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(dòng)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(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議指出，“十四五”是碳達(dá)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(guó)開(kāi)放程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一，在國(guó)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(shí)代推動(dòng)形成全面開(kāi)放新格局的新嘗試，也是推動(dòng)“一國(guó)兩制”事業(yè)發(fā)展的新實(shí)踐。
(二)技術(shù)需求
隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)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?、傳輸、存?chǔ)與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(yùn)行、可靠供電面臨極大挑戰(zhàn)。
一是用電負(fù)荷局部快速增長(zhǎng)。出現(xiàn)區(qū)域配電走廊緊張、配變負(fù)載率過(guò)高、饋線(xiàn)負(fù)荷分布不均衡、短路電流超標(biāo)等問(wèn)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(xiàn)路過(guò)壓、變電站潮流反送等問(wèn)題。三是新型負(fù)荷和儲(chǔ)能迅猛發(fā)展。電動(dòng)汽車(chē)等負(fù)荷、分布式儲(chǔ)能快速增長(zhǎng)，配用電系統(tǒng)功率雙向流動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)阻塞等問(wèn)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(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行”結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(hù)對(duì)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(yùn)行更加平穩(wěn)，供電可靠性更高。直流配用電系統(tǒng)通過(guò)直流變換器接入交流電網(wǎng)，具備一定的故障穿越和保護(hù)能力。交流配用電系統(tǒng)電壓小幅下降時(shí)，變換器通過(guò)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(jì)、潮流可控，供電能力更強(qiáng)且方便進(jìn)行網(wǎng)荷互動(dòng)。直流互聯(lián)不要求相位、頻率、幅值上的一致性，可實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)電源的互聯(lián)，保障負(fù)荷轉(zhuǎn)供;直流線(xiàn)路的供電能力約為交流的1.6倍，為高密度、窄通道負(fù)荷區(qū)域供電容量的提升提供了有效的解決方案，并可實(shí)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線(xiàn)和用戶(hù)側(cè)的無(wú)功功率，穩(wěn)定交流母線(xiàn)和用戶(hù)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(chǔ)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(duì)傳統(tǒng)配用電系統(tǒng)存在的問(wèn)題，采用直流配用電系統(tǒng)是一種可行思路。我國(guó)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(yīng)用場(chǎng)景總體上仍處于方案探討和示范驗(yàn)證階段，在系統(tǒng)規(guī)劃、控制保護(hù)、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(hù)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(guò)直流變換器實(shí)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(shí)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(gè)層面。
(一)器件技術(shù)
電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)是功率半導(dǎo)體器件。主流的大功率半導(dǎo)體器件主要有IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、IGCT(集成門(mén)極換流晶閘管)等，但部分器件目前仍依賴(lài)進(jìn)口。因此，大功率半導(dǎo)體器件的自主化研發(fā)，對(duì)于保障我國(guó)產(chǎn)業(yè)安全，構(gòu)建安全、可靠、經(jīng)濟(jì)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(shí)用化程度偏低等問(wèn)題，亟需進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)以支撐規(guī)?；茝V應(yīng)用。
(三)系統(tǒng)技術(shù)
不同于直流輸電，直流配網(wǎng)與負(fù)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(hù)和靈活優(yōu)化控制技術(shù)有待進(jìn)一步提升。
四、應(yīng)用場(chǎng)景
直流配用電技術(shù)可應(yīng)用于很多場(chǎng)景，典型的比如柔性互聯(lián)、各類(lèi)園區(qū)、分布式新能源接入和建筑樓宇等，將服務(wù)我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的目標(biāo)。
(一)柔性互聯(lián)
該場(chǎng)景通常采用直流實(shí)現(xiàn)交流變電站中壓母線(xiàn)或饋線(xiàn)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(fù)載主動(dòng)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(lèi)園區(qū)
該場(chǎng)景一般包括數(shù)據(jù)中心、工業(yè)優(yōu)質(zhì)供電等應(yīng)用場(chǎng)合。據(jù)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(guó)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(duì)新能源的承載能力。
(四)建筑樓宇
該場(chǎng)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(shí)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(guó)家實(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(lái)，直流配用電方面仍需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)及工程實(shí)用化問(wèn)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(píng)價(jià)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(yùn)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(shí)用化水平;4)需研制經(jīng)濟(jì)、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(mǎn)足不同場(chǎng)景的直流用電需求，推動(dòng)低壓直流產(chǎn)業(yè)生態(tài)形成;5)需建成多地域、多場(chǎng)景的安全、智能、高效的直流配用電工程并開(kāi)展運(yùn)行評(píng)估，完善標(biāo)準(zhǔn)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(jiān)持產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)，立足研發(fā)、創(chuàng)新和應(yīng)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(cè)、控制等系列研發(fā)平臺(tái)。以創(chuàng)新性基礎(chǔ)研究帶動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)突破，以技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推動(dòng)工程應(yīng)用，形成一批標(biāo)志性原創(chuàng)前沿技術(shù)成果，助力國(guó)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(zhēng)3—5年將直流配用電研究中心建成廣東省企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、世界先進(jìn)的直流配用電技術(shù)研發(fā)機(jī)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(guó)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(xué)電機(jī)系副系主任、副教授，博士生導(dǎo)師)
評(píng)論