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1 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]。
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2.1.1 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“Sustainable Building and Nanogrids（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（power factor correction，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1 CPES中心提出的直流配电系统结构
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图2 CPES 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6.6 kV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。
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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 （Universal and Flexible Power Management）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
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