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11课题背景、目的和意义1.1课题背景早在输配电系统产生之时，人们就将目光锁定于直流，但由于早期直流输配电电压水平低、输送容量小等因素的制约以及交流系统的优越性使直流配电系统停滞不前。20世纪末，随着直流供电技术的发展，尤其是电力半导体技术的发展，直流供电技术和直流电器产品克服了原有缺点，并在某些领域重新取得了技术经济优势。近年来高压直流输电技术广泛应用于电力系统中，换流器、滤波器、断路器等各方面发展较为成熟，低压直流配电技术也逐渐受到国外学者的关注。这对直流配电网的建设有着很好的借鉴作用和有力的技术支持[1]。1.2课题研究的目的和意义随着新能源、新材料、信息技术和电力电子技术的长足发展和广泛应用，用户对用电需求、电能质量及供电可靠性等要求不断提高，现有交流配电网将面临分布式新能源（电源）接入，负荷和用电需求多样化、潮流均衡协调控制复杂化，以及电能供应稳定性、高效性、经济性等方面的巨大挑战。风电、光伏发电、燃料电池、以及电动汽车动力电池、超级电容器等各种储能装置基本上都是直流电（或采用直流电技术）,必须通过DC/AC换流器才能并入交流配电网；众多办公与家用电器设备采用直流供电实际上更为方便、节能；越来越多的工业负荷采用变频技术以提高电能利用效率。另外，国内数十年来由于城市规划与电力系统规划工作的相互分离，形成了与负荷发展要求不相应的配电网结构，使配电网的规划、发展及供电质量越来越不适应城市发展的需求。总之，传统的配电网结构与配（供）电方式已越来越不能满足快速发展的经济社会对其提出的更加环保、更加安全可靠、更加优质经济、支持分布式电源接入，以及用户与电网双向互动等诸多要求。国外研究资料表明，基于直流的配电网在输送容量、可控性及提高供电质量等方面具有比交流更好的性能，可以有效提高电能质量、减少电力电子换流器的使用、降低电能损耗和运行成本、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[2]。2课题国内外基本研究概况2.1直流配电在国外的研究现状与发展相比交流配电网，直流配电网以其强大的节能优势具有巨大的发展前景。目前，一些国家已经纷纷开展了直流配电网的研究，提出了各自的直流配电网概念和发展目标。下面列举几个具有代表意义的结构方案进行介绍[3]。22.1.1美国的直流配电网研究2010年，美国弗吉尼亚理工大学CPES中心提出了“SustainableBuildingandNanogrids（SBN）”研究计划，其典型结构如图1所示。整个系统具有2个电压等级的直流母线DC380V和DC48V，分别给不同等级的负载供电。DC380V母线主要是为了匹配工业标准的直流电压等级，它依靠前端整流器和功率因数校正（powerfactorcorrection，PFC）电路接入主电网。DC48V母线主要是为了匹配通信标准的直流电压等级，它依靠DC/DC变换器与DC380V母线连接。在SBN研究的基础上，结合高压直流输电的发展，CPES还提出了交直流配电分层连接的混合配电系统结构，如图2所示。在该结构中，交流配电网和直流配电网是同时存在的，并采用分层的结构组成了一个交直流混合的配电网络。图1CPES中心提出的直流配电系统结构3图2CPES中心提出的交直流混合配电系统结构2.1.2日本的直流配电网研究2004年，日本东京工业大学等机构实现了一套10kW直流配电系统样机[13]。在上述研究的基础上，日本大阪大学于2006年提出了一种双极结构的直流微电网系统，如图4[14-15]所示。230V交流电由降压变压器从6.6kV配电网直接获得，然后通过双向整流器变换为±170V直流电压。一个燃气轮机通过背靠背变换器直接连接到230V交流电，蓄电池和超级电容等储能设备以及光伏电池等分布式电源均通过DC-DC变换器连接到直流母线。4图3具有双电极的直流配电系统结构2.1.3欧洲的直流配电网研究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直流配电系统结构，如图5所示。该系统不仅可以利用光伏发电和风力发电产生的电能，还可以由沼气等产生生物能供电。另外，自2008年以来，英国、瑞士及意大利等国开展一项名为UNIFLEX（UniversalandFlexiblePowerManagement）的研究项目，重点研究通过新型功率变换技术适应未来有大量分布式电源接入的欧洲电网的功率流动管理。图4带有交替供电电源的直流配电系统结构52.1.4直流配电在国内的研究现状与发展直流配电自身存在线路造价低、输电损耗小、可靠性高及环保等优势。另外，直流配电还可以减少分布式发电系统及直流负荷接入电网的中间环节，进而降低接入成本，提高功率转换效率和电能质量。直流配电网的这些特点完全符合中国电力的发展需求和方向。自2009年开始，国内相关单位逐步对直流配电网展开了相关研究。清华大学在国家自然科学基金项目中提出了基于高频隔离和公共直流母线的电池储能电网接入系统，该项目的侧重点在于研究用于直流配电系统中的新一代功率变换技术，包括新一代功率器件应用以及高频隔离变换技术等。另外，2012年，中国还以深圳供电局为主成立了城市电网先进技术研究中心，计划于2012年至2015年建立柔性直流配电技术实验室，并实施柔性直流配电相关关键技术的研究[3]。综上所述，目前关于直流配电技术的研究主要集中在一些特殊领域，针对的对象主要是配电系统最末端的低压供电系统，或者是与交流配电网配合运行供电。真正从电力系统角度出发对直流配电技术进行的研究无论是在深度上还是广度上均有限，特别是在直流配电保护的问题上还存在很多挑战。本课题就是要在保护这方面进行一些研究，探讨可行、通用的保护方案。3课题研究内容、研究路线及方案3.1课题研究内容3.1.1了解国内外直流配电网运行及其保护的研究及发展现状（见2）3.1.2学习直流配电的基本知识直流配电技术是指在配电网中采用直流制为主导的电能输送技术，主要应用了电力电子设备。利用传统能源发出的电能首先输送到交流电网上。交流配电网通过AC/DC变换接入直流配电网，同样，直流配电网通过DC/AC变换与交流配电网相连。近年来，出于能源危机和环境保护的考虑，很多分布式电源得到发展，这些电源发出的电能有直流有交流，但要并入交流电网都需要经过转换，若是广泛采用直流配电网，那么就无需最后的DC/AC转换环节。同样，现在用户负荷有很多是利用直流驱动的，直流配电网可直接为它们供电。对于需要变频或是有很高供电可靠性的负荷，直流配电网也是也可省略AC/DC变换，减少消耗[3]。3.1.3学习直流保护的基本原理在直流配电网的保护技术的研究中，目前主要吸取了交流配网保护技术的经验。关于直流配电网保护技术的研究方向主要包括直流配电网的保护设备、直流配电网的接地方式、直流配电网的故障诊断与处理方法等[3]。3.1.4研究直流配电网运行特性总的来说，直流配电网具有供电容量大、线路损耗小、电能质量好、无需无功补偿以及适于各类电源和负载接入等优（特）点。6经研究计算表明，在线路建造费用及占用走廊宽度相同时，采用直流配电能够有效提高供电容量或供电半径。直流配电网实现分布式储能的技术难度与交流配电网比相对较低，在解决一定的技术问题后，可有效解决电压闪变等电能质量问题。此外，柔性直流配电网中的换流器不需要交流侧提供无功功率，在灵活地发出或吸收无功功率的同时，还可起到静止无功补偿器（STATCOM）的作用，动态补偿交流母线和用户负载的无功功率，并稳定交流母线和用户侧交流电压。考虑交流电缆金属护套涡流造成的有功损耗和交流系统的无功损耗，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%。直流配电网采用大量电力电子设备，因此通态损耗和开关损耗较大，其效率约为85%~95%，亦即换流器和直流变压器的电能转换效率低于交流变压器。但是，直流配电网的线损远低于交流配电网。目前研究证明，交直流混合配电网和直流配电网的总体效率与交流配电网相差不大，但随着电力电子技术与器件的发展，其换流器的通态损耗与开关损耗不断降低，直流配电网的总体效率仍存在上升的空间。相对交流配电网而言，直流配电网更便于超级电容、蓄电池等储能装置的接入，从而提高其供电可靠性与故障穿越能力。未来的配电网应能够接纳风能、太阳能等新能源发电的大规模、分布式并网。在直流配电网情况下，实现分布式新能源并网发电及储能等的接口设备与控制技术相对要简单得多[2]。现代以及将来的直流配电网会以微电网为主要运行方式，交流微电网相比，直流微电网不需要对电压的相位和频率进行跟踪，可控性和可靠性进一步提高，因而更加适合分布式电源和负载的接入[3]。3.1.5研究直流配电保护方案直流配电保护主要涉及3个方面的内容：①开关设备；②系统接地；③继电保护系统[4]。开关设备主要是直流断路器。与交流电不同，直流电不存在自然过零点，因此，开断直流电路相比交流电路要困难，这也给高压大容量直流断路器的研制带来了困难[4]。目前，对于直流断路器的开断方法主要有增大电弧电压法、分段串接入限流电阻法、磁场控制气体放电管断流法、迭加振荡电流法、电流转移法等[3]。在直流配电系统中，可以采用不接地、高阻接地和低阻接地等方式；大地也可以与两电极中的一极或者变换器和电池的中性点连接。在图8（a）所示的TN-S接地方式中，变换器和电池的中性点连接到大地（T），并通过一条单独的线路将大地（T）、中性点（N）和保护线（PE）连接。当接地故障发生时，会有较大的故障电流和电压暂变现象，这会影响连接在故障电极上的其他负载运行，但不会影响另一电极上的负载。该接地方式故障容易检测并快速清除。在图8（b）所示的IT接地方式中，系统正电极和保护线均经过高阻抗（I）连接到大地（I）。相比负电极，正电极与大地连接可以减小电腐蚀的效应。当接地故障发生时，会有较小的故障电流和电压暂变现象。单故障发生时，可以保证负载的稳定运行，但由于接地故障会改变极地电压，进而会影响敏感负荷的运行。该方式由于故障电流小，故障检测困难，并且负载的金属外壳可能会带电[3]。7图5直流配电网接地方式在直流配电网中，根据故障类型的不同可以分为极间故障和接地故障；根据故障位置的不同可以分为母线故障和支路故障。不同的故障具有不同的保护等级，进而处理方法也不同。因此，需研究新型的保护理论，以保证直流配电网正常并网运行时，内部电气设备发生故障和故障切除后直流配电系统仍能安全稳定地运行；另外，配电系统上层发生故障时，应在可靠定位与切除故障的前提下确保直流微电网与主网解列后仍能继续可靠运行[3]。3.2课题研究路线及方案从前文可知，虽然目前已对直流配电网做了许多研究，但无论从广度还是深度上来看都是不够的，许多理论和技术还不成熟，尤其是保护系统和保护方案的设计。本课题的研究总路线就是，在充分学习直流配电知识的基础上，在充分了解已有的直流配电保护方案的基础上，借鉴高压直流输电系统和交流配电系统保护的做法，分析有哪些可能的直流配电系统结构，以及各结构会有哪些典型故障，并提出一套具有一般性的直流配电保护方案。具体步骤为：提出模型——找出故障——设计保护。从国外直流配电网的发展来看，已在使用的直流配电网有如下特点：交直流混合、适应分布式电源、用于特殊领域。从直流配电网的拓扑结构来看，主要有辐射型、环型和网状型3种。而根据直流系统中DC/AC变换器位置的不同，可分为类似于高压直流输电的直流配电系统和辐射型直流配电系统（如图7所示），它们分别适用于电源和负荷均比较集中的情况和电源和负荷均比较分散的情况[4]。8图6两种典型直流配电系统的结构想要配置保护，设计保护方案，首先得了解直流配电网中可能发生哪些故障。直流微电网中可能的故障类型有极间故障和极对地故障。故障的位置可能出现在总线（母线）上也可能在馈线（支路）上。所以具体来说，有总线故障、馈线故障和接地故障。图7是直流微电网（现代直流配电网的主要运行方式）的一种接线方式，已用F1-F4标出了可能的故障。F1是发生在总线上的正负极短路故障，F2是正极对地的短路故障。F3和F4是相似的故