第1章
绪论

1.1 直流变压器背景概述

自20世纪末以来，为了应对化石能源过度消费、温室气体排放引发的气候变暖、极端天气频发等一系列全球性环境问题，世界各国达成了控制碳排放、实现经济绿色可持续发展的共识，如芬兰、瑞典、冰岛与日本等发达国家，已明确在2035～2050年前实现净零排放，而我国也提出了在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标[1]。为了实现“双碳”目标、推动社会与经济的绿色低碳转型，我国大力发展光伏、风电等可再生清洁能源，积极构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系，且已经取得初步成效。图1.1所示为我国近10年的发电量数据[2]，水电、风电、光伏等可再生能源在发电总量中的占比逐年攀升，其中，在2020年可再生能源发电量已达2.45万亿kW·h，占发电总量的31.5%。

然而，随着大量分布式风电、光伏接入现有交流配电系统，可再生能源发电的随机性、间歇性对交流配电系统的运行造成了一定冲击，而且高渗透率分布式新能源的接入，使得配电网潮流由传统的单向传输变为双向流动，易引发线路容量过载、电压越限，弃光、弃风现象也时有发生。另一方面，随着经济的发展及电力电子技术的突破，负荷结构与用电需求呈现多样化趋势，电动汽车、数据中心、各类变频设备等直流负荷大量涌现，终端用户对高可靠性、高质量电力需求越发强烈。

在此背景下，传统交流配电网暴露出线路走廊紧张、供电容量不足、供电半径较短、电能质量难以保障等问题，且对直流负荷兼容性差、分布式新能源消纳能力不足。因而，人们逐渐将目光聚焦于直流配电技术，相比于传统交流配电技术，其具有供电容量更大、方便灵活接入各类直流负荷与分布式新能源的特点。国外对直流配电系统的研究开始较早，2008年美国北卡莱罗纳州立大学提出了基于分布式能源与储能的未来可再生电能传输管理（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management，FREEDM）系统[3]，该系统采用12kV中压交流母线作为主要配电线路，通过能量路由器（或称作电力电子变压器）产生400V低压直流母线与120V低压交流母线的即插即用接口，并基于开放标准的操作系统，协调各能量路由器，从而实现电能管理。日本仙台[4]、韩国巨次岛[5]等地也陆续建立了真双极低压直流配电系统，进一步探索了直流配电方式实际应用的可行性。目前，国外直流配电示范工程主要集中于直流楼宇、海岛电力系统等低压、小功率特定场景。我国在直流配电系统方面的研究起步较晚，但已有多个中低压直流配电示范工程建成投运或在建，如贵州中压五端柔性直流配电系统[6]、杭州江东新城智能柔性直流配电系统[7]、珠海唐家湾直流配电系统[8]、苏州中低压直流配电系统[9]等示范工程。区别于国外各直流配电应用，国内示范工程旨在探索工业园区等区域性配电系统直流化的可行性与经济性，解决城市供电与分布式发电结合的实际问题。

目前，中低压直流配电技术尚不完善，在未来较长一段时间内都需依托于现有交流配电网。典型中低压直流配电系统结构如图1.2所示，由AC/DC换流器或电力电子变压器连接交流配电网与中压直流母线，并采用直流断路器与联络开关对直流母线进行分段。通过直流变压器（DC Transformer，DCT）将中压直流电压转换为低压直流电压，或通过电力电子变压器连接低压直流母线，以连接分布式光伏、交直流负荷与储能电池等。大容量集中式光伏电站或风机则通过大功率单向DC/DC变换器连接中压直流母线。中压直流母线电压等级通常包含3kV、10kV、35kV等，而低压直流母线电压等级通常有110V、375V、750V、1500V等[10]。其中，直流变压器作为连接中、低压直流母线的关键设备，需承担母线电压控制、不同母线间的电气隔离、双向潮流调度、故障阻断等功能的一种或几种。另一方面，直流变压器还作为电力电子变压器中DC/DC级，实现电压变换与电气隔离的作用[11]。但目前受限于半导体器件与高频磁性元件的技术水平，现有直流变压器存在体积庞大、成本高昂的问题，变换效率与可靠性亦难以与传统交流配电网中的工频变压器相比，这间接阻碍了直流配电网的进一步推广与应用。而城市配电系统作为直流配电技术未来应用的可能场景之一，用地紧张的问题也对直流变压器的体积、功率密度提出了更高要求。因此，针对高功率密度型直流变压器关键技术的研究具有重要的学术意义与工程应用价值。