直流與交流深度融合是新型電力系統(tǒng)重要形態(tài)特征，直流配用電系統(tǒng)具備潮流靈活可控、電壓主動調(diào)節(jié)、電能質(zhì)量綜合治理等功能，可有效支撐新型電力系統(tǒng)構(gòu)建。
一、需求分析
(一)發(fā)展背景
2021年3月15日，中央財經(jīng)委員會第九次會議指出，“十四五”是碳達峰的關(guān)鍵期、窗口期，要構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。
粵港澳大灣區(qū)是中國開放程度最高、經(jīng)濟活力最強的區(qū)域之一，在國家發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位。建設(shè)粵港澳大灣區(qū)，既是新時代推動形成全面開放新格局的新嘗試，也是推動“一國兩制”事業(yè)發(fā)展的新實踐。
(二)技術(shù)需求
隨著碳達峰、碳中和目標提出和新型電力系統(tǒng)建設(shè)，配用電系統(tǒng)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧娔艿氖占鬏敗⒋鎯εc分配等多種功能于一體的新型配電系統(tǒng)，其安全穩(wěn)定運行、可靠供電面臨極大挑戰(zhàn)。
一是用電負荷局部快速增長。出現(xiàn)區(qū)域配電走廊緊張、配變負載率過高、饋線負荷分布不均衡、短路電流超標等問題。二是分布式新能源承載力不足。分布式新能源的快速發(fā)展，引起配用電系統(tǒng)潮流分布不均、線路過壓、變電站潮流反送等問題。三是新型負荷和儲能迅猛發(fā)展。電動汽車等負荷、分布式儲能快速增長，配用電系統(tǒng)功率雙向流動、網(wǎng)絡(luò)阻塞等問題日益突出。四是供電能力不平衡。傳統(tǒng)交流配用電系統(tǒng)“閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行”結(jié)構(gòu)導致配電系統(tǒng)潮流調(diào)控能力不足。五是供電可靠性和供電質(zhì)量要求提升。隨著高精尖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，用戶對于供電可靠性和電能質(zhì)量的要求日益提高。
(三)技術(shù)特征
平穩(wěn)可靠。直流配用電系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)，供電可靠性更高。直流配用電系統(tǒng)通過直流變換器接入交流電網(wǎng)，具備一定的故障穿越和保護能力。交流配用電系統(tǒng)電壓小幅下降時，變換器通過輸出電壓跟蹤調(diào)節(jié)可把輸出電流控制在額定值。
靈活可控。直流配用電系統(tǒng)功率互濟、潮流可控，供電能力更強且方便進行網(wǎng)荷互動。直流互聯(lián)不要求相位、頻率、幅值上的一致性，可實現(xiàn)不同性質(zhì)電源的互聯(lián)，保障負荷轉(zhuǎn)供;直流線路的供電能力約為交流的1.6倍，為高密度、窄通道負荷區(qū)域供電容量的提升提供了有效的解決方案，并可實現(xiàn)網(wǎng)荷靈活控制。
優(yōu)質(zhì)高效。直流配用電系統(tǒng)電能質(zhì)量更優(yōu)、用能效率更高，更利于新能源消納。直流配用電系統(tǒng)中的變換器可靈活動態(tài)補償交流母線和用戶側(cè)的無功功率，穩(wěn)定交流母線和用戶側(cè)交流電壓;可減少交直流變換環(huán)節(jié)，便于分布式新能源及儲能接入，提高能量的綜合傳輸效率，并可為配電網(wǎng)提供一定的支撐能力。
二、發(fā)展現(xiàn)狀
針對傳統(tǒng)配用電系統(tǒng)存在的問題，采用直流配用電系統(tǒng)是一種可行思路。我國已建珠海唐家灣三端柔性直流系統(tǒng)等一批直流配用電示范工程，并取得了較好效果。但是，直流配用電系統(tǒng)和應用場景總體上仍處于方案探討和示范驗證階段，在系統(tǒng)規(guī)劃、控制保護、關(guān)鍵設(shè)備、核心器件等方面仍存在較多的技術(shù)瓶頸，需要電網(wǎng)、科研院所、設(shè)備商、用戶等全產(chǎn)業(yè)鏈共同攻關(guān)突破。
三、核心技術(shù)
直流配用電系統(tǒng)須通過直流變換器實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間以及內(nèi)部各環(huán)節(jié)之間的電壓匹配和能量交互。其中，直流配用電系統(tǒng)的換流和變壓環(huán)節(jié)同樣主要依托電力電子技術(shù)實現(xiàn)。因此直流配用電系統(tǒng)的核心技術(shù)可以分為器件、裝備和系統(tǒng)三個層面。
(一)器件技術(shù)
電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)是功率半導體器件。主流的大功率半導體器件主要有IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、IGCT(集成門極換流晶閘管)等，但部分器件目前仍依賴進口。因此，大功率半導體器件的自主化研發(fā)，對于保障我國產(chǎn)業(yè)安全，構(gòu)建安全、可靠、經(jīng)濟的新型配電系統(tǒng)具有重要意義。
(二)裝備技術(shù)
直流配用電系統(tǒng)的裝備目前主要包含直流變換器、直流變壓器、直流斷路器等，仍存在成本高、體積大、實用化程度偏低等問題，亟需進行優(yōu)化升級以支撐規(guī)模化推廣應用。
(三)系統(tǒng)技術(shù)
不同于直流輸電，直流配網(wǎng)與負荷、電源密切結(jié)合，與交流系統(tǒng)交互影響明顯，直流配用電系統(tǒng)的超快速故障保護和靈活優(yōu)化控制技術(shù)有待進一步提升。
四、應用場景
直流配用電技術(shù)可應用于很多場景，典型的比如柔性互聯(lián)、各類園區(qū)、分布式新能源接入和建筑樓宇等，將服務我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的目標。
(一)柔性互聯(lián)
該場景通常采用直流實現(xiàn)交流變電站中壓母線或饋線的互聯(lián)，并向低壓供用電系統(tǒng)延伸，包括交流配網(wǎng)合環(huán)熱備用，提高供電可靠性;交流配網(wǎng)負載主動平衡，提高設(shè)備利用率;配網(wǎng)改造增容，減少占地和投資等。
(二)各類園區(qū)
該場景一般包括數(shù)據(jù)中心、工業(yè)優(yōu)質(zhì)供電等應用場合。據(jù)勞倫斯伯克利國家實驗室的分析，就數(shù)據(jù)中心而言，相比交流系統(tǒng)，采用直流供電可提高約3%的傳輸效率、節(jié)約約6%硬件成本、節(jié)省約33%空間。
(三)分布式新能源
國家發(fā)展改革委發(fā)布《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》提出，“積極發(fā)展以可再生能源為主的微電網(wǎng)、直流配電網(wǎng)”，可提升配電系統(tǒng)對新能源的承載能力。
(四)建筑樓宇
該場景是直流技術(shù)到民用建筑領(lǐng)域的延伸，在降低建筑能耗、實現(xiàn)建筑領(lǐng)域碳減排方面起到關(guān)鍵作用。據(jù)勞倫斯伯克利國家實驗室的分析，光伏家庭采用直流用電比交流系統(tǒng)省電5%，而光儲家庭采用直流用電比交流系統(tǒng)省電14%。
五、技術(shù)展望
展望未來，直流配用電方面仍需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)及工程實用化問題如下：1)需提出直流配用電系統(tǒng)規(guī)劃原則和可量化的規(guī)劃評價方法，以解決系統(tǒng)規(guī)劃難題;2)需提出基于“調(diào)控一體”和“一二次融合”方案的直流配用電系統(tǒng)扁平化的控制架構(gòu)和控制策略，以降低系統(tǒng)建設(shè)和運維難度;3)需研制低成本、緊湊化、高可靠的直流斷路器和功率變換器，以提升中壓直流配電系統(tǒng)實用化水平;4)需研制經(jīng)濟、智能的低壓直流用電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備和譜系完整的直流電器產(chǎn)品，以滿足不同場景的直流用電需求，推動低壓直流產(chǎn)業(yè)生態(tài)形成;5)需建成多地域、多場景的安全、智能、高效的直流配用電工程并開展運行評估，完善標準體系。
廣東電網(wǎng)公司將依托大灣區(qū)科技創(chuàng)新政策和環(huán)境，堅持產(chǎn)學研用相結(jié)合的技術(shù)發(fā)展路線，立足研發(fā)、創(chuàng)新和應用，構(gòu)建直流配用電系統(tǒng)整套技術(shù)體系，建成直流配用電仿真、檢測、控制等系列研發(fā)平臺。以創(chuàng)新性基礎(chǔ)研究帶動關(guān)鍵技術(shù)突破，以技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推動工程應用，形成一批標志性原創(chuàng)前沿技術(shù)成果，助力國家新能源發(fā)展，支撐清潔低碳、安全高效的新型能源體系建設(shè)。力爭3—5年將直流配用電研究中心建成廣東省企業(yè)重點實驗室，成為國內(nèi)領(lǐng)先、世界先進的直流配用電技術(shù)研發(fā)機構(gòu)、直流配用電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)引擎，助力粵港澳大灣區(qū)打造國際科技創(chuàng)新中心。
(作者陳建福系廣東電網(wǎng)公司直流配用電研究中心主任;余占清系清華大學電機系副系主任、副教授，博士生導師)
作者：陳建福 余占清
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