隨著新型電力系統(tǒng)加快構(gòu)建，配電網(wǎng)作為分配電能、服務(wù)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(fù)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(yùn)作形態(tài)從由輸電網(wǎng)單向取電轉(zhuǎn)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(diào)控難度大、智能互動程度較低、供電質(zhì)量和供電可靠性待提升等多重挑戰(zhàn)，急需新的應(yīng)對策略。

　　中低壓直流配用電技術(shù)是可選取的策略之一。應(yīng)用該技術(shù)可將直流分布式電源和負(fù)載在配電網(wǎng)側(cè)連接，為用戶提供安全高效的直流電能，促進(jìn)新能源友好接入和消納，打造直流電能互聯(lián)傳輸網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)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(yīng)對配電網(wǎng)面臨的新挑戰(zhàn)

　　據(jù)預(yù)測，到“十四五”末，我國可再生能源發(fā)電裝機(jī)占比將超過50%，在全社會用電量增量中的比重將達(dá)到三分之二左右，在一次能源消費(fèi)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(fèi)的增量補(bǔ)充，變?yōu)槟茉措娏οM(fèi)增量的主體。傳統(tǒng)配電網(wǎng)在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和調(diào)控手段上正不斷加強(qiáng)。但面對分布式電源和多元負(fù)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(fù)載均衡、系統(tǒng)自愈等方面仍存在不足。此外，隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的加快，生物制藥、芯片制造、云計(jì)算等高新企業(yè)用戶比例大幅增加，用戶對供電質(zhì)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(qiáng)直流特性：光伏發(fā)電、風(fēng)電、儲能等包含直流轉(zhuǎn)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(fù)載。如果能直接將直流分布式電源和負(fù)載在配電網(wǎng)側(cè)連接，不僅具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，而且能產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　中低壓直流配用電技術(shù)的研發(fā)實(shí)現(xiàn)了這一設(shè)想。該技術(shù)以先進(jìn)電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)，打造直流電能互聯(lián)傳輸網(wǎng)絡(luò)。技術(shù)應(yīng)用后，現(xiàn)有配電網(wǎng)可節(jié)約大量電力電子轉(zhuǎn)換裝置，減少電能轉(zhuǎn)換損耗，有效應(yīng)對傳統(tǒng)配電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)。

　　中低壓直流配用電技術(shù)在輸電能力上更加靈活高效。該技術(shù)融入并進(jìn)一步發(fā)展了配電網(wǎng)調(diào)度控制研究領(lǐng)域的最新成果，具有調(diào)度靈活、運(yùn)行高效、負(fù)荷控制精準(zhǔn)等特點(diǎn)，能夠調(diào)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(shù)對新能源及多元化負(fù)荷也更加友好。該技術(shù)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(fù)荷天然友好，可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)側(cè)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(zhì)量問題，為高新技術(shù)園區(qū)等用戶用電提供可靠支撐。

　　中壓直流配電 促進(jìn)區(qū)域內(nèi)交直流系統(tǒng)互聯(lián)互濟(jì)

　　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(lǐng)域，直流配用電技術(shù)主要是利用交直流裝備的靈活調(diào)控能力，為交流配電網(wǎng)提供更便捷靈活的運(yùn)行方式，以進(jìn)一步提升配電網(wǎng)的功能和性能，應(yīng)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(jì)等。應(yīng)用過程中，可將傳統(tǒng)交流供電區(qū)域通過直流技術(shù)互聯(lián)，形成“花瓣?duì)睢钡冉Y(jié)構(gòu)的交直流混合配電網(wǎng)，降低傳統(tǒng)交流電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)揮電網(wǎng)廣泛互聯(lián)、能量靈活調(diào)控的作用。

　　目前，浙江投運(yùn)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(xiàng)工程分別利用了直流配用電技術(shù)的交流供電區(qū)域柔性互聯(lián)、交直流互聯(lián)互濟(jì)特性。

　　杭州直流配電網(wǎng)示范工程位于大江東產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。該區(qū)域?qū)﹄娔苜|(zhì)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(fù)荷需求。該工程依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能配電柔性多狀態(tài)開關(guān)技術(shù)、裝備及示范應(yīng)用”項(xiàng)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(jìn)了供電區(qū)域間電能交換互濟(jì)與柔性調(diào)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(guān)鍵設(shè)備研發(fā)難題。自2018年投運(yùn)以來，示范園區(qū)諧波含量從原本處于超標(biāo)邊緣改善至標(biāo)準(zhǔn)最大值的50%以下，緩解了變壓器負(fù)荷壓力，為配電網(wǎng)從傳統(tǒng)放射型向多端互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)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(yīng)用了四端口能量路由器，促進(jìn)交直流系統(tǒng)互聯(lián)互通、綜合利用、優(yōu)化共享，平抑了風(fēng)電、光伏發(fā)電等分布式電源間歇性功率波動，促進(jìn)分布式電源就地消納。該工程自2019年投運(yùn)以來，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、光伏發(fā)電100%消納利用。同時(shí)，該工程利用交直流互聯(lián)互濟(jì)特性可保障重要負(fù)荷不間斷供電，將配電網(wǎng)用戶平均停電時(shí)長從30分鐘降低至秒級。

　　低壓直流用電 柔性調(diào)控、友好接入各類負(fù)荷

　　在低壓直流用電領(lǐng)域，技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)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(shù)核心設(shè)備柔性直流換流器具有控制靈活、運(yùn)行高效、負(fù)荷控制精準(zhǔn)等特點(diǎn)，能夠調(diào)節(jié)和管理配用電系統(tǒng)能量，實(shí)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(diǎn)，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(shù)具有直流電壓恒定等特性，可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)分布式新能源發(fā)電、新負(fù)荷友好接入，提供更高的供電可靠性和更好的電能質(zhì)量。

　　國外已有低壓直流用電系統(tǒng)的應(yīng)用項(xiàng)目。美國弗吉尼亞理工大學(xué)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(xué)于2011年提出未來可再生能源傳輸管理（FREEDM）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，日本東京大學(xué)和大阪大學(xué)構(gòu)建了10千瓦的直流配用電試驗(yàn)系統(tǒng)，歐洲也開始研究直流供電的體育場、住宅試驗(yàn)項(xiàng)目等一系列直流供電技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目。

　　在我國，珠海格力的“光伏未來屋”實(shí)驗(yàn)社區(qū)構(gòu)建了屋頂光伏直接供電直流空調(diào)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(wù)中心低壓直流網(wǎng)絡(luò)、深圳未來大廈全直流生態(tài)應(yīng)用等項(xiàng)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(fù)荷共1285千瓦以及儲能系統(tǒng)，取消了交直流轉(zhuǎn)換接口設(shè)備使用，整體系統(tǒng)運(yùn)行損耗比交流方式降低5%～10%。

　　當(dāng)前，直流配用電技術(shù)發(fā)展迅速，但仍面臨直流負(fù)荷應(yīng)用較少，直流設(shè)備造價(jià)高、體積大，能量協(xié)調(diào)控制復(fù)雜，市場交易機(jī)制空白，標(biāo)準(zhǔn)體系指導(dǎo)缺乏等難題。未來，技術(shù)攻關(guān)將持續(xù)推進(jìn)，面向小區(qū)、工業(yè)、建筑等更多類型直流負(fù)荷的示范工程有望落地。依托已建設(shè)和規(guī)劃的直流配用電示范工程，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)體系將不斷完善，形成能源領(lǐng)域新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

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