目前，我國(guó)電力系統(tǒng)以交流電網(wǎng)為主體，不同電壓等級(jí)之間相互配合構(gòu)成了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中電能的變、配等任務(wù)。其中，配用電系統(tǒng)是聯(lián)系輸變電系統(tǒng)或電源系統(tǒng)與用戶的重要環(huán)節(jié)。為了限制短路容量，避免電磁環(huán)網(wǎng)的出現(xiàn)，同地區(qū)的高壓配用電系統(tǒng)（主要包括110kV、220kV電壓等級(jí)）通常采用分區(qū)運(yùn)行的方法，正常運(yùn)行時(shí)，不同區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于斷開狀態(tài)。而中壓配用電系統(tǒng)（主要包括35kV、10kV電壓等級(jí)）采用“閉環(huán)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行”的方法，正常運(yùn)行時(shí)配電線路間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于斷開狀態(tài)。
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)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，深化電力體制改革，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。
粵港澳大灣區(qū)是中國(guó)開放程度最高、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
在此背景下配用電系統(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)。然而，隨著雙碳戰(zhàn)略落地和新型電力系統(tǒng)建設(shè)，大規(guī)模分布式新能源、多元負(fù)荷高比例、分散化接入配用電系統(tǒng)，配用電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的不確定性急劇增加，配用電系統(tǒng)安全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)。一些區(qū)域出現(xiàn)了配電走廊緊張、配變負(fù)載率過高、饋線負(fù)荷分布不均衡、短路電流超標(biāo)、停電風(fēng)險(xiǎn)防控能力不足等問題。二是分布式新能源承載力不足。分布式新能源的快速發(fā)展，引起配用電系統(tǒng)潮流分布不均、線路過壓、變電站潮流反送等問題，傳統(tǒng)交流配用電系統(tǒng)不能靈活解決上述問題。三是新型負(fù)荷和儲(chǔ)能迅猛發(fā)展。電動(dòng)汽車充電等電力電子負(fù)荷、集中式與分布式儲(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)使用常規(guī)交流聯(lián)絡(luò)開關(guān)，中壓交流配用電系統(tǒng)“閉環(huán)設(shè)計(jì)、開環(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，用戶對(duì)于供電可靠性和電能質(zhì)量的要求日益提高，配用電系統(tǒng)呈現(xiàn)運(yùn)行方式多樣、潮流分布形式復(fù)雜等特點(diǎn)。
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，能夠有效解決目前交流配用電系統(tǒng)存在的問題。
（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)通過直流變換器接入交流電網(wǎng)，具備了一定的故障穿越能力和故障保護(hù)能力，可以有效防止故障影響范圍擴(kuò)大。交流配用電系統(tǒng)電壓小幅下降時(shí)（故障穿越能力之內(nèi)），直流變換器通過輸出電壓跟蹤調(diào)節(jié)，可以把輸出電流控制在額定值水平附近。故障情況下可為敏感負(fù)荷提供連續(xù)供電，互為備用，提升供電可靠性。
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)。通過直流互聯(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，充分利用不同電源的供電能力。剩余功率可為交流系統(tǒng)提供無功支撐，改善配用電系統(tǒng)的電壓水平。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(fù)荷區(qū)域供電容量的提升提供了有效的解決方案。通過控制設(shè)備與母線之間的直流換流器，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)中的換流器可靈活動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線和用戶負(fù)載的無功功率，穩(wěn)定交流母線和用戶側(cè)交流電壓，且直流配用電系統(tǒng)的線損更低。分布式新能源區(qū)域分散、功率波動(dòng)性強(qiáng)，直流配用電系統(tǒng)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，并可以為配電網(wǎng)提供一定的支撐能力；并且當(dāng)匯集半徑超過5km，匯集容量為10MW時(shí)，采用中壓直流方式匯集具有經(jīng)濟(jì)性。
二、發(fā)展現(xiàn)狀
目前，我國(guó)電力系統(tǒng)以交流電網(wǎng)為主體，不同電壓等級(jí)之間相互配合構(gòu)成了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中電能的變、配等任務(wù)。其中，配用電系統(tǒng)是聯(lián)系輸變電系統(tǒng)或電源系統(tǒng)與用戶的重要環(huán)節(jié)。為了限制短路容量，避免電磁環(huán)網(wǎng)的出現(xiàn)，同地區(qū)的高壓配用電系統(tǒng)（主要包括110kV、220kV電壓等級(jí)）通常采用分區(qū)運(yùn)行的方法，正常運(yùn)行時(shí)，不同區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于斷開狀態(tài)。而中壓配用電系統(tǒng)（主要包括35kV、10kV電壓等級(jí)）采用“閉環(huán)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行”的方法，正常運(yùn)行時(shí)配電線路間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于斷開狀態(tài)。
如上節(jié)所述，這種配用電系統(tǒng)在新形勢(shì)下已經(jīng)有很大的挑戰(zhàn)。針對(duì)傳統(tǒng)配用電系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用直流配用電系統(tǒng)是一種重要思路。我國(guó)已經(jīng)建設(shè)了珠海唐家灣三端柔直配電工程等一批直流配用電示范工程，并且取得了較好的效果。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、用戶等全產(chǎn)業(yè)鏈的共同參與盡快攻關(guān)突破。
三、核心技術(shù)
直流配電網(wǎng)須通過直流變換器實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間以及直流配電網(wǎng)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)
新型電力系統(tǒng)是以高電力電子比例為顯著特征，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、IGCT、IEGT等幾種，但部分器件目前仍依賴進(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換流器、直流變壓器、直流斷路器等。這些關(guān)鍵裝備目前仍存在成本高、體積大、實(shí)用化程度偏低等問題，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)
直流配電系統(tǒng)是支撐高比例新能源接入與低碳靈活用能的重要技術(shù)手段。直流與交流深度融合是新型電力系統(tǒng)重要形態(tài)特征。在配用電系統(tǒng)層面，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)可以應(yīng)用于很多場(chǎng)景，典型的比如柔性互聯(lián)、各類園區(qū)、分布式新能源接入和建筑樓宇等。
（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或饋線的互聯(lián)，并向低壓供用電系統(tǒng)延伸?？杉?xì)分為幾類不同的典型應(yīng)用場(chǎng)合，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；電動(dòng)汽車高效接入，峰谷互濟(jì)等。
（二）各類園區(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。根據(jù)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的分析，對(duì)于數(shù)據(jù)中心，相比交流系統(tǒng)，采用直流供電可以提高約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
該場(chǎng)景可以理解為大規(guī)模新能源通過柔性高壓直流輸送在中等容量和輸電距離場(chǎng)景下的衍生。其優(yōu)勢(shì)應(yīng)用場(chǎng)合可以由柔性高壓直流輸電系統(tǒng)的類推，包括：新能源匯集、獨(dú)立負(fù)荷送電、海上平臺(tái)供電等。
（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。而光伏、風(fēng)能、甚至燃料電池等技術(shù)路徑將在降低建筑能耗、實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域碳減排方面起到關(guān)鍵作用。根據(jù)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，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）需突破直流剩余電流和故障電弧可靠檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，確保直流用電安全；4）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；5）在直流“經(jīng)濟(jì)、節(jié)能”優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步挖掘民用直流“安全、智能”的新驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)民用直流產(chǎn)業(yè)生態(tài)形成；6）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，以滿足不同場(chǎng)景的直流用電需求；7）需建成多地域、多場(chǎng)景的安全、智能、高效的直流配用電示范工程并開展運(yùn)行評(píng)估，完善標(biāo)準(zhǔn)體系。
從世界范圍來看，我國(guó)在直流輸電與電力電子行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從跟隨到領(lǐng)先的歷史性跨越。未來在能源革命新形勢(shì)下，直流配用電技術(shù)必將取得更大的發(fā)展，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)。
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，立足研發(fā)、創(chuàng)新和應(yīng)用，重點(diǎn)開展直流配用電建模與仿真、規(guī)劃與設(shè)計(jì)、控制與保護(hù)、運(yùn)行與維護(hù)等技術(shù)攻關(guān)以及核心器件與裝備研發(fā)，構(gòu)建直流配用電系統(tǒng)整套技術(shù)體系。針對(duì)高滲透率分布式能源消納、高比例直流負(fù)荷供電、交流配網(wǎng)特性優(yōu)化等需求，開展示范工程建設(shè)，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)展戰(zhàn)略，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。（來源：南方電網(wǎng)報(bào)）
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