1. 直流配电网的特点与优势
1.1 传输容量大
在同样的线路建造费用或走廊空间的情况下，直流输电的容量是交流输电的1.5倍。 同时，直流导线截面电流密度处处相同，不存在交流输电的集肤效应，导线截面利用充分，降低了线路损耗，提高了传输效率。
1.2 电能质量高
在交流配电网中，电能质量问题将会对半导体芯片制造等高新行业的产品质量造成严重的影响，特别是冲击性负荷接入时造成的电压骤降等问题。在直流配电网中，随着分布式储能装置的接入，直流电网将会更加稳定，有效地解决电压闪变等问题。同时，直流配电网中的变流器还能起到静止无功补偿器的作用，补偿无功功率，稳定交流侧电压。
1.3 系统稳定性好
直流配电网不存在交流电网的频率稳定和无功功率的问题，同时线路中没有电抗的存在，直流配电网中电力电子装置具有故障隔离的能力，分布式储能的接入，也提高了配电网的故障穿越能力。相对于交流系统，直流系统在稳定性方面更有优势。
1.4 便于分布式能源接入
大量的风能、太阳能、储能等分布式可再生能源将会通过配电网并网发电，采用直流配电网，可再生分布式能源以及储能设备的接入得到简化。同时，电动汽车、服务器等基于直流供电的多样性负荷也便于从直流配电网取电，从而省略了接口变流器，提高了效率。
2. 电力电子设备对直流配电网可靠性的影响
影响交流配网可靠性的因素有很多，如设备故障、线路故障、电网结构不合理、缺乏运行维护以及环境问题等。这些因素同样会影响直流配电网可靠性，为突出直流配电网中的特殊情况，本文着重研究器件冗余和设备冗余的影响、区分功能故障和绝缘故障的影响以及直流断路器配置不同的影响。
2.1 器件冗余对设备故障率的影响
现阶段半导体故障率较高，一般采用冗余设计来降低设备故障率。首先分析直流系统中VSC换流器和直流变压器的器件冗余对故障率的影响。
2.1.1 器件冗余对VSC换流器故障率的影响
如果采用单模块1700V的IGBT，考虑裕度为30%的情况下，VSC每个桥臂至少需要7个半桥子模块。VSC换流器的子模块采用不同的冗余度，对VSC故障率的影响不同。半桥子模块不存在冗余的情况下，VSC换流器的故障率较高。半桥子模块的冗余设计可以有效降低VSC的故障率，但随着冗余个数的增多，故障率下降的趋势渐缓。
2.1.2 器件冗余对直流变压器故障率的影响
如果采用单模块1700V的IGBT，考虑裕度为30%的情况下，直流变压器至少需要13个子模块并联，则DCSST的可靠性评价模型至少为13个DAB可靠性评价模型串联。同样，直流变压器的DAB模块可能存在冗余设计，计算可得直流变压器故障率随DAB个数增长而变化。具体来说，DAB不存在冗余或冗余个数较少时，直流变压器的故障率较大。随着DAB冗余个数的增多，直流变压器的故障率逐渐降低，但下降趋势渐缓。
2.2 器件冗余和设备冗余对系统可靠性的影响
当设备发生功能故障时，可通过隔离开关直接将故障隔离开，因此功能故障只有在设备属于故障修复域时才会导致负荷停运；当设备发生绝缘故障时，需要跳开上游断路器再将故障隔离，因此绝缘故障不管设备属于故障修复域还是属于隔离恢复域都会导致负荷停运。不区分功能故障和绝缘故障时，设备一旦故障便默认为要跳开上游断路器。因此，可将关键设备的故障率分为功能故障率和绝缘故障率。
2.2.1 直流变压器冗余对系统可靠性的影响
由2.1.2可知，直流变压器器件冗余可有效降低其故障率，为分析直流变压器冗余对系统可靠性的影响，对简单直流配电系统进行可靠性评估，其中，VSC换流器半桥子模块个数设为12 个。变压器采用不同冗余模式情况下，系统不可用率随DAB个数增长而变化，其中，CASEI表示变压器并联运行的模式，CASEⅡ表示变压器单个运行的模式。若直流变压器DAB部分不考虑冗余，则会导致系统不可用率较高；随着DAB冗余增多，系统不可用率逐渐下降且下降趋势渐缓；直流变压器采取并联运行模式，可有效降低系统的不可用率，且能在直流配电网中实现；不考虑DAB冗余，仅变压器并联运行比DAB考虑一倍冗余的系统不可用率低，说明设备冗余比器件冗余对提高系统可靠性的效果更好；变压器并联运行的情况下，DAB是否存在冗余对系统的不可用率影响较小。
2.2.2 VSC 半桥子模块冗余对系统可靠性的影响
由 2.1.1 可知，VSC换流器半桥子模块冗余可有效降低其故障率，为分析VSC半桥子模块冗余对系统可靠性的影响，对简单直流配电系统进行可靠性评估。其中，直流变压器采用 DAB不冗余的并联运行模式。计算可得直流配电系统不可用率 ASUI 随着半桥子模块个数增长而变化。随着VSC半桥子模块个数的增加，直流配电网的ASUI减小，可靠性得到提高。但ASUI下降幅度随着子模块个数的不断增多逐渐变小。
2.3 开关配置对系统可靠性的影响
考虑到直流断路器的技术经济指标还未达到大规模使用的标准，为使直流配电网工程的造价保持较好的性价比，可以考虑仅在电源出口处装设直流断路器，采用直流断路器和负荷开关结合使用的方法来开断故障。
2.4 故障模式对系统可靠性的影响
（1）在直流配电网配备有大量直流断路器的情况下，是否区分功能故障和绝缘故障对系统的可靠性影响不明显。主要因为大量的直流断路器使得每个负荷的隔离恢复域都较小，而故障修复域中的设备是否区分功能故障和绝缘故障对负荷而言是没有区别的。
（2）减少直流断路器后，系统的平均停电频率上升了，系统平均停电持续时间增大了，系统的可用率下降了。主要是因为仅电源端配备直流断路器的配电网中任何设备故障都要跳开两端直流断路器，必然导致负荷的故障率上升，从而降低了系统的可靠性。
（3）如果不区分功能故障和绝缘故障，隔离恢复域中的功能故障也默认为需要跳开上游断路器，即导致负荷停运，而实际运行中只有故障修复域中的功能故障会导致负荷停运。因此，必然导致可靠性评估结果与实际情况不相符。
（4）直流断路器和负荷开关结合开断故障时，评估结果中，区分功能故障和绝缘故障系统平均停电频率较低、系统平均停电持续时间较短且系统可用率较高。主要因为断路器的减少使得负荷的隔离恢复域变大，而隔离恢复域中的功能故障不会导致负荷停运。
结束语
综上所述，适当提高设备阀的冗余度，可有效提高设备的可靠性；但随着冗余个数的增多，对可靠性的改善是有限的。直流配电系统中，采用设备级冗余比器件级冗余对提高系统可靠性效果更好。当配电网中断路器较少时，评估配电网可靠性时需要将功能故障和绝缘故障分开讨论，这样才能得到更准确的结果。
参考文献：
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