为实现分布式直流电源的高效利用，基于分布式光伏、电动汽车等新能源的直流输出特性，直接向直流负载供电，构建局部的直流供电系统是一种行之有效的方法，可有效降低新能源的交直流变换损耗，提高利用效率。文章以分布式新能源、储能和直流负载构成的低压直流供电系统为对象，分析了直流供电系统的典型模式，结合江苏电科院直流试验系统和南京城市电网直流供电示范工程，分析直流供电系统与现有交流系统的融合方案，能够为未来大规模分布式新能源直流供电系统的推广应用提供参考。
0.引言
长期以来直流供电方式只有在一些特殊的场合采用，如通信数据中心、轨道交通、工业生产线二次系统等，但近年来国外相关机构已经对直流配电网进行了探索性的研究和开发，并取得了一些突破性成果。
国际大电网会议(CIGRE)早先已成立DC-GRID工作组，开展直流电网的可行性研究，其研究内容包括LCC与VSC技术的比较、直流电网与交流电网的经济性比较、直流电网的拓扑结构、直流电网安全可靠性准则的研究等多项直流电网的关键技术。
在美国，北卡罗来纳大学在2003年就以DC舰船配电系统为例探讨了直流配电应用于工业系统时的机遇和挑战。美国弗吉尼亚理工大学CPES中心于2007年提出了SBI研究计划并发展为SBN，其典型结构采用分层式母线结构的直流配电网供电模式。美国北卡罗来纳大学于2011年提出了FREEDM系统结构，用于构建未来自动灵活的配电网络。
在欧洲，意大利的米兰理工大学在2004年提出了基于分布式电源的直流配电系统结构，与大阪大学提出的双极结构类似。罗马尼亚的布加勒斯特理工大学在2007年提出了一种带有交替供电电源的双母线直流配电系统结构。
在日本，东京工业大学等机构在2004年就提出了基于直流微电网的配电系统构想，并实现了一套10kW直流配电系统样机。
目前国内对直流供电技术的研究主要集中在相关装置上，对直流供电模式的研究尚处于起步阶段。2011年中国国家电网公司启动“直流配电方式的可行性研究”，但在国内目前尚未见分布式新能源直流供电系统在实际电网中的示范应用。本文重点分析直流供电系统模式在分布式新能源接入方面的适应性，给出实用的直流供电系统典型模式，给出满足直流与现有交流供电系统的融合与过渡方案，并结合江苏直流供电系统实例，分析直流供电系统在工程应用中的优点及值得注意的关键点，为未来直流供电系统的发展提供参考。
1.直流供电系统的优势分析
随着大量分布式光伏等直流电源的接入，当前广泛应用的交流配电网难以实现直接接入，需要借助交直流变换环节实现并网;同时，绝大部分的负载本身是直流负载，采用交流系统供电时需要增加整流电路将电网中的交流电变换为直流电方能正常工作。而直流系统可以实现分布式直流电源的灵活接入，并直接向直流负载供电，减少电能变换环节，提升能源利用效率。与交流系统相比，直流系统主要有如下优势：
1)直流供电线路成本低。双极直流线路的传输功率与三相交流线路(功率因数为0.9)大致相等，因此与交流配电的三相四线制相比，直流配电仅需2条线路，同样输送容量下直流线路建造费用及走廊宽度约为交流的2/3;此外，在交直流电压有效值相同时，交流电压的峰值比直流电压峰值大，对电缆的绝缘要求更高，因此直流系统电缆投资更低。
2)直流供电输电损耗小。在输送相同的有功功率情况下，单极直流系统的输电损耗低于单相交流损耗，而双极直流系统的损耗低于三相交流系统的损耗。交流输电时，交流电缆的金属护套涡流会产生一定的有功损耗，同时交流系统还存在一定的无功损耗，试验证明当直流系统线电压为交流系统的2倍时，直流配电网的线损仅为交流网络的15%～50%。
3)直流供电供电可靠性高。相对交流配电网而言，直流配电网更便于储能装置、分布式光伏等直流电源的接入，减少了采用交流系统中的AC/DC交直流变换环节，提高了供电可靠性。文献[10]基于美国数据中心实际案例的研究表明，与交流配电系统相比，采用直流配电具有更高的供电可靠性和故障发生时维持正常运行的能力。
4)直流电源和负载接入便利。在电源方面，大量分布式光伏等直流发电系统的发展，接入交流电网时需要配置DC/AC换流器，而各种储能装置则需要双向DC/AC换流器及复杂的控制系统才能接入;在负载方面，需要配置AC/DC变流器将交流电转换为直流电向直流负载供电。而直流配电系统能够实现直流电源和负载的直接接入，减少能源转换环节，提升能量利用效率。
2.直流供电系统典型拓扑
与交流配电网类似，直流微电网基本拓扑结构主要有：放射状、环状与两端配电。放射状供电方式和两端配电拓扑的电网拓扑结构简单、故障保护简单、线路投资费用较低，但是供电可靠性较差，易发生停电故障。环状直流供电系统能够有效提高供电可靠性和安全性，提高电能质量，但是故障识别及保护控制配合等也相对困难，设备投资较大，经济性较差。
2.1辐射状单母线直流供电系统拓扑
如图1所示，辐射状单母线直流供电系统具有结构简单、故障保护简单易实现、线路投资费用较低，但是供电可靠性较差，当直流母线故障会导致整个直流系统全停，该模式适用于对供电可靠性要求较低的直流供电系统的建设。
图1 辐射状直流供电系统拓扑结构
2.2辐射状分层型直流供电系统拓扑
图2给出了辐射状分层型直流供电系统的拓扑结构，该系统具有两电压等级(图示为380V和48V两条直流母线，也可为其他电压等级)，其中48V和380V通过直流变压器相连，分层型母线结构提高了低压设备供电的安全性，并可直接实现对不同电压等级直流电源和直流负载的便利接入，省去电源适配器，具有较大的前景。
图2 辐射状分层型直流供电系统结构
2.3两端交流的直流供电系统拓扑
如图3所示，两端交流的直流供电系统类似手拉手配电系统结构，与辐射状直流配电系统相比，这种直流系统的供电可靠性有所提高，能够通过内部配置的直流开关设备实现故障的简单隔离。
图3 两端交流的直流供电系统拓扑结构
2.4环状直流供电系统典型拓扑结构
如图4所示，直流微电网的环状拓扑结与交流环网类似，环状结构提高了直流电源和负载的供电可靠性和系统安全性，提高了电能质量，但是故障识别及保护控制配合等也相对困难，设备投资较大，经济性较差。
直流供电系统的结构总体可归纳为上述4类结构，工程建设中根据实际需求可能出现比上述4类更为复杂的系统，但在系统规划设计中，需考虑方案中直流系统保护设备的可行性，并结合原有交流配电系统结构，选择合适的直流供电系统拓扑，满足多类型直流电源和直流负载的便捷接入和安全运行。
图4 环状直流供电系统典型拓扑结构
3.直流供电系统与交流供电系统的互联融合
交流是目前广泛采用的主流供电方式，未来建设的直流供电系统必须基于已有的交流系统，考虑两者之间的融合，直流和交流系统之间可以采用成熟的AC/DC柔性电力变换技术实现。其中，电压源换流器是利用全控型器件来进行电能变化，使得在一个周波内可以换相多次，具有谐波含量小、能精确进行有功功率和无功功率独立控制、实现4个象限运行等优点，可实现换流器整流和逆变状态的迅速转换，因此直流系统与交流系统之间通常采用电压源换流器进行互联，示意图见图5。
图5 直流系统与交流系统通过电压源换流器互联示意图
在采用电压源换流器进行互联时，直流与交流系统之间的接口设备应满足如下要求：
1)满足交直流系统之间双向能量交换需求。交直流系统之间的能量转换接口需要具备双向快速的能量转换能力，根据直流系统内部发电和用电平衡情况，实时调整接口输出/输入功率，当直流系统内部电力不足时从交流系统向直流系统馈入电力，而直流系统内部电力过剩时向交流系统送出电力，进而实现直流系统内部发供电的实时平衡，保障直流系统的电压稳定和安全可靠供电。
2)具备交直流系统间良好的故障隔离功能。交直流系统互联后的供电可靠性应比单一的交流供电系统更为可靠，在交流系统发生故障时，交直流系统间的接口设备应能迅速断开系统之间的联络，使故障不传递到直流系统侧;若直流系统内部发生故障，接口设备应能立刻断开连接，确保交流系统不受直流系统内部故障的影响，进而提升供电可靠性。
4.江苏直流试验示范系统供电方案分析
为实现分布式光伏等直流电源的直接并网，江苏电科院牵头开展了多源分布式新能源直流供电技术科技攻关，建设了包含风光储及多类型直流负载的实验室直流供电系统，为直流供电技术研究提供了试验平台。同时，开展了南京城网直流供电系统的预研，制定了南京城网直流供电系统建设方案，推进了直流供电系统在江苏电网的应用。
4.1江苏电科院直流供电系统
实验室验证系统由分布式新能源发电系统、储能系统、直流负载、监控系统和能量管理系统组成。其中，分布式新能源发电系统包括140kW光伏发电系统、40kW风力发电系统，储能系统包括100kW/75kWh磷酸铁锂储能、30kW超级电容储能，直流负载包括2×65kW可调负载、5kW电动汽车充电桩。
除此之外，还将进行部分新建和改造工作，新建部分内容包括380V直流母线系统(含固态开关)、LED等直流负载、直流监控系统及直流能量管理系统;改造部分内容包括已有的光伏/风电的直流接口系统、分布式新能源直流供电信息监控及能量管理系统。江苏电科院直流供电系统示意见图6。
江苏电科院直流供电系统与前期建成的交流供电系统通过250kW变换器实现有机结合，通过统一的能量管理系统，可以实现直流系统、交流系统之间的联合运行，能够为直流系统和交流系统的运行控制、试验检测等提供研究基础，为分布式新能源直流供电技术的研究提供支撑。
图6 江苏省电科院直流供电系统示意图
4.2南京城网直流供电示范系统
如图7所示，南京城网直流供电示范工程由分布式新能源发电系统、储能系统、直流负载、母线系统、保护系统、监控系统和能量管理系统组成，采用±750V直流环网供电结构，并通过柔性电力变换器由四端接入主电网。其中，分布式新能源发电系统包括500kWp光伏发电系统、2×30kW风电发电系统，储能系统包括300kW×2h锂电储能，直流负载包括5kW电动汽车充电桩等。除此之外，示范工程将建设变流器接口系统、网络化保护控制系统、分布式新能源直流供电信息监控及能量管理系统，实现各单元间能量的联合调度和安全可靠运行。
图7 南京城市配电网直流供电系统结构图
南京直流供电系统示范工程通过柔性电力变换器由四端接入交流系统，并采用环状供电结构，直流电压为±750V，具有可靠性高等优点，能够满足风/光新能源的直流接入需求，同时能够满足直流充电负载等的供电需求，具有运行方式灵活、可靠性高等优点，示范应用的结果将为后续直流供电系统的建设提供参考和借鉴。
5.结语
直流供电系统在分布式直流电源的接入、向直流负载直接供电等方面存在着天然优势，能够减少电能变换环节、节约设备投资、提升能源利用效率，未来的配电网必将采用交直流并存的多样化配电模式。本文重点分析了直流供电系统的典型供电模式，探讨了直流系统与交流系统互联融合的方法及要求。未来，在直流供电系统的建设中，仍需开展系统协调控制保护技术、能量管理技术等方面的攻关，通过技术革新实现直流供电系统的发展，满足不断涌现的分布式光伏、储能等多源分布式直流电源的接入需求，促进分布式新能源的就地消纳，提高配电网运行效率，提升经济效益。
作者简介
李强，男，博士，高级工程师，主要从事新能源发电并网、储能技术应用研究;(35830342@qq.com ，15105168861)
柳丹，女，硕士，工程师，主要从事新能源发电并网、电力电子技术研究;
袁晓冬，男，硕士，高级工程师，主要从事新能源发电并网、电能质量技术研究。
引文信息
李强，柳丹，袁晓冬.适用于分布式新能源的直流供电模式及其在江苏电网的应用
[J].供用电，2015(32)：26-31.
原标题：【城市交直流灵活供电技术】适用于分布式新能源的直流供电模式及其在江苏电网的应用
