，如果有分布式电源接入，则需要双向AC/DC变换器或双向DC/DC变换器，以满足能量双向流动的需求。

4.1.2负载侧接口技术

根据各种负载的特点可将负载直接或者通过不同功率级别的电源适配器、DC/DC变换器或者DC/AC变换器接到直流母线上。目前应用于负载的DC/DC或者DC/AC相对较成熟，转换效率也很高。由于负载侧接口与使用者的距离最近，所以负载侧接口在保证效率和供电质量的同时应做到安全、稳定和操作方便。

4.1.3分布式电源接口技术

分布式电源接口可将风力发电、太阳能光伏发电和储能电池等分布式电源接入直流配电网，目前主要使用的是双端口DC/DC和AC/DC变流器。具有高集成度的连接光伏电池、储能电池和直流电网的三端口变流器还在研究中。

4.2　母线电压控制技术

在含分布式电源的低压直流配电网中，分布式电源和储能设备较多，由于电源和负载分布不均衡和线路存在阻抗，导致直流母线各点电压可能不相等，并联电源间可能产生环流现象。为抑制环流，保证直流母线电压的稳定，需要对各并联变流器进行均流控制，文献[3]列举了集中控制、主从控制和无主从控制的均流方案，并指出无主从控制是必然发展趋势，其中的下垂控制充分符合分布式系统的“分布”特征，成为国内外学者研究的重点。

4.3　低压直流配电网的保护技术

直流配电网的保护和故障诊断是保证其安全稳定运行的基础，相对于交流配电网，直流配电网的保护技术和故障诊断方法的研究处于起步阶段，没有完善的保护方案。目前主要研究内容包括：接地方式、故障诊断、故障处理和保护设备等。文献[18]对直流配电网的保护技术做了详细介绍，此处不再赘述。

5关于低压直流配电网的建议

含分布式电源的低压直流配电网有很好的应用前景，具有能源利用率高和节约成本的优点，然而其大范围应用并安全稳定运行还有一定难度，目前关于低压直流配电网的研究还处于理论探讨和实验阶段，没有成熟的方案可供选择，根据相关文献和电力发展现状，可从以下几方面着手，加快低压直流配电网的建设[20-23]。

(1)交直流混合配电网。变电站提供交流和直流两种电源到用户，用户选择合适的电源为负载供电，这种配电方法虽然增加了变电站和线路成本，然而其为用户选择节能的直流负载和直流分布式电源接入提供了便利条件，从终端用户向直流配电网过渡。

(2)国家电力部门或者相关企业制定低压直流配电网标准。含分布式电源的低压直流配电网具有节能环保等特点，符合国家节能减排政策，电力部门应尽快出台相关政策、制定相应标准，促进含分布式电源的低压直流配电网建设。

(3)建立示范工程。在电力负荷较高的商业区或者居民区建立含分布式电源的低压直流配电网示范工程，同时去掉直流负载的交直流变换环节，直接用直流电源供电，展示含分布式电源的低压直流配电网的优点。

(4)具体实施方案。在分布式电源接入较多且直流负载占有率较大的区域，为了提高电能利用率和节约成本，低压交流配电网可以直接改造为低压直流配电网。住宅或者商业区的220 V交流线路可以直接改造为220 V直流线路，采用上文介绍的单母线结构或者双层式母线结构。商业区的380 V交流线路可以改造为上文介绍的直流双母线结构，电压等级为±170 V或±380 V。直流线路与交流电网耦合处采用双向变流器，保证分布式电源可以馈入交流电网。还可以采用交直流线路共同存在的混合配电网结构，虽然增加了线路成本，但可以省去交直流变换过程，由交流和直流母线分别为交直流负载供电。

6结语

本文围绕含分布式电源的低压直流配电网的研究现状、优点、关键技术和面临问题进行综述，并根据相关文献和电力发展现状对含分布式电源的低压直流配电网的建设提出建议。含分布式电源的低压直流配电网在人口密集的居民区、商业区和电力输送困难的边远山区具有很好的应用前景，符合节能减排政策。然而对含分布式电源的低压直流配电网的研究还处于起步阶段，应用于直流配电网的电力电子技术有待解决，合理的直流电压等级有待验证，目前可以参考通信系统、航天器和变电站操作电源等直流供电系统，建立含分布式电源的低压直流配电网实验平台，进行理论研究和方案验证，加快标准制定，争取早日实现含分布式电源的低压直流配电网的工程应用。

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Review of DG Integrated Low Voltage DC Distribution Network

DUAN Shuang-ming,GUO Yang,REN Jun,JIN Li-guang,WU Wei

(Electrical Engineering College of Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012)

Abstract：The traditional AC distribution network is facing serious challenges while photovoltaic power generation,wind power generation and other distributed generation (DG) access to the power grid.Compared to ac power,low voltage dc power distribution network has the advantages of less energy conversion processes,high efficiency and easy to control,so it is easy for DC distributed generation and DC load access to the grid.This paper introduces the development process and current research status of low voltage dc distribution network,analysis the advantages of DC power distribution network,discusses the topology of low voltage DC power distribution network with distributed generation,the selection principle of voltage,the potential issues of build low voltage DC power distribution network.Finally,suggestions and implementation scheme of building the DG integrated low voltage dc distribution network are given.

Key words：Low voltage DC distribution network;Distributed generation(DG);Topology of bus;Power electronics interface technology

中图分类号：TM72

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2015)06-0001-07

作者简介：段双明(1984-)，男，吉林省长春市人，东北电力大学电气工程学院助理实验师，硕士，主要研究方向：新能源发电技术.

基金项目：吉林省科技发展计划项目(20130206082SF)

收稿日期：2015-09-11