第1章
緒論

1.1 直流變壓器背景概述

自20世紀末以來，為了應對化石能源過度消費、溫室氣體排放引發的氣候變暖、極端天氣頻發等一系列全球性環境問題，世界各國達成了控制碳排放、實現經濟綠色可持續發展的共識，如芬蘭、瑞典、冰島與日本等發達國家，已明確在2035～2050年前實現凈零排放，而我國也提出了在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標[1]。為了實現“雙碳”目標、推動社會與經濟的綠色低碳轉型，我國大力發展光伏、風電等可再生清潔能源，積極構建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，且已經取得初步成效。圖1.1所示為我國近10年的發電量數據[2]，水電、風電、光伏等可再生能源在發電總量中的占比逐年攀升，其中，在2020年可再生能源發電量已達2.45萬億kW·h，占發電總量的31.5%。

圖1.1 2011～2020年我國發電量構成（單位：萬億kW·h）

然而，隨著大量分布式風電、光伏接入現有交流配電系統，可再生能源發電的隨機性、間歇性對交流配電系統的運行造成了一定沖擊，而且高滲透率分布式新能源的接入，使得配電網潮流由傳統的單向傳輸變為雙向流動，易引發線路容量過載、電壓越限，棄光、棄風現象也時有發生。另一方面，隨著經濟的發展及電力電子技術的突破，負荷結構與用電需求呈現多樣化趨勢，電動汽車、數據中心、各類變頻設備等直流負荷大量涌現，終端用戶對高可靠性、高質量電力需求越發強烈。

在此背景下，傳統交流配電網暴露出線路走廊緊張、供電容量不足、供電半徑較短、電能質量難以保障等問題，且對直流負荷兼容性差、分布式新能源消納能力不足。因而，人們逐漸將目光聚焦于直流配電技術，相比于傳統交流配電技術，其具有供電容量更大、方便靈活接入各類直流負荷與分布式新能源的特點。國外對直流配電系統的研究開始較早，2008年美國北卡萊羅納州立大學提出了基于分布式能源與儲能的未來可再生電能傳輸管理（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management，FREEDM）系統[3]，該系統采用12kV中壓交流母線作為主要配電線路，通過能量路由器（或稱作電力電子變壓器）產生400V低壓直流母線與120V低壓交流母線的即插即用接口，并基于開放標準的操作系統，協調各能量路由器，從而實現電能管理。日本仙臺[4]、韓國巨次島[5]等地也陸續建立了真雙極低壓直流配電系統，進一步探索了直流配電方式實際應用的可行性。目前，國外直流配電示范工程主要集中于直流樓宇、海島電力系統等低壓、小功率特定場景。我國在直流配電系統方面的研究起步較晚，但已有多個中低壓直流配電示范工程建成投運或在建，如貴州中壓五端柔性直流配電系統[6]、杭州江東新城智能柔性直流配電系統[7]、珠海唐家灣直流配電系統[8]、蘇州中低壓直流配電系統[9]等示范工程。區別于國外各直流配電應用，國內示范工程旨在探索工業園區等區域性配電系統直流化的可行性與經濟性，解決城市供電與分布式發電結合的實際問題。

目前，中低壓直流配電技術尚不完善，在未來較長一段時間內都需依托于現有交流配電網。典型中低壓直流配電系統結構如圖1.2所示，由AC/DC換流器或電力電子變壓器連接交流配電網與中壓直流母線，并采用直流斷路器與聯絡開關對直流母線進行分段。通過直流變壓器（DC Transformer，DCT）將中壓直流電壓轉換為低壓直流電壓，或通過電力電子變壓器連接低壓直流母線，以連接分布式光伏、交直流負荷與儲能電池等。大容量集中式光伏電站或風機則通過大功率單向DC/DC變換器連接中壓直流母線。中壓直流母線電壓等級通常包含3kV、10kV、35kV等，而低壓直流母線電壓等級通常有110V、375V、750V、1500V等[10]。其中，直流變壓器作為連接中、低壓直流母線的關鍵設備，需承擔母線電壓控制、不同母線間的電氣隔離、雙向潮流調度、故障阻斷等功能的一種或幾種。另一方面，直流變壓器還作為電力電子變壓器中DC/DC級，實現電壓變換與電氣隔離的作用[11]。但目前受限于半導體器件與高頻磁性元件的技術水平，現有直流變壓器存在體積龐大、成本高昂的問題，變換效率與可靠性亦難以與傳統交流配電網中的工頻變壓器相比，這間接阻礙了直流配電網的進一步推廣與應用。而城市配電系統作為直流配電技術未來應用的可能場景之一，用地緊張的問題也對直流變壓器的體積、功率密度提出了更高要求。因此，針對高功率密度型直流變壓器關鍵技術的研究具有重要的學術意義與工程應用價值。

圖1.2 典型中低壓直流配電系統結構