支撑新式电力系统构建的直流配用电技能展开现状与展望

　　摘要：现在，我国电力系统以沟通电网为主体，不同电压等级之间相互配合构成了杂乱网络，完成系统中电能的变、配等使命。其间，配用电系统是联络输变电系统或电源系统与用户的重要环节。为了约束短路容量，防止电磁环网的呈现，同区域的高压配用电系统（首要包含110kV、220kV电压等级）一般选用分区运转的办法，正常运转时，不同区域之间的联络开关处于断开状况。而中压配用电系统（首要包含35kV、10kV电压等级）选用“闭环规划，开环运转”的办法，正常运转时配电线路间的联络开关处于断开状况。

　　作者：陈建福，余占清（陈建福系广东电网有限责任公司直流配用电研讨中心主任；余占清系清华大学电机工程与运用电子技能副系主任、副教授，博士生导师）

　　2021年3月15日，中央财经委员会第九次会议指出，“十四五”是碳达峰的要害期、窗口期，要构建清洁、低碳、安全、高效的动力系统，操控化石动力总量，着力进步运用效能，施行可再生动力代替举动，深化电力体制改革，构建以新动力为主体的新式电力系统。

　　粤港澳大湾区是我国敞开程度最高、经济生机最强的区域之一，在国家展开全局中具有重要战略地位。建造粤港澳大湾区，既是新时代推进构成全面敞开新格局的新测验，也是推进“一国两制”工作展开的新实践。

　　在此布景下配用电系统现已转变为集电能的搜集、传输、存储与分配等多种功用于一体的新式配电系统。可是，跟着双碳战略落地和新式电力系统建造，大规模散布式新动力、多元负荷高份额、涣散化接入配用电系统，配用电系统安全安稳运转的不确定性急剧添加，配用电系统安全牢靠供电面对极大应战。

　　一是用电负荷部分快速增长。一些区域呈现了配电走廊严重、配变负载率过高、馈线负荷散布不均衡、短路电流超支、停电危险防控才能缺乏等问题。二是散布式新动力承载力缺乏。散布式新动力的快速展开，引起配用电系统潮流散布不均、线路过压、变电站潮流反送等问题，传统沟通配用电系统不能灵敏处理上述问题。三是新式负荷和储能迅猛展开。电动汽车充电等电力电子负荷、集中式与散布式储能快速增长，配用电系统功率双向活动、网络堵塞等问题日益突出。四是供电才能不平衡。传统沟通配用电系统运用惯例沟通联络开关，中压沟通配用电系统“闭环规划、开环运转”结构导致配电系统潮流调控才能缺乏。五是供电牢靠性和供电质量要求进步。跟着高精尖工业的展开，用户关于供电牢靠性和电能质量的要求日益进步，配用电系统呈现运转办法多样、潮流散布办法杂乱等特色。

　　直流配用电系统具有潮流灵敏可控、电压自动调理、电能质量归纳治理等功用，能够有用处理现在沟通配用电系统存在的问题。

　　平稳牢靠。直流配用电系统运转愈加平稳，供电牢靠性更高。直流配用电系统经过直流改换器接入沟通电网，具有了必定的毛病穿越才能和毛病保护才能，能够有用防止毛病影响规模扩展。沟通配用电系统电压小幅下降时（毛病穿越才能之内），直流改换器经过输出电压盯梢调理，能够把输出电流操控在额定值水平邻近。毛病情况下可为灵敏负荷供给接连供电，互为备用，进步供电牢靠性。

　　灵敏可控。直流配用电系统功率互济、潮流可控，供电才能更强且便利进行网荷互动。经过直流互联不要求相位、频率、幅值上的一致性，可完成不同性质电源的互联，保证负荷转供，充分运用不同电源的供电才能。剩下功率可为沟通系统供给无功支撑，改进配用电系统的电压水平。直流线路的供电才能约为沟通的1.6倍，为高密度、窄通道负荷区域供电容量的进步供给了有用的处理方案。经过操控设备与母线之间的直流换流器，完成网荷灵敏操控。

　　优质高效。直流配用电系统电能质量更优、用能功率更高，更利于新动力消纳。直流配用电系统中的换流器可灵敏动态补偿沟通母线和用户负载的无功功率，安稳沟通母线和用户侧沟通电压，且直流配用电系统的线损更低。散布式新动力区域涣散、功率波动性强，直流配用电系统可削减交直流改换环节，便于散布式新动力及储能接入，进步能量的归纳传输功率，并能够为配电网供给必定的支撑才能；而且当聚集半径超越5km，聚集容量为10MW时，选用中压直流办法聚集具有经济性。

　　现在，我国电力系统以沟通电网为主体，不同电压等级之间相互配合构成了杂乱网络，完成系统中电能的变、配等使命。其间，配用电系统是联络输变电系统或电源系统与用户的重要环节。为了约束短路容量，防止电磁环网的呈现，同区域的高压配用电系统（首要包含110kV、220kV电压等级）一般选用分区运转的办法，正常运转时，不同区域之间的联络开关处于断开状况。而中压配用电系统（首要包含35kV、10kV电压等级）选用“闭环规划，开环运转”的办法，正常运转时配电线路间的联络开关处于断开状况。

　　如上节所述，这种配用电系统在新形势下现已有很大的应战。针对传统配用电系统的缺陷，选用直流配用电系统是一种重要思路。我国现已建造了珠海唐家湾三端柔直配电工程等一批直流配用电演示工程，而且获得了较好的作用。可是直流配用电系统和运用场景总体上仍处于方案讨论和演示验证阶段，在系统规划、操控保护、要害设备、中心器材等方面仍存在较多的技能瓶颈，需求电网、科研院所、设备商、用户等全工业链的一起参加赶快攻关打破。

　　直流配电网须经过直流改换器完成不同网络之间以及直流配电网内部各环节之间的电压匹配和能量交互。其间，直流配用电系统的换流和变压环节相同首要依托电力电子技能完成。因而直流配用电系统的中心技能能够分为器材、配备和系统三个层面。

　　新式电力系统是以高电力电子份额为显着特征，电力电子技能的根底是功率半导体器材。干流的大功率半导体器材首要有IGBT、IGCT、IEGT等几种，但部分器材现在仍依靠进口，因而大功率半导体器材的自主化研制关于保证我国工业安全，构建安全、牢靠、经济的新式配电系统具有重要意义。

　　直流配用电系统的配备现在首要包含直流换流器、直流变压器、直流断路器等。这些要害配备现在仍存在本钱高、体积大、实用化程度偏低一级问题，亟需进行优化晋级以支撑规模化推广运用。

　　直流配电系统是支撑高份额新动力接入与低碳灵敏用能的重要技能手段。直流与沟通深度交融是新式电力系统重要形状特征。在配用电系统层面，不同于直流输电，直流配网与负荷、电源亲近结合，与沟通系统交互影响显着，直流配用电系统的超快速毛病保护和灵敏优化操控技能有待进一步进步。

　　直流配用电技能能够运用于许多场景，典型的比方柔性互联、各类园区、散布式新动力接入和修建楼宇等。

　　该场景一般选用直流完成沟通变电站中压母线或馈线的互联，并向低压供用电系统延伸。可细分为几类不同的典型运用场合，包含：沟通配网合环热备用，进步供电牢靠性；沟通配网负载自动平衡，进步设备运用率；配网改造增容，削减占地和出资；电动汽车高效接入，峰谷互济等。

　　该场景一般包含数据中心、工业优质供电等运用场合。依据伯克利国家实验室的剖析，关于数据中心，比较沟通系统，选用直流供电能够进步约3%的传输功率、节约约6%硬件本钱、节约约33%空间。

　　该场景能够理解为大规模新动力经过柔性高压直流运送在中等容量和输电间隔场景下的衍生。其优势运用场合能够由柔性高压直流输电系统的类推，包含：新动力聚集、独立负荷送电、海上渠道供电等。

　　该场景是直流技能到民用修建范畴的延伸。而光伏、风能、乃至燃料电池等技能途径将在下降修建能耗、完成修建范畴碳减排方面起到要害作用。依据伯克利国家实验室的剖析，光伏家庭选用直流用电比沟通系统省电5%，而光储家庭选用直流用电比沟通系统省电14%。

　　展望未来，直流配用电方面仍需求霸占的要害技能及工程实用化问题如下：1）需提出直流配用电系统规划准则和可量化的规划点评办法，以处理系统规划难题；2）需提出根据“调控一体”和“一二次交融”方案的直流配用电系统扁平化的操控架构和操控战略，以下降系统建造和运维难度；3）需打破直流剩下电流和毛病电弧牢靠检测要害技能，保证直流用电安全；4）需研制低本钱、紧凑化、高牢靠的直流断路器和功率改换器，以进步中压直流配电系统实用化水平；5）在直流“经济、节能”优势的根底上，需进一步发掘民用直流“安全、智能”的新驱动力，推进民用直流工业生态构成；6）需研制经济、智能的低压直流用电系统要害设备和谱系完好的直流电器产品，以满意不同场景的直流用电需求；7）需建成多地域、多场景的安全、智能、高效的直流配用电演示工程并展开运转评价，完善规范系统。

　　从世界规模来看，我国在直流输电与电力电子职业现已完成了从跟随到抢先的历史性跨过。未来在动力革新新形势下，直流配用电技能必将获得更大的展开，服务我国完成“碳达峰、碳中和”和构建新式电力系统的方针。

　　广东电网公司将依托大湾区科技立异方针和环境，坚持产学研用相结合的技能展开道路，安身研制、立异和运用，要点展开直流配用电建模与仿真、规划与规划、操控与保护、运转与保护等技能攻关以及中心器材与配备研制，构建直流配用电系统整套技能系统。针对高浸透率散布式动力消纳、高份额直流负荷供电、沟通配网特性优化等需求，展开演示工程建造，建成直流配用电仿真、检测、操控等系列研制渠道。以立异性根底研讨带动要害技能打破，以技能工业化推进工程运用，构成一批标志性原创前沿技能成果，助力国家新动力展开战略，支撑清洁低碳、安全高效的新式动力系统建造。力求3-5年将直流配用电研讨中心建成广东省企业要点实验室，成为国内抢先、世界先进的直流配用电技能研制组织、直流配用电工业的技能引擎，助力粤港澳大湾区打造世界科技立异中心。

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