柔性直流配电技术的发展与现状

0 引言

近年来中国持续大力推行、鼓励环保、节能的能源政策，以分布式电源和储能为典型代表的直流电源和以电动汽车等不同类型的并网负荷为典型代表的直流负载在配电系统中大量出现，交流配电网的电源形式和负荷形式发生变化［1］。

犊牛死亡率：三四十年以前，犊牛死亡率保持在5%～8%就很不错了，现在大型牧场管理比较到位，犊牛死亡率能控制到2%，最好的甚至可以控制到1%。

由于直驱式风力发电系统、光伏发电系统和储能电池都必须通过逆变环节才能并入交流配电系统，电力电子变流器的大量使用很大程度上降低了系统的整体效率和可靠性，而且分布式电源相对于电网来说是个不可控电源，考虑到电网消纳能力有限，目前往往采用限制、隔离的方式来应急处理，限制了分布式电源效能的发挥。而直流负载的快速发展和大量出现，使得日常生活中用户侧普遍存在的整流和逆变环节在成本、损耗、安全等方面的问题日益凸显［2］。

改革开放以来，我国职业教育实现了重大突破，中国特色现代职业教育体系初步建立，职业教育服务经济社会的能力显著增强，为社会主义现代化建设培养了大批高素质劳动者和技能型人才。与此同时，伊犁州中等职业教育也迎来新的发展机遇和改革热潮，但因种种原因其发展落后于经济建设，也落后于我国发展水平，仍按陈旧模式缓慢发展已不能适应社会发展要求。振兴职业教育，全面提高劳动力素质，将我州职业教育引上科学健康发展道路，是当前职业教育改革的重点和难点。

随着近十年来中国柔性直流输电技术成熟度的日益提高，由此衍生出的以直流为主导的柔性直流配电（后简称“直流配电”）方式，凭借其在技术、经济上的众多优势，目前已被广泛视为一条能够从根本上解决交流配电系统在运行效率、供电可靠性、电能质量、分布式电源消纳等方面问题的有效途径［3］。

1 直流配电技术经济优势

在输电领域，高压直流输电技术由于输电线路走廊占地更小、线材消耗更少、没有电容电流因而损耗更小、能够保证两侧交流系统非同步运行、控制灵活性更好，等等众多经济、技术优势，近年来在与高压交流输电的竞争中逐渐胜出［4］。

在配电领域，除了上述优点外，应对目前存在并亟需解决的问题，直流配电相对于目前主流的交流配电也具有技术经济优势。

1.1 直流配电技术的先进性

（1）分布式电源灵活接入

以光伏为代表的分布式电源输出多为直流电或可经一次整流成直流电。采用直流配电系统接入分布式电源，可以利用直流电不存在相位和频率跟踪问题的优势，进一步提高分布式电源接入的可靠性和可控性［5，6］。

（2）电力高质量供应

在交流电的电能质量评价体系中，电压偏差、频率偏差、三相不平衡、谐波与间谐波、电压波动与闪变、电压暂降与短时中断是最主要的6项指标。对于直流电，参照交流电的电能质量评价体系，其中的频率偏差、三相不平衡指标不再存在，谐波与间谐波则变为了纹波与高频分量。相比之下，采用直流配电技术面临的电能质量问题更少［7］。

（3）系统高可靠性、可控性

采用直流配电系统进行供电，凭借直流电无相序、无相位校正、无频率稳定等问题的优势，不仅可以减少变流环节，而且能够大幅降低故障后供电恢复时间，使系统可靠性得以大幅提高。同时，基于柔性直流输电技术的直流配电技术具备动态无功支撑、潮流动态可控、限制短路电流、隔离事故范围等能力，系统可控性得以大幅提高［8］。

（4）直流网架结构多样性

目前，中国交流配电系统一般采用闭环设计、开环运行的方式，而基于直流配电技术进行组网的形式多样，包括单端、双端、多端辐射，以及环网等多种结构，可以根据需求灵活设计供电拓扑［9］。

1.2 直流配电的经济性

在日常生活中，不仅以电动汽车、LED照明、手机等各类电子设备为代表的直流负荷快速增多，而且还普遍存在着包含变频环节、需直流驱动的交流负载，比如变频空调。采用直流配电系统可以直接向直流负荷供电，也可以向需要变频、直流驱动的负荷供电，能够节省全部或部分变流环节，有效降低成本和损耗。根据相关统计，相对于交流配电，采用直流配电能够将配电系统效率提升约6.5%，综合成本下降约10%-20%［10］。同时，由于有效值相同时，交流电压峰值大于直流额定电压，采用直流配电技术时系统绝缘强度要求更低。

4 参考文献按在正文中出现的先后次序列于文后，以“参考文献：”(左顶格)作为标识。各类参考文献条目的编排格式如下：

义务教育工作关乎国计民生，财政投入教育资金的有效运用是义务教育顺利实施的前提，由此，唯有加强中小学校财务管理的内部控制才能保证国家教育资金更好地惠及于民。笔者通过联系中小学财务管理工作的实际情况，指出了中小学校财务管理内部控制于当前存在的主要问题及原因，包括学校财务管理的内部控制意识不强、相关的制度不完善、财务管理人员配置困难、人员素质参差不齐等，最后针对财务管理存在的问题提出了相对应的调整方法及完善措施，这为内部控制在中小学财务管理方面的有效执行提供了新途径，在很大程度上保证了财政投入基础教育资金的有效运用。

2 直流配电关键技术

对于直流配电技术的规划设计，电压等级的制定是首要工作，其合理性直接关系到后续相关设备制造的参数设计、供电成本的高低、与交流配网的配合难易等各个方面。目前，中国已颁布《T/CEC 107-2016直流配电电压》《GB/T 35727-2017中低压直流配电电压导则》，对电压等级的制定已比较细致，为直流配电技术的研究和发展打下了坚实的基础［11］。除此之外，直流配电主要还有以下关键技术。

2.1 拓扑结构

拓扑结构的设计直接关系到系统运行管理方式、控制保护策略配置、经济性、可靠性等各个方面。目前，被公认并普遍采纳的直流配电拓扑结构设计方案主要有：辐射式、双端式、环网式，如图1～3所示。

民生水利发展提速了，其实践转化为亿万群众看得见、享受得到的实惠，水利人向党和人民交上了一份满意的答卷。

图1 单端辐射拓扑
Fig.1 Single-end radiation topology

图2 双端辐射拓扑
Fig.2 Double-end radiation topology

图3 多端环网拓扑
Fig.3 Multi-end ring topology

辐射式直流配电拓扑结构中单端辐射拓扑最具代表性，由图1可知，该拓扑结构简单，交直流电源通过整流器（AC/DC）或直接接入直流母线，通过直流变压器进行系统扩展，各级直流母线上配置DC/DC、DC/AC变流器为分布式电源、交直流负载提供接口。可作为低压直流配网的主要形式，在中压直流配电层面，其可靠性较低，不推荐采用。

双端式直流配电拓扑结构如图2所示，该拓扑与双端高压直流输电系统类似，两端交流系统通过变流器为直流母线供电，再通过DC/DC、DC/AC变流器扩展系统，并接入交直流电源、负载。从严格意义上说，双端辐射拓扑也可称为双端辐射式，当直流母线上通过整流器接入另外的交流电源时，也可称为多端辐射式。适用于对于供电可靠性要求较高的终端用户/负荷（地铁直流牵引），以及负荷较为集中的区域。

环网式直流配电拓扑结构如图3所示，该拓扑与双端式最大的区别在于构成的直流网络中存在多条主母线，结构已经近似网络，运行方式灵活，可选择“合环”或“不合环”，可靠性高，适合作为中压直流配网的主干。

对比以上3种典型的直流配电拓扑结构，其优劣如表1所示。

表1 直流配电拓扑结构优劣对比
Table 1 Comparison of DC power distribution topology

对比项目拓扑结构控保策略维护成本建设成本理论供电可靠性辐射式简单简单一般一般一般双端式复杂复杂较高较高较高环网式更复杂更复杂更高更高更高

在一个直流配电工程中，在拓扑结构方面，除了确定拓扑设计外，还需要选择系统接线形式，目前主要可分为单极接线和双极接线方式。前者类似高压直流输电系统中的单极金属回线运行方式；后者类似高压直流输电系统中的双极金属回线运行方式。

2.2 关键设备

硬件设备是直流配电系统的基本组成要素之一，也是系统中故障多发的重点区域。随着高压直流技术的发展，模块化多电平换流器、直流断路器、潮流控制器均得到较好发展与完善，可在直流配电系统中得到很好的应用［12］。目前在直流配电领域能量路由器、直流变压器是两个研究的热点。

围绕一件服装产品的数据来源众多，计算机辅助设计 （CAD）的广泛应用带来了便利，也造成产品数据爆炸式增长。服装企业一定程度上实现了绘图和设计过程数字化，但是对产品数据文件缺乏快速有效的检索手段，造成设计查询时间长、设计复用性差等问题，因而设计管理效率降低，设计成本高。

（1）能量路由器

能量路由器是由全球能源互联网概念衍生而出。如图4所示，简单地说，能量路由器就是参照网络路由器，一个输入多个输出的转换装置，只不过能量路由器转换的电能，接口功率流向可逆。能量路由器的应用能够有效实现交直流的混合应用，提高系统可靠性、灵活性、电能质量、运行效率；作为电能接入装置时，还可以使接入电源和负荷之间路径最优。

图4 能量路由器功能示意
Fig.4 Schematic diagram of energy router function

对于直流配电技术，和高压直流输电技术类似，基于交流网架是目前直流配电主要的发展、应用途径和手段，能量路由器能够非常有效地提高这一应用场景的适应性，对直流配电技术的发展有着积极的作用。

随着科学技术的不断进步，传统纳税申报方式逐渐会被纳税人网络自主申报取代，纳税申报的真实性、准确性责任由纳税人承担，税务机关侧重对纳税申报的后续管理是未来税收征管的趋势。申报纳税成为纳税人的自主行为，在主观因素和客观因素共同作用下，税收申报变得具有不确定性，存在税款流失的风险，无法保证税款及时足额入库。税务机关通过纳税评估，审查纳税人申报行为的准确性和全面性，涉及税款应缴未缴或存在税收违法违纪行为的，及时让纳税人进行补缴税款、采取违法处罚或移交稽查等方式，目的是促进纳税申报质量的提升，提高纳税人的税法遵从度。

（2）直流变压器

直流变压器是近年来在电力电子与电力传动专业领域较为热门的研究课题，即利用电力电子器件实现电压等级的精确变换。与基于电磁感应原理的传统变压器不同，直流变压器不仅可以进行直流到直流的电压变换，还能够通过扩展AC/DC、DC/AC模块实现交流到交流的电压变换。

4)实时交通路况和天气预报技术。实时交通信息除包括城市道路拥堵情况外，还应该包括整个区域的交通状况，路面的维修情况，路面情况等。实时天气不仅指当年某个市或县当天的天气预报，还应包括即将发生或者已经发生的灾害性气象，出行目的地的天气状况等，具备动态的交通和天气状况，才能为客货运输、交通出行带来很大方便。

本文提出了一种远程无源传感系统,该系统包含拉曼放大器和掺铒光纤激光器,具有低阈值功率和高信噪比的特点。该远程无源传感系统只包含一个用于分布式拉曼放大的泵浦源而不需要任何其他宽带光源作为传感信号。拉曼泵浦源的剩余泵浦功率用作掺铒光纤激光器的泵浦源对掺铒光纤进行放大,产生出的激光信号作为传感信号,同时拉曼泵浦源又对产生的激光传感信号进行分布式放大。当传感光纤50 km时,140 mW低泵浦功率就可以得到信噪比大于50 dB的传感信号。当传感光纤75 km时,500 mW泵浦功率可以得到信噪比大于40 dB的传感信号。

拉丁舞是体育与舞蹈的结合，其表现形式既与其它舞蹈有相同之处，又具有自己独特的风格。拉丁舞包括缠绵浪漫、柔媚抒情的伦巴，活泼欢快、诙谐有趣的恰恰，摇曳摆颤、热情奔放的桑巴，刚健英武、澎湃激昂的斗牛舞和舞步轻盈、风趣幽默的牛仔舞共五个舞种。

目前直流变压器拓扑结构有多种，在中低压、不考虑隔离领域，一般直接采用DC/DC的直流电压变换电路；在中高压须考虑隔离领域，一般采用DC/AC、AC/DC中间添加中高频变压器的组合，如图5所示。

图5 直流变压器结构示意图
Fig.5 Schematic diagram of DC transformer structure

由图5可知，H桥为DC/AC、AC/DC换流器，具备双向变换的能力，以便根据需求实现直流电压的升压或降压，扩展出各直流电压等级的直流母线，从而构成整个直流配电系统。在直流电源、负载的接入方面，DC/DC电路同样作为接口进行应用。

2.3 控保策略

类比高压直流输电系统，直流配电系统的控制保护系统同样需采用分层设计的原则，以提高系统运行的可靠性，主要可分为：优化调度控制层、集中控制层、分散自律控制层和物理层，如图6所示。

SPF(Specific pathogen free，无特定病原体级)小鼠，体重18～22 g，雄性，购于辽宁中医药大学实验动物中心。

图6 直流配电控制系统结构示意图
Fig.6 Schematic diagram of DC power distribution control system

由图6可知，优化调度控制层等同于高压直流输电系统的调度级控制，属于分钟级控制，主要作用是实现交直流混合配电系统的调度、潮流分布的优化；集中控制层等同于高压直流输电系统中的系统级控制，属于控秒级控制，主要作用是根据调度层指令选定直流配电系统中各换流器的工作模式、系统运行方式，并实时监测电网运行信息，根据需要改变换流器功率和电压参考值，必要时改变运行方式，实现系统内各换流器的功率优化分配、电压恢复控制等；分散自律控制层等同于高压直流输电系统中的换流器级控制，属于毫秒级控制，主要作用是根据集中控制层指令实现直流配电系统中各换流器的控制、工作模式的切换等，目前在直流配电系统中，主流的换流器控制策略都是基于下垂控制原理，但各换流器间必须实现通讯，通过总控单元实现各换流器间的协调，离理想中的即插即用尚有一段距离。

相比于控制系统可以参考高压直流输电系统进行设计，在直流配电保护策略制定方面，则需要根据系统典型故障及其相互转换关系进行针对性配置。

在直流配电中，可以预见的典型故障有：过负荷、过电压、绝缘下降、交串直、直流环网、短路、断线、接地8种故障，其相互转换关系如图7所示。其中直流环网指的是两个或多个直流电源直接并联形成环网结构，造成电源间内部的环流、放电，不利于一次设备的绝缘和电源的使用寿命。

针对上述典型故障及其相互间的转换关系，目前主流的保护措施较为简单、粗放，比如：快速熔断器、功率二极管防反、空气开关等等，仅针对直流电的特点进行配置，完全没有相互配合关系。未来，直流配电保护系统的发展势必将与交流保护类似，朝着微机化、配合化、冗余化方向发展。

3 直流配电发展现状

目前，中国许多科研机构、高校、企业都开展了直流配电的物理模型或示范工程的建设工作。较典型的有许继园区交直流互联配电示范项目、张北小二台柔性变电站示范工程、浙江上虞交直流微电网示范工程、山东电科院智能电网三端直流配电系统。

图7直流配电系统典型故障关系示意图
Fig.7 Diagram of typical fault relations in DCpower distribution systems

图8 许继园区交直流互联配电示范项目
Fig.8 Xuji Park AC and DC interconnect power distribution demonstration project

以许继园区交直流互联配电示范项目为例，如图8所示，该项目是许继集团基于自己产业园区的供电可靠性需要，应用直流配电技术规划设计的一项基于交流网架的交直流混合配电系统。该项目不仅实现了交直流配电环网，而且以MMC拓扑为基础构建了交流多端柔直互联，在设备方面，采用了能量路由器、直流变压器、直流断路器、潮流控制器等多种新型电力电子装置，使整套系统分成多条电压等级直流母线，有效提高了系统的运行可靠性。

从科研角度看，该项目采用了目前国标中所推荐的典型直流电压等级±10 kV、±380 V，覆盖了中低压配电，并且包含了直流配电拓扑结构中辐射式、环网式，通过控制直流断路器合分还能够构造两端式、多端式，基于该项目可以开展柔性直流环网技术、交直流环网控制保护技术，以及交直流供电模式能效对比等方面的研究。

3.1 研究现状

与高压直流输电技术的发展应用类似，直流配电技术的研究应用尚处于初级阶段，故以交直流混合为基础，即基于交流配电系统发展直流配电，保证交流网架结构的不变，利用直流配电的技术优势对交流系统进行扩展和优化。

但家规是清楚的，懂事起他就熟背“家规三字经”，其中一段就是“……父母亡，亲友痛，长子在，须扶棺，尽孝心，立纲伦……”假如他不回家奔丧，这殡就出不了。但也有一种情况可以例外，假如他战死了，二弟就可以继位，替他扶棺出殡。但仗打了三天三夜，他孔老一连皮毛都没擦破一块。

直流配电技术的研究尚在起步但发展迅速，首先在电压等级方面已经发布了相关国家标准、团体标准，明确了电压等级的范围、电压等级的划分，其次在拓扑结构方面已经总结并公认了3种典型方案，再次在关键设备方面已经明确了直流配电系统为达到功能、性能目标而需要的电力电子装置，并出现了能够实现工程应用的成熟产品，而在控制保护策略方面，通过借鉴高压直流输电系统方案也出台了具有直流配电针对性的方案。

另外，在国家层面，直流配电同样也列入了重点科研计划中，如2018年国家重点专项——大规模可再生能源并网消纳子课题：分布式光伏多端口接入直流配电系统关键技术和装备（共性关键技术类）。

3.2 重点方向

作为一项新兴技术，直流配电还有许多方面需要进一步研究，现阶段，直流配电须重点突破的方向有以下几点：

探头置于不同位置，声束的截面随着声束入射点至缺陷处的弧长而变化，调整相控阵探头位置及声束绘制的角度，使声束覆盖缺陷的最佳位置，采用超声耦合剂进行无缝粘结，再进行聚焦延迟校准、灵敏度校准和DAC曲线校准等，以提高检测的准确性与适用性。A、B处的人工缺陷定位结果如图14、图15。

（1）交直流电源、负载的协调控制和管理

由于直流配电技术提出的初衷是大幅提高分布式电源的消纳能力和效率，而且需要依托目前成熟的交流网架开展研究应用，因此交直流分布式电源、负载的协调控制和管理方案是现阶段调度层面暨需考虑的问题。

另外，协调控制和管理的好坏直接关系到整套直流配电系统运行情况，最直接的表现就是交直流电压控制效果，扩展开来就是系统电能质量的问题。

（2）电力电子设备的开发、控制

由于直流配电系统中存在多种类型的电力电子设备，如换流器、直流变压器、直流断路器、能量路由器等，如何开发出有效、可靠、经济的设备是现阶段在硬件层面的首要问题，然后如何根据各设备自身的用途，以及系统的运行要求，制定各设备的控制策略、控制方法也是硬件层面暨需研究的课题。

（3）直流配电的保护方案

不同的直流配电拓扑结构有不同的应用侧重点，也需要不同的保护配置方案。首先需要研究故障诊断的有效手段和判据，然后基于此再根据直流配电系统结构特点，划分合理的保护分区，给出保护配置方案。同时，还需要有效利用电力电子器件的高度可控性，在设备级实现对故障电流的限制。

4 结语

近年来直流配电技术在中国已经取得了一定的发展，从科研机构、高校到企业都已经开始在该技术领域结合自身的需求和优势进行了研究和布局。虽然总体而言，中国直流配电技术的研究尚处于初级阶段，仅在直流电压等级方面发布了相关技术标准规范，但在世界范围内属于领先地位，随着今后结合直流微电网工程应用、交直流混合配电工程应用的日益增多和推广，可以预见中国直流配电技术的研究及应用将取得长足发展。

［参考文献］（References）

［1］ 杨志淳，张俊，沈煜，等.湖北配电自动化建设相关问题研究［J］.湖北电力，2015，39（02）：47-51.YANG Zhichun，ZHANG Jun，SHEN Yu，et al.Research on issues of Hubei distribution automation construction［J］.Hubei Electric Power，2015，39（02）：47-51.

［2］ 雷杨，汪文超，宿磊，等.湖北配电网馈线自动化部署方案研究［J］.湖北电力，2017，41（11）：39-43.LEI Yang，WANG Wenchao，SU Lei，et al.Research on feeder automation and its application in Hubei［J］.Hubei Electric Power，2017，41（11）：39-43.

［3］ 赵畹君，曾南超.中国直流输电发展历程［M］.北京：中国电力出版社，2017.ZHAO Wanjun，ZENG Nanchao.Development history of HVDC in China.［M］.Beijing：China Electric Power Press，2017.

［4］ 徐政.柔性直流输电系统（第2版）［M］.北京：机械工业出版社，2017.XU Zheng.Flexible HVDC transmission system（Second Edition）［M］.Beijing：China Machine press，2017.

［5］ 胡斌，胡羽川，钱一民.光伏并网电能质量水平及数据异常分析［J］.湖北电力，2017，41（12）：33-36.HU Bin，HU Yuchuan，QIAN Yimin.Analysis on PV grid-connected power quality level and data abnormity［J］.Hubei Electric Power，2017，41（12）：33-36.

［6］ 胡羽川，丁凯，舒欣，等.风电场规划阶段电能质量评估方法研究［J］.湖北电力，2016，40（08）：1-4.HU Yuchuan，DING Kai，SHU Xin，et al.Evaluation for power quality of wind power in planning stage［J］.Hubei Electric Power，2016，40（08）：1-4.

［7］ 曾嵘，赵宇明，赵彪，等.直流配用电关键技术研究与应用展望［J］.中国电机工程学报，2018，38（23）：6791-6801，7114.ZENG Rong，ZHAO Yuming，ZHAO Biao，et al.A prospective look on research and application of DC power distribution technology［J］.Proceedings of the CSEE，2018，38（23）：6791-6801，7114.

［8］ 陈堃，胡伟，肖繁，等.高压直流输电系统典型闭锁事件分析［J］.湖北电力，2017，41（11）：24-27，47.CHEN Kun，HU Wei，XIAO Fan，et al.Analysis of one typical blocking fault in HVDC transmission system［J］.Hubei Electric Power，2017，41（11）：24-27，47.

［9］ 陈堃，宋宇，代维谦，等.高压直流输电技术发展及其工程应用［J］.湖北电力，2018，42（04）：1-6.CHEN Kun，SONG Yu，DAI Weiqian，et al.Development and engineering application of HVDC transmission technology［J］.Hubei Electric Power，2018，42（04）：1-6.

［10］ 曾丹，姚建国，杨胜春，等.柔性直流输电不同电压等级的经济性比较［J］.电力系统自动化，2011，35（20）：98-102.ZENG Dan，YAO Jianguo，YANG Shengchun，et al.Economy comparison of VSC-HVDC with different voltage levels［J］.Automation of Electric Power Systems，2011，35（20）：98-102.

［11］ 安德森，福阿德.电力系统控制与稳定（第二版）［M］.北京：电子工业出版社，2012.P.M Anderson，A.A Fouad.Power system control and stability（Second Edition）［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2012.

［12］ 宋强，饶宏.柔性直流输电换流器的分析与设计［M］.北京：清华大学出版社，2015.SONG Qiang，RAO Hong.Analysis and design of the converters in vsc-hvdc system［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2015.