陈建福 余占清：支撑新型电力系统构建的直流配用电技术发展现状与展望

摘要：目前，我国电力系统以交流电网为主体，不同电压等级之间相互配合构成了复杂网络，实现系统中电能的变、配等任务。其中，配用电系统是联系输变电系统或电源系统与用户的重要环节。为了限制短路容量，避免电磁环网的出现，同地区的高压配用电系统（主要包括110kV、220kV电压等级）通常采用分区运行的方法，正常运行时，不同区域之间的联络开关处于断开状态。而中压配用电系统（主要包括35kV、10kV电压等级）采用“闭环设计，开环运行”的方法，正常运行时配电线路间的联络开关处于断开状态。

来源：北极星输配电网 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究中心主任；余占清 系清华大学电机工程与应用电子技术副系主任、副教授，博士生导师）

一、需求分析

（一）发展背景

2021年3月15日，中央财经委员会第九次会议指出，“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，要构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。

粤港澳大湾区是中国开放程度最高、经济活力最强的区域之一，在国家发展大局中具有重要战略地位。建设粤港澳大湾区，既是新时代推动形成全面开放新格局的新尝试，也是推动“一国两制”事业发展的新实践。

（二）技术需求

在此背景下配用电系统已经转变为集电能的收集、传输、存储与分配等多种功能于一体的新型配电系统。然而，随着双碳战略落地和新型电力系统建设，大规模分布式新能源、多元负荷高比例、分散化接入配用电系统，配用电系统安全稳定运行的不确定性急剧增加，配用电系统安全可靠供电面临极大挑战。

一是用电负荷局部快速增长。一些区域出现了配电走廊紧张、配变负载率过高、馈线负荷分布不均衡、短路电流超标、停电风险防控能力不足等问题。二是分布式新能源承载力不足。分布式新能源的快速发展，引起配用电系统潮流分布不均、线路过压、变电站潮流反送等问题，传统交流配用电系统不能灵活解决上述问题。三是新型负荷和储能迅猛发展。电动汽车充电等电力电子负荷、集中式与分布式储能快速增长，配用电系统功率双向流动、网络阻塞等问题日益突出。四是供电能力不平衡。传统交流配用电系统使用常规交流联络开关，中压交流配用电系统“闭环设计、开环运行”结构导致配电系统潮流调控能力不足。五是供电可靠性和供电质量要求提升。随着高精尖产业的发展，用户对于供电可靠性和电能质量的要求日益提高，配用电系统呈现运行方式多样、潮流分布形式复杂等特点。

直流配用电系统具备潮流灵活可控、电压主动调节、电能质量综合治理等功能，能够有效解决目前交流配用电系统存在的问题。

（三）技术特征

平稳可靠。直流配用电系统运行更加平稳，供电可靠性更高。直流配用电系统通过直流变换器接入交流电网，具备了一定的故障穿越能力和故障保护能力，可以有效防止故障影响范围扩大。交流配用电系统电压小幅下降时（故障穿越能力之内），直流变换器通过输出电压跟踪调节，可以把输出电流控制在额定值水平附近。故障情况下可为敏感负荷提供连续供电，互为备用，提升供电可靠性。

灵活可控。直流配用电系统功率互济、潮流可控，供电能力更强且方便进行网荷互动。通过直流互联不要求相位、频率、幅值上的一致性，可实现不同性质电源的互联，保障负荷转供，充分利用不同电源的供电能力。剩余功率可为交流系统提供无功支撑，改善配用电系统的电压水平。直流线路的供电能力约为交流的1.6倍，为高密度、窄通道负荷区域供电容量的提升提供了有效的解决方案。通过控制设备与母线之间的直流换流器，实现网荷灵活控制。

优质高效。直流配用电系统电能质量更优、用能效率更高，更利于新能源消纳。直流配用电系统中的换流器可灵活动态补偿交流母线和用户负载的无功功率，稳定交流母线和用户侧交流电压，且直流配用电系统的线损更低。分布式新能源区域分散、功率波动性强，直流配用电系统可减少交直流变换环节，便于分布式新能源及储能接入，提高能量的综合传输效率，并可以为配电网提供一定的支撑能力；并且当汇集半径超过5km，汇集容量为10MW时，采用中压直流方式汇集具有经济性。

二、发展现状

目前，我国电力系统以交流电网为主体，不同电压等级之间相互配合构成了复杂网络，实现系统中电能的变、配等任务。其中，配用电系统是联系输变电系统或电源系统与用户的重要环节。为了限制短路容量，避免电磁环网的出现，同地区的高压配用电系统（主要包括110kV、220kV电压等级）通常采用分区运行的方法，正常运行时，不同区域之间的联络开关处于断开状态。而中压配用电系统（主要包括35kV、10kV电压等级）采用“闭环设计，开环运行”的方法，正常运行时配电线路间的联络开关处于断开状态。

如上节所述，这种配用电系统在新形势下已经有很大的挑战。针对传统配用电系统的缺点，采用直流配用电系统是一种重要思路。我国已经建设了珠海唐家湾三端柔直配电工程等一批直流配用电示范工程，并且取得了较好的效果。但是直流配用电系统和应用场景总体上仍处于方案探讨和示范验证阶段，在系统规划、控制保护、关键设备、核心器件等方面仍存在较多的技术瓶颈，需要电网、科研院所、设备商、用户等全产业链的共同参与尽快攻关突破。

三、核心技术

直流配电网须通过直流变换器实现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。其中，直流配用电系统的换流和变压环节同样主要依托电力电子技术实现。因此直流配用电系统的核心技术可以分为器件、装备和系统三个层面。

（一）器件技术

新型电力系统是以高电力电子比例为显著特征，电力电子技术的基础是功率半导体器件。主流的大功率半导体器件主要有IGBT、IGCT、IEGT等几种，但部分器件目前仍依赖进口，因此大功率半导体器件的自主化研发对于保障我国产业安全，构建安全、可靠、经济的新型配电系统具有重要意义。

（二）装备技术

直流配用电系统的装备目前主要包含直流换流器、直流变压器、直流断路器等。这些关键装备目前仍存在成本高、体积大、实用化程度偏低等问题，亟需进行优化升级以支撑规模化推广应用。

（三）系统技术

直流配电系统是支撑高比例新能源接入与低碳灵活用能的重要技术手段。直流与交流深度融合是新型电力系统重要形态特征。在配用电系统层面，不同于直流输电，直流配网与负荷、电源密切结合，与交流系统交互影响明显，直流配用电系统的超快速故障保护和灵活优化控制技术有待进一步提升。

四、应用场景

直流配用电技术可以应用于很多场景，典型的比如柔性互联、各类园区、分布式新能源接入和建筑楼宇等。

（一）柔性互联

该场景通常采用直流实现交流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应用场合，包括：交流配网合环热备用，提高供电可靠性；交流配网负载主动平衡，提高设备利用率；配网改造增容，减少占地和投资；电动汽车高效接入，峰谷互济等。

（二）各类园区

该场景一般包括数据中心、工业优质供电等应用场合。根据伯克利国家实验室的分析，对于数据中心，相比交流系统，采用直流供电可以提高约3%的传输效率、节约约6%硬件成本、节省约33%空间。

（三）分布式新能源

该场景可以理解为大规模新能源通过柔性高压直流输送在中等容量和输电距离场景下的衍生。其优势应用场合可以由柔性高压直流输电系统的类推，包括：新能源汇集、独立负荷送电、海上平台供电等。

（四）建筑楼宇

该场景是直流技术到民用建筑领域的延伸。而光伏、风能、甚至燃料电池等技术路径将在降低建筑能耗、实现建筑领域碳减排方面起到关键作用。根据伯克利国家实验室的分析，光伏家庭采用直流用电比交流系统省电5%，而光储家庭采用直流用电比交流系统省电14%。

五、技术展望

展望未来，直流配用电方面仍需要攻克的关键技术及工程实用化问题如下：

1）需提出直流配用电系统规划原则和可量化的规划评价方法，以解决系统规划难题；

2）需提出基于“调控一体”和“一二次融合”方案的直流配用电系统扁平化的控制架构和控制策略，以降低系统建设和运维难度；

3）需突破直流剩余电流和故障电弧可靠检测关键技术，确保直流用电安全；

4）需研制低成本、紧凑化、高可靠的直流断路器和功率变换器，以提升中压直流配电系统实用化水平；

5）在直流“经济、节能”优势的基础上，需进一步挖掘民用直流“安全、智能”的新驱动力，推动民用直流产业生态形成；

6）需研制经济、智能的低压直流用电系统关键设备和谱系完整的直流电器产品，以满足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、高效的直流配用电示范工程并开展运行评估，完善标准体系。

从世界范围来看，我国在直流输电与电力电子行业已经实现了从跟随到领先的历史性跨越。未来在能源革命新形势下，直流配用电技术必将取得更大的发展，服务我国实现“碳达峰、碳中和”和构建新型电力系统的目标。

广东电网公司将依托大湾区科技创新政策和环境，坚持产学研用相结合的技术发展路线，立足研发、创新和应用，重点开展直流配用电建模与仿真、规划与设计、控制与保护、运行与维护等技术攻关以及核心器件与装备研发，构建直流配用电系统整套技术体系。针对高渗透率分布式能源消纳、高比例直流负荷供电、交流配网特性优化等需求，开展示范工程建设，建成直流配用电仿真、检测、控制等系列研发平台。以创新性基础研究带动关键技术突破，以技术产业化推动工程应用，形成一批标志性原创前沿技术成果，助力国家新能源发展战略，支撑清洁低碳、安全高效的新型能源体系建设。力争3-5年将直流配用电研究中心建成广东省企业重点实验室，成为国内领先、世界先进的直流配用电技术研发机构、直流配用电产业的技术引擎，助力粤港澳大湾区打造国际科技创新中心。