直流配电网接入系统的研究_姚帅

1、项目编号南京工程学院大学生科技创新基金项目立 项 申 报 书项目名称： 直流配电网接入系统的研究 项目类别： 本科生科技创新训练项目 负责人(学号)： 姚帅（206131445） 指导教师： 王书征 单 位： 电力工程学院 联系电话：填表日期： 2015年11月13日 共青团南京工程学院委员会印制负责人姓 名姚帅学号206131445 班 级电力ZB134 专 业电气工程及其自动化联 系 电 指导教师姓 名王书征专业/研究方向电气工程/电力电子变换技术职称/职务讲师联 系 电 名专业/研究方向职称/职务联 系 电

2、话负责人近年来承接、组织、参与的学术科技活动情况（含科技项目、学术论文名称、完成时间、鉴定、发展以及获奖情况等）项目组其他成员情况序号姓名学号班 级专业项目分工签名1戴薇206131401电力ZB134电气工程及其自动化研究直流配电网整体的拓扑结构2顾薇薇206131402电力ZB134电气工程及其自动化研究直流配电网储能设备与光伏系统的接入 项目组其他成员近年来承接、组织、参与的学术科技活动情况（含科技项目、学术论文名称、完成时间、鉴定、发展以及获奖情况等）研 究 项 目名 称直流配电网接入系统的研究项目类别本科生科技创新训练项目申请经费3000 一、项目的研究意义、国内外研究现状、水平和发

3、展趋势，研究预期达到的科学技术水平、社会和经济效益。1研究意义随着国民经济的飞速发展，社会对负荷需求的不断提高，居民对电能的稳定性、高效性和经济性的要求也在不断的提升。1为了改善由于城市规划而形成的与发展需求不匹配的配电网络结构，我们需要既安全可靠又环保的电力系统。传统交流配电网容量小损耗大，电能质量相对较差。直流配电网在输送容量、可控性及提高供电质量等方面有比交流更好的性能2。直流配电网在提高电质量、减少电力电子换流器的使用、降低电能损耗节省大量的DC/AC换流环节和运行成本等方面具有显著地效果。另外，在直流配电网中，实现分布式能源的技术难度与交流配电网相比较低，一旦分布式能源突破技术瓶颈，

4、即可协调大电网与分布式电源之间的矛盾，充分发挥分布式能源的价值和效益。实现直流化已成为未来智能配电网的方向和发展趋势3。目前由于直流断路器研究并未有实质性突破，直流配电网的可靠性受到很大限制，换流器也存在一定故障率，现阶段的可靠性不如交流系统。但随着电力电子技术的发展，未来的直流配电网可靠性将会提高。由于能源供需矛盾日趋明显，地球环境污染问题加重，分布式发电技术近些年备受关注，成为电气工程领域的研究热点。分布式发电供能系统是指利用各种分散存在的能源，包括可再生能源( 太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等)和能够方便获取的化石类燃料( 主要指天然气)进行发电供能的系统。4其中光伏发电作

5、为一种最具前景的绿色能源技术，具有许多不同于其他可再生能源的突出优势: 无噪音、不产生温室气体、模块化安装、使用寿命长、维护简单、发电效率不受规模影响，无论从保护环境还是能源战略的角度都具有重要意义。与交流配电网相比，直流配电网便于燃料电池、光伏电池、超级电容等直流电源的接入; 无需大量使用逆变器，减少了因多次能量转换造成的损失; 易于满足交直流负荷对于供电多样性和电能质量的要求5。直流配电网是一个具有先进的能源管理系统的智能、稳定的交直流混合广域网络。与交流配电网相比，直流配电网有着一些明显的优点：在绝缘水平相同的情况下，直流配电网的传输功率约为交流配电网的1.5 倍；直流配电网能够方便各种

6、分布式电源和电动汽车充电站的接入；不同于交流配电网，直流配电网并不存在涡流损耗以及线路的无功损耗，直流配电网的损耗仅为交流网络的15% 50%；理论上直流系统没有频率偏差、三相电压不平衡和无功补偿等问题，因此能够有效避免电压波动与闪变、频率偏移、谐波污染等问题，能够有效地改善电能质量，提高电网可靠性6。因此选择直流配电网接入系统作为研究课题 ，具有一定的经济和社会意义。2国内外现状与发展趋势(1)国内外发展现状目前国内外有关直流配电网及其工程化应用的研究均处于起步阶段。在输电领域，直流模式传输电力早已是成熟技术，如远距离大容量的直流输电技术。在配电领域，直流技术推广面临挑战，主要的技术瓶颈有：

7、早期换流器功耗较大，且价格昂贵，在一定程度上延缓了直流配电技术的推广应用。随着技术进步，新型半导体材料的进步促进了直流配电技术和直流家电产品的发展，使得直流配电技术的应用也开始提到议程。美国早在2003年就提出了直流配电的相关方案。北卡罗来纳大学提出的方案参考了舰船配电，其方案中直流电压母线采用400V作为其电压等级，并配有120V交流母线。能量管理装置作为中继，从12KV交流母线获取电能，并通过400V直流母线和120V交流母线将电能分配给负荷。2010年，弗吉尼亚大学提出了“Sustainable Building and Nanogrids（SBN）”研究计划，SBN计划中考虑不同负荷，

8、直流配电网电压等级采用380V和48V双电压等级。380V电压主要针对家用和工业用负荷，48V电压等级考虑通信及小型设备，其供电能力及其有限。此结构整合不同分布式电源并考虑了混合动力汽车的影响，具有前瞻性。其后，弗吉尼亚大学在SBN系统基础上又提出改进方案，如图示，改进方案中采用交直流混合配电，并针对不同负荷和分布式电源进行分层，力求能源的高效利用7。日本大阪大学在2006年提出双极直流配电网结构，此结构中6.6KV交流电先通过变压器变为230V，再通过整流器输出±170V直流电能。双极母线的使用使得传输容量更大，电力电子器件的大量使用也将±170V直流电压变换为不同电压等

9、级的交流、直流电压，供不同负载使用。欧洲国家中，意大利和罗马尼亚对于直流配电网均有研究。罗马尼亚在2007年提出的系统采用双电源交替供电。系统中设计750V作为直流母线电压等级，整合各类分布式电源并与交流电网连接，其供电能力较强，供电可靠性也较高。除以上国家外，其他各国和地区也对直流配电网展开了专项研究。我国对于直流配电的研究起步较晚，但近年来已成为研究热点。2对于直流配电网的研究，国内学者主要集中在以下几个研究方向：1)直流配电网系统结构直流配电网的网络拓扑结构可分为三种，分别为辐射型、环型和两端供电型。1辐射型网络结构简单，但供电可靠性较低。环型网络供电可靠，也不必考虑交流网络中存在的无功

10、补偿、相位补偿等问题。两端供电型网络也有较高的供电可靠性。三种网络结构的相同点为都整合了分布式电源。2)低压直流配电系统电压等级对于配电系统电压等级，各国的标准并不相同。在通信领域，早有48V直流供电的先例，美国提出380V为直流配电最佳电压等级，日本选取400V，欧洲一些国家如芬兰等采用±750V作为直流配电电压。综合考虑安全性和经济性，380V电压等级较为理想8。3)低压直流配电网接地方式双极低压直流配电接地方式有三种，即TT方式（电源侧和用电设备外露导体均直接接地）、TN方式（电源侧直接接地，用电设备外露导体经保护线接地）、IT方式（电源侧不接地或经高阻抗接地，用电设备外露导体

11、直接接地）。相同电压等级下，三种接地方式的直流配电网络安全性皆高于交流网络。横向比较三种接地方式，则负极接地的直流 TT 系统可同时兼顾电击防护性能、绝缘监测灵敏性与可靠性，更适宜作为未来低压直流供电系统的接地形式。 国内应用情况电力系统中，直流配电技术主要应用于大型发电厂升压变电站、 大电网高压变电站一次设备的操作，以及二次设备及通信设备的保安电源。有很多电力大用户已经采用直流配电技术，如电信部门等大型企业的通信机房供电系统、船舶供电系统和城轨铁路交通供电系统、适用于居民住宅带热电联产系统的低压双极型直流微网。(2)直流电网的发展趋势：1)需要发展直流电网模式或交直流混合电网模式。这是因为，

12、直流输电网不存在交流输电网固有的稳定问题，因此，采用直流输电网，将从根本上解决交流电网所固有的安全稳定性问题。从配电网和微电网层面来讲，未来的直流负荷将占相当高的比重且分布式电源（如光伏发电或储能）也将以直流为运行模式。与此同时，还需要采用“分层分区运行、总体协调互动”的模式，以充分实现广域范围内各种资源的优化互补利用和区域电网间互为备用和支撑。2)低压直流配电网在未来的建设中可先对传统配电网进行升级改造，但是通过先将交流电能转换为直流电能再进行传输使用的方法并没有在很大程度上减少电能损失。最终方案需实现从发电、输电、变电、配电和用电的一体化直流配电，有效减少因整流器、逆变器的使用而损失的电能

13、。 3.经济及社会意义随着新能源、新材料、信息技术和电力电子技术的长足发展和广泛应用，以及城市负荷需求的不断提高，用户对电能的稳定性、高效性和经济性要求日益增高。一方面，太阳能光伏电池和燃料电池等可再生能源，及电动汽车蓄电池组、超级电容器、超导磁储能(superconductor magnetics energy storage，SMES)等各种储能装置大多是直流电，必须通过DC/AC 变流器才能并入交流配网；生活中的大量电器采用直流电工作更为方便、节能，如计算机、打印机、微波炉，以及洗衣机、变频空调等；电弧炉、旋转电机等越来越多的工业负荷采用变频技术以提高电能利用效率。电力电子变流器的大量使

14、用不但增加了分布式电源和储能装置的设备和运行成本，同时也牺牲了系统的整体效率和可靠性。另一方面，我国数十年来由于城市规划与电力的条块分割，形成了与负荷发展要求不相适应的配电网结构，使配电网规划、容量及电能质量越来越难以适应城市发展的需求。用电负荷越发密集，配电网走廊紧张，供电容量不足；高新产业比例日益扩大，对电能质量要求逐渐提高；我国面临能源结构调整的需求，需大力发展储能电站、电动汽车以及可再生能源发电接入配电网，从而对城市配电网的运行控制提出新的挑战。面对经济社会的快速发展对电力系统提出的更加环保、更加安全可靠、更加优质经济并支持用户与电网双向互动等诸多要求，传统的电网结构已越来越无法胜任9

15、。与传统交流配电网相比，直流配电网的最大传输容量明显大于交流配电网，且电压等级越高，最大传输容量最大。在传输容量与线路拓扑相同的情况下，由于各类电力电子装置的造价相对较高，直流配电网的投资成本高于交流配电网，且随着电压等级的提高，直流配电网的投资成本亦将有所上升。但随着电力电子技术的迅速发展及功率半导体器件价格的下降，直流配电网存在较大的降价空间。根据目前的电力电子装置效率，直流配电网的传输损耗率明显低于交流配电网，且随着电压等级的提高而下降。随着配电网中直流负载比例的上升(如中压直流负载及低压A 类负载)，以及电力电子技术的进一步发展，直流配电网的传输损耗率将继续降低。中压直流负载的比例越高

16、，直流配电网的投资成本越低，传输损耗率越小。目前，直流配电网的相关技术尚不成熟，但随着电力电子技术的长足发展，其投资成本与整体传输损耗将不断降低。直流配电网具有巨大的综合优势、市场潜力与研究价值。二、项目的研究内容、预计突破或解决哪些技术难题、研究的创新点。u 研究内容：共分为三部分：第一部分是对直流配电网的拓扑结构的研究；第二部分是直流配电网接入光伏系统研究；第三部分是直流配电网接入储能装置的研究。（1） 直流配电网的拓扑结构以及接入系统的研究。通过对直流配电网的拓扑结构的研究，通过各种各样的适配器、换流器以及变压器等可以接入交流负载、直流负载、储能设备、光伏电池、以及低压直流配电网。（2）

17、 直流配电网的网络拓扑结构拓扑结构大致可分为三种，分别为辐射型、环型和两端供电型10。辐射型网络结构简单，但供电可靠性较低。环型网络供电可靠，也不必考虑交流网络中存在的无功补偿、相位补偿等问题。两端供电型网络也有较高的供电可靠性。三种网络结构的相同点为都整合了分布式电源。环状直流配电网的拓扑结构如图1所示。交流配电网的环状结构，通常采用环状设计、解环运行，从而避免了双电源时电压幅值差、相角差引起的无功环流。 由于直流配电网中并不需要考虑无功功率 ，因此也不需要考虑无功环流问题。 在研究直流配电网环状拓扑结构时主要考虑出现短路情况的保护问题。图1 环状直流配电网由于直流配电网系统中线路阻抗较小，

18、当线路上发生短路故障时，短路电流上升速度快、幅值高。如果缺乏实用的直流断路器，通常只能将直流变压器或换流器闭锁，以隔离故障。当采用环状结构时，只能将全部线路停运，极大地降低了系统的可靠性。因此，制约环状直流配电网可行性的关键技术即为直流断路器的研发。为了保障直流配电网的可靠性，在两端直流配电网中通常会有一端的交流接口采用定电压控制，其余交流接口采用定功率控制。 直流配电网正常运行时，由于不需考虑无功功率因素，并且整个直流配电系统的电压完全由定电压控制端和负荷决定，从而避免了直流电压差引起的功率环流，两端直流配电网的拓扑结构如图2所示。虽然两端直流配电网络的供电可靠性高，但是在故障诊断和保护控制

19、方面较难实现。 图2 两端直流配电网结构图常见的直流配电网的辐射型结构如图 3 所示。 在直流配电网的链式结构中，随着负荷的增加，直流电压将会随着潮流流动的方向下降。当采用链式系统时，若末端线路发生故障，将上级直流变压器或换流器闭锁，余下线路仍可以正常运行，这样极大地提高了供电的可靠性。图3 辐射型直流配电网结构图（3）直流变压器在直流配电网的研究为了将直流微电网接入配网以及实现各种不同电压等级直流配电网的连接，直流能量变换将不可避免。而直流配网中难以像交流系统中通过电磁感应原理的方式实现电压变换，必须基于电力电子技术通过功率变换器实现电压变换和功率传递，主要方式是通过电力电子变流器实现高频变

20、换，并通过高频隔离变压器实现电压的变换和电气隔离。交流配电领域，基于电力电子技术的固态变压器(solid state transformer，SST)，又称电力电子变压器，是连接 HV 和 LV 交流电网的一种很好的解决方案11。基于此， DCSST 将作为柔性直流配网中的关键环节，以实现高低压直流配电网或微电网间电压和功率的灵活控制和快速管理。在DCSST中，由于采用了DAB变换器，DCSST不仅实现了高低压等级的变换，还实现了高低压直流母线的电气隔离以及功率的双向流动。另外，DCSST 舍弃了传统的工频变压器作为变换器两桥之间的联接，直接采用了高频变压器，从而进一步提高了系统的功率密度、模

21、块化程度，降低成本，减少噪音等。DCSST 的柔性直流配电网如图4所示。（4）直流配电网接入储能装置的研究对于储能装置，不同储能形式在规模、功率密度、能量密度、转换效率、寿命、成本等各有优缺点，针对模块化储能系统，将不同的储能介质结合使用。目前分布式的电力储存，大多都为锂电池。有超级电容的储能装置输出的是直流电，若要并入交流配电网，需要经过 DCAC换流器，同时还需要增设滤波装置，才能有效地并入电网，储能装置并入交流配电网如图5所示。若是将储能装置直接并入直流配电网中，则不需要 DCAC 换流器和滤波装置，能够有效地节省设备投入，具有较大的经济意义。根据储能储能装置并入交流配电网，画出储能装置

22、接入直流配电网如图6。图4 DCSST接入直流配电网图5 交流配电网接入储能装置图6 直流配电网接入储能装置（5）直流配电网接入光伏系统的研究。光伏电池发出的是电压随机波动的直流电，且光伏电池的出口电压相对较低，若想并入交流配电网中首先需要经过 DCDC 变压器，再经过 DCAC换流器，同时还需要增设滤波装置，才能有效地并入电网，且光伏发电存在受外界环境影响大，温度和光照辐射强度的变化可以导致输出特性发生较大的变化。在不考虑这些负面因素的情况下，直流配电网不需要滤波装置，可以直接与光伏电池相连，光伏电池接入直流配电网如图7所示。图7 光伏电池接入直流配电网u 关键技术：（1）对直流配电网的网络

23、拓扑结构及各种结构优缺点的研究。与交流配电网相比，直流配电网有着的与其相似的拓扑结构，从变压器和换流器来看，交流配电网有着更小的电能损耗；但从线损来看，直流配电网线损更小。配电网可分为辐射型、两端型和环形。(2)固态直流变压器接入直流配电网以及其使用价值的研究。本文主要研究用于柔性直流配电的高频链直流固态变压器，从固态变压器接入系统入手，对该种变压器在直流配电网的作用及可行性进行研究。相比交流 SST，DCSST 的变换步骤要少，因此具有更高的变换效率，并且控制管理简单；另外，无需相位和同步检测，可靠性更高。相比交流 SST 在交流输配电中的应用现状，随着直流输配电的快速发展，DCSST 在直

24、流配电中的应用前景和现实性更大。（3）对直流配电网接入光伏电池、储能装置以及接入电网系统的研究。直流配电网接入光伏电池、储能装置等，它们可以互相传递直流电能。而且相较于并入现有的交流电网，直接将其并入直流配电网能够有效减少换流站的投资，同时能够减小换流过程的损耗，均有很大的经济效益。而且，当光伏电池、储能设备要想接入直流电网中需要DC/DC变压器和DC/AC换流器，并需要一些滤波电路才可以接入。三、项目的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析u 研究方法：研究将采取仿真与理论相结合，阶段性验证和逐步展开的方法。首先，通过直流配电网系统建立网络的拓扑结构，结合所得理论并根据此分析各结构的优缺点

25、；然后通过对固态直流变压器进行研究，它可以实现直流高压转换为直流低压，通过软件的仿真，分析其特点。再对直流配电网接入储能装置，对储能装置进行研究，结合容量的变化对配电网的影响。最后是对光伏系统结合仿真进行研究。u 技术路线：1、首先收集了一些关于直流配电网方面的一些资料跟文献知；2、小组成员一起就所了解到的关于该课题的知识对该课题实施的可行性及实施所需要的技术条件进行了讨论，制定了实施方案，方案如下；3、最后我们将最终讨论出来的实施方案整合到课题申报书中。图8 项目技术路线图u 实验方案：Ø 直流配电网整体拓扑分析；Ø 直流变压器在直流配电网的研究，包括一些必要仿真；

26、16; 储能装置、光伏系统的研究；Ø 不同容量的储能设备，接入直流配电网的研究。u 可行性分析：（1）随着新能源、新材料、信息技术和电力电子技术的长足发展和广泛应用，电能的稳定性、高效性和经济性得到了国内科研工作者较多的关注，直流配电技术也有了很大的提高，直流配电网已成为未来不可或缺的一部分。 （2）本课题是直流配电网接入系统的研究，以光伏电池、储能装置接入直流网络为例，研究其意义及可行性。（3）项目组成员均为在读本科生，通过本科阶段的学习，积累了一定的研究分析能四、研究工作条件和基础（包括前期研究工作基础，已有研究成果，现有的主要仪器设备、研究技术及协作条件等）u 实践基础:（1）

27、直流配电网是国内外的研究热点，已阅读过大量的相关参考资料，对直流配电网的拓扑结构以及接入系统都有所了解。（2）申请者所学专业是电气工程专业，已经过专业知识的学习，对电有自己的理解。（3）申请人具备较强的理论分析和工程实践能力，且具备吃苦耐劳、勇于尝试新鲜事物等品质。u 工作条件:（1）本项目已有大量文献支持，对于我们研究本课题有很大的帮助，能够使我们有信心完成所研究的项目。（2）另外， 本研究课题组拥有多种仿真工具软件，可以胜任大多数设备的仿真。（3）研究人员均为在校学生，有大量的时间与精力去完成克服各种难题。五、研究工作进度安排2015年9月2016年1月 查阅相关文献，对直流配电网的结构进

28、行分析研究。2016年1月2016年4月 研究直流变压器接入直流配电网。2016年4月2016年6月 储能装置接入直流配电网的研究。2016年6月2016年8月 光伏系统接入直流配电网的研究。2016年8月2016年9月 总结项目研究成果，完成研究报告，并整理结题材料。六、预期研究成果及考核目标1、 研究报告一份，提出直流配电网接入系统的方式，体现直流配电网络的可行性；2、提出储能装置的容量对直流配电网的影响；3、将储能装置和光伏系统直接并入直流配电网中，节省设备投入。4、柔性直流配电的高频链直流固态变压器的使用使储能装置接入配电网络后，实现传导时电压的升压和降压功能。5、实现直流高压转为直流高压，并完成软件的仿真。6、发表论文1篇，或专利1项。七、主要参考文献或资料1 杜翼, 江道灼, 尹瑞, 等.直流配电网拓扑结构及控制策略J, 电力自动化设备, 2015, 35（1）：139-145.2 江道灼, 郑欢, 直流配电网研究现状与展望J, 电力系统自动化, 2012, 36（8）：98-104.3 朱阳, 直流配电网拓扑结构及特色故障简析J, 企业改革与管理, 2015, 118-119.4 杜翼, 朱克平, 尹瑞, 等.基于分布式电源的直流配电网建模与仿真J, 电力建设, 2014, 35（7）：13-19.5 朱建平, 周建平, 黄华,