新型電力系統構建下直流配用電技術發展現狀與展望

　　直流與交流深度融合是新型電力系統重要形態特征，直流配用電系統具備潮流靈活可控、電壓主動調節、電能質量綜合治理等功能，可有效支撐新型電力系統構建。

　　一、需求分析

　　(一)發展背景

　　2021年3月15日，中央財經委員會第九次會議指出，“十四五”是碳達峰的關鍵期、窗口期，要構建新型電力系統。

　　粵港澳大灣區是中國開放程度最高、經濟活力最強的區域之一，在國家發展大局中具有重要戰略地位。建設粵港澳大灣區，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”事業發展的新實踐。

　　(二)技術需求

　　隨著碳達峰、碳中和目標提出和新型電力系統建設，配用電系統已經轉變為集電能的收集、傳輸、存儲與分配等多種功能于一體的新型配電系統，其安全穩定運行、可靠供電面臨極大挑戰。

　　一是用電負荷局部快速增長。出現區域配電走廊緊張、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展，引起配用電系統潮流分布不均、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展。電動汽車等負荷、分布式儲能快速增長，配用電系統功率雙向流動、網絡阻塞等問題日益突出。四是供電能力不平衡。傳統交流配用電系統“閉環設計、開環運行”結構導致配電系統潮流調控能力不足。五是供電可靠性和供電質量要求提升。隨著高精尖產業的發展，用戶對于供電可靠性和電能質量的要求日益提高。

　　(三)技術特征

　　平穩可靠。直流配用電系統運行更加平穩，供電可靠性更高。直流配用電系統通過直流變換器接入交流電網，具備一定的故障穿越和保護能力。交流配用電系統電壓小幅下降時，變換器通過輸出電壓跟蹤調節可把輸出電流控制在額定值。

　　靈活可控。直流配用電系統功率互濟、潮流可控，供電能力更強且方便進行網荷互動。直流互聯不要求相位、頻率、幅值上的一致性，可實現不同性質電源的互聯，保障負荷轉供;直流線路的供電能力約為交流的1.6倍，為高密度、窄通道負荷區域供電容量的提升提供了有效的解決方案，并可實現網荷靈活控制。

　　優質高效。直流配用電系統電能質量更優、用能效率更高，更利于新能源消納。直流配用電系統中的變換器可靈活動態補償交流母線和用戶側的無功功率，穩定交流母線和用戶側交流電壓;可減少交直流變換環節，便于分布式新能源及儲能接入，提高能量的綜合傳輸效率，并可為配電網提供一定的支撐能力。

　　二、發展現狀

　　針對傳統配用電系統存在的問題，采用直流配用電系統是一種可行思路。我國已建珠海唐家灣三端柔性直流系統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，在系統規劃、控制保護、關鍵設備、核心器件等方面仍存在較多的技術瓶頸，需要電網、科研院所、設備商、用戶等全產業鏈共同攻關突破。

　　三、核心技術

　　直流配用電系統須通過直流變換器實現不同網絡之間以及內部各環節之間的電壓匹配和能量交互。其中，直流配用電系統的換流和變壓環節同樣主要依托電力電子技術實現。因此直流配用電系統的核心技術可以分為器件、裝備和系統三個層面。

　　(一)器件技術

　　電力電子技術的基礎是功率半導體器件。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，對于保障我國產業安全，構建安全、可靠、經濟的新型配電系統具有重要意義。

　　(二)裝備技術

　　直流配用電系統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，亟需進行優化升級以支撐規模化推廣應用。

　　(三)系統技術

　　不同于直流輸電，直流配網與負荷、電源密切結合，與交流系統交互影響明顯，直流配用電系統的超快速故障保護和靈活優化控制技術有待進一步提升。

　　四、應用場景

　　直流配用電技術可應用于很多場景，典型的比如柔性互聯、各類園區、分布式新能源接入和建筑樓宇等，將服務我國實現碳達峰、碳中和和構建新型電力系統的目標。

　　(一)柔性互聯

　　該場景通常采用直流實現交流變電站中壓母線或饋線的互聯，并向低壓供用電系統延伸，包括交流配網合環熱備用，提高供電可靠性;交流配網負載主動平衡，提高設備利用率;配網改造增容，減少占地和投資等。

　　(二)各類園區

　　該場景一般包括數據中心、工業優質供電等應用場合。據勞倫斯伯克利國家實驗室的分析，就數據中心而言，相比交流系統，采用直流供電可提高約3%的傳輸效率、節約約6%硬件成本、節省約33%空間。

　　(三)分布式新能源

　　國家發展改革委發布《“十四五”可再生能源發展規劃》提出，“積極發展以可再生能源為主的微電網、直流配電網”，可提升配電系統對新能源的承載能力。

　　(四)建筑樓宇

　　該場景是直流技術到民用建筑領域的延伸，在降低建筑能耗、實現建筑領域碳減排方面起到關鍵作用。據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省電5%，而光儲家庭采用直流用電比交流系統省電14%。

　　五、技術展望

　　展望未來，直流配用電方面仍需要攻克的關鍵技術及工程實用化問題如下：1)需提出直流配用電系統規劃原則和可量化的規劃評價方法，以解決系統規劃難題;2)需提出基于“調控一體”和“一二次融合”方案的直流配用電系統扁平化的控制架構和控制策略，以降低系統建設和運維難度;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實用化水平;4)需研制經濟、智能的低壓直流用電系統關鍵設備和譜系完整的直流電器產品，以滿足不同場景的直流用電需求，推動低壓直流產業生態形成;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。

　　廣東電網公司將依托大灣區科技創新政策和環境，堅持產學研用相結合的技術發展路線，立足研發、創新和應用，構建直流配用電系統整套技術體系，建成直流配用電仿真、檢測、控制等系列研發平臺。以創新性基礎研究帶動關鍵技術突破，以技術產業化推動工程應用，形成一批標志性原創前沿技術成果，助力國家新能源發展，支撐清潔低碳、安全高效的新型能源體系建設。力爭3—5年將直流配用電研究中心建成廣東省企業重點實驗室，成為國內領先、世界先進的直流配用電技術研發機構、直流配用電產業的技術引擎，助力粵港澳大灣區打造國際科技創新中心。

　　(作者陳建福系廣東電網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