隨著新型電力系統(tǒng)加快構建，配電網(wǎng)作為分配電能、服務用戶的電力系統(tǒng)末端，其新能源接入的比例與日俱增，新能源汽車、電采暖和儲能等多元化負荷大量涌現(xiàn)。分布式新能源發(fā)電及配套儲能裝置為傳統(tǒng)配電網(wǎng)提供了電源，使其運作形態(tài)從由輸電網(wǎng)單向取電轉變?yōu)檩旊娋W(wǎng)與配電網(wǎng)間能量雙向流動。配電網(wǎng)將面臨能量調控難度大、智能互動程度較低、供電質量和供電可靠性待提升等多重挑戰(zhàn)，急需新的應對策略。
中低壓直流配用電技術是可選取的策略之一。應用該技術可將直流分布式電源和負載在配電網(wǎng)側連接，為用戶提供安全高效的直流電能，促進新能源友好接入和消納，打造直流電能互聯(lián)傳輸網(wǎng)絡，促進配電網(wǎng)向協(xié)同化、市場化、智能化方向發(fā)展。
直流+配網(wǎng) 應對配電網(wǎng)面臨的新挑戰(zhàn)
據(jù)預測，到“十四五”末，我國可再生能源發(fā)電裝機占比將超過50%，在全社會用電量增量中的比重將達到三分之二左右，在一次能源消費增量中的比重將超過50%，可再生能源將從原來能源電力消費的增量補充，變?yōu)槟茉措娏οM增量的主體。傳統(tǒng)配電網(wǎng)在網(wǎng)架結構和調控手段上正不斷加強。但面對分布式電源和多元負荷對電網(wǎng)安全和友好接入的需求，配電網(wǎng)在控制靈活性、饋線負載均衡、系統(tǒng)自愈等方面仍存在不足。此外，隨著產業(yè)轉型升級的加快，生物制藥、芯片制造、云計算等高新企業(yè)用戶比例大幅增加，用戶對供電質量和供電可靠性的要求也日益提高。
以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出強直流特性：光伏發(fā)電、風電、儲能等包含直流轉換環(huán)節(jié)，新能源汽車、照明、變頻家電、數(shù)據(jù)中心等均為直流負載。如果能直接將直流分布式電源和負載在配電網(wǎng)側連接，不僅具有明顯的技術優(yōu)勢，而且能產生更大的經(jīng)濟效益。
中低壓直流配用電技術的研發(fā)實現(xiàn)了這一設想。該技術以先進電力電子技術為基礎，打造直流電能互聯(lián)傳輸網(wǎng)絡。技術應用后，現(xiàn)有配電網(wǎng)可節(jié)約大量電力電子轉換裝置，減少電能轉換損耗，有效應對傳統(tǒng)配電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)。
中低壓直流配用電技術在輸電能力上更加靈活高效。該技術融入并進一步發(fā)展了配電網(wǎng)調度控制研究領域的最新成果，具有調度靈活、運行高效、負荷控制精準等特點，能夠調節(jié)系統(tǒng)潮流流向，解決傳統(tǒng)配電網(wǎng)“卡脖子”等問題。
中低壓直流配用電技術對新能源及多元化負荷也更加友好。該技術對同為直流的分布式新能源發(fā)電及新能源汽車、變頻家電等負荷天然友好，可實現(xiàn)配電網(wǎng)側便捷接入，解決交流接入方式下存在的電壓波動、諧波污染等電壓控制和電能質量問題，為高新技術園區(qū)等用戶用電提供可靠支撐。
中壓直流配電 促進區(qū)域內交直流系統(tǒng)互聯(lián)互濟
根據(jù)電壓等級不同，直流配用電可分為中壓直流配電和低壓直流用電。面向中壓直流配電領域，直流配用電技術主要是利用交直流裝備的靈活調控能力，為交流配電網(wǎng)提供更便捷靈活的運行方式，以進一步提升配電網(wǎng)的功能和性能，應用場景有新能源并網(wǎng)與海島供電、交流供電區(qū)域柔性互聯(lián)、交直流用電互聯(lián)互濟等。應用過程中，可將傳統(tǒng)交流供電區(qū)域通過直流技術互聯(lián)，形成“花瓣狀”等結構的交直流混合配電網(wǎng)，降低傳統(tǒng)交流電網(wǎng)聯(lián)絡存在的安全風險，發(fā)揮電網(wǎng)廣泛互聯(lián)、能量靈活調控的作用。
目前，浙江投運了杭州直流配電網(wǎng)示范工程和海寧尖山主動配電網(wǎng)示范工程。兩項工程分別利用了直流配用電技術的交流供電區(qū)域柔性互聯(lián)、交直流互聯(lián)互濟特性。
杭州直流配電網(wǎng)示范工程位于大江東產業(yè)集聚區(qū)。該區(qū)域對電能質量的要求較高，且原有配電變壓器容量已難以滿足園區(qū)增長的負荷需求。該工程依托國家重點研發(fā)計劃“智能配電柔性多狀態(tài)開關技術、裝備及示范應用”項目，將10千伏和20千伏不同電壓等級的供電區(qū)域通過直流互聯(lián)，促進了供電區(qū)域間電能交換互濟與柔性調控。此外，該工程還突破了中壓柔性直流換流器、直流斷路器、直流變壓器等3類關鍵設備研發(fā)難題。自2018年投運以來，示范園區(qū)諧波含量從原本處于超標邊緣改善至標準最大值的50%以下，緩解了變壓器負荷壓力，為配電網(wǎng)從傳統(tǒng)放射型向多端互聯(lián)網(wǎng)絡轉變提供新模式。
海寧尖山主動配電網(wǎng)示范工程打造了以電為中心的能源交互配置平臺。該工程研制應用了四端口能量路由器，促進交直流系統(tǒng)互聯(lián)互通、綜合利用、優(yōu)化共享，平抑了風電、光伏發(fā)電等分布式電源間歇性功率波動，促進分布式電源就地消納。該工程自2019年投運以來，實現(xiàn)風電、光伏發(fā)電100%消納利用。同時，該工程利用交直流互聯(lián)互濟特性可保障重要負荷不間斷供電，將配電網(wǎng)用戶平均停電時長從30分鐘降低至秒級。
低壓直流用電 柔性調控、友好接入各類負荷
在低壓直流用電領域，技術應用的重點在于使配電網(wǎng)具有更柔性的輸電能力、更安全的供電能力和更便捷的源網(wǎng)荷儲接入能力。該技術核心設備柔性直流換流器具有控制靈活、運行高效、負荷控制精準等特點，能夠調節(jié)和管理配用電系統(tǒng)能量，實現(xiàn)配電網(wǎng)電能的高效利用。
低壓直流供電電壓可低至48伏，有較好的用電安全性，可避免由路燈漏電引發(fā)的人身觸電等常見安全事故。此外，新能源發(fā)電受天氣等影響具有間歇性的特點，接入交流電網(wǎng)容易發(fā)生電壓波動和諧波污染等問題。直流配用電技術具有直流電壓恒定等特性，可實現(xiàn)配電網(wǎng)分布式新能源發(fā)電、新負荷友好接入，提供更高的供電可靠性和更好的電能質量。
國外已有低壓直流用電系統(tǒng)的應用項目。美國弗吉尼亞理工大學于2010年提出了可持續(xù)建筑及納網(wǎng)（SBN）系統(tǒng)，北卡羅來納大學于2011年提出未來可再生能源傳輸管理（FREEDM）系統(tǒng)結構，日本東京大學和大阪大學構建了10千瓦的直流配用電試驗系統(tǒng)，歐洲也開始研究直流供電的體育場、住宅試驗項目等一系列直流供電技術驗證項目。
在我國，珠海格力的“光伏未來屋”實驗社區(qū)構建了屋頂光伏直接供電直流空調和直流家電的低壓直流配電系統(tǒng)。另外，蘇州同里綜合能源服務中心低壓直流網(wǎng)絡、深圳未來大廈全直流生態(tài)應用等項目都已取得一定成效。
除了針對大廈、園區(qū)的直流配用電工程，我國也正在嘗試變電站類的直流配用電工程。以杭州蕭山觀瀾變直流多站合一示范工程為例，該工程接入屋頂光伏100千瓦，直流樓宇、智慧路燈、直流充電樁等直流負荷共1285千瓦以及儲能系統(tǒng)，取消了交直流轉換接口設備使用，整體系統(tǒng)運行損耗比交流方式降低5%～10%。
當前，直流配用電技術發(fā)展迅速，但仍面臨直流負荷應用較少，直流設備造價高、體積大，能量協(xié)調控制復雜，市場交易機制空白，標準體系指導缺乏等難題。未來，技術攻關將持續(xù)推進，面向小區(qū)、工業(yè)、建筑等更多類型直流負荷的示范工程有望落地。依托已建設和規(guī)劃的直流配用電示范工程，相關技術標準和產業(yè)體系將不斷完善，形成能源領域新的經(jīng)濟增長點。
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