未來配電網(wǎng)的形態(tài)將是多個(gè)電壓等級(jí)構(gòu)成多層次環(huán)網(wǎng)狀、交直流混聯(lián)、具備統(tǒng)一規(guī)范的互聯(lián)接口、基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論靈活自組網(wǎng)的架構(gòu)模式。直流配電網(wǎng)是未來能源互聯(lián)網(wǎng)的基本支撐環(huán)節(jié)，以柔性直流技術(shù)為代表的中壓配用電網(wǎng)也會(huì)是未來的發(fā)展趨勢(shì)。近年，直流配用電網(wǎng)絡(luò)的科研研究及項(xiàng)目試點(diǎn)在國內(nèi)與我們漸行漸近，為此，智見能源推出《直流配電網(wǎng)會(huì)大規(guī)模應(yīng)用于電網(wǎng)嗎？》的系列專輯，本期的主題為《直流配電網(wǎng)的需求趨勢(shì)及優(yōu)勢(shì)》。
直流配電網(wǎng)的需求趨勢(shì)及優(yōu)勢(shì)
以區(qū)域直流、交流環(huán)形母線為基本結(jié)構(gòu)單元的環(huán)狀結(jié)構(gòu)上，可以方便地接入各種電源、負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置，構(gòu)成一個(gè)層級(jí)的基本結(jié)構(gòu)單元，同時(shí)也是能量管理單元的設(shè)備支撐。
一、直流配電網(wǎng)的需求
（一）配電網(wǎng)面臨的新形勢(shì)
直流驅(qū)動(dòng)的負(fù)載比重越來越大——50%以上電器為直流或類直流負(fù)荷，且品類繁多，與我們的生活息息相關(guān)；
分布式新能源發(fā)電高密度接入及充分利用——未來以光伏、分散式風(fēng)電及其它可再生能源占比將達(dá)到50%以上；
電動(dòng)汽車大規(guī)模推廣——十三五迅速增長；
電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的逐步推廣應(yīng)用；
重要敏感負(fù)荷的高可靠、高質(zhì)量供電。
（二）配電網(wǎng)遇到的新問題
電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、短路容量增大；
交直流能量變換損耗高；
可控性靈活性差；
雙向互動(dòng)、新能源支持能力差；
電能質(zhì)量問題突出。
二、直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)
伴隨城市規(guī)?？焖僭鲩L以及信息技術(shù)迅速發(fā)展，電網(wǎng)內(nèi)敏感負(fù)荷、非線性負(fù)荷，以及其他重要負(fù)荷越來越多，交流配電網(wǎng)內(nèi)線損大、供電走廊緊張等問題日益嚴(yán)重。電壓波動(dòng)、電網(wǎng)諧波加劇、電壓瞬時(shí)跌落以及三相不平衡現(xiàn)象加劇等問題亦日趨惡化?，F(xiàn)有配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和方式亟需改變。直流配電網(wǎng)具有減小線路損耗、改善用戶側(cè)電能質(zhì)量、提高供電容量、隔離故障區(qū)域以及可再生能源及儲(chǔ)能裝置便捷、靈活接入等優(yōu)點(diǎn)。
1、直流配電網(wǎng)的供電容量大(供電半徑)
相同的線路走廊，直流配電網(wǎng)可輸送更多容量。設(shè)現(xiàn)有線路的額定線電壓為VAC，額定線電流為IAC，功率因數(shù)cosφ=0.9，那么，該線路的額定功率PAC=√3 VAClAcCOSφ；若直流配電網(wǎng)采用雙極結(jié)構(gòu)，且設(shè)其額定直流電壓為VDC、額定電流為IDC，則線路所傳輸?shù)念~定功率為PDC=2VDClDC。
因此，在相同的絕緣水平、相同的導(dǎo)線截面及電流密度情況下，
則由上式可知，對(duì)于雙極結(jié)構(gòu)的直流配電網(wǎng)而言，其傳輸功率與原交流線路大致相等，即在線路走廊寬度和建造費(fèi)用相同情況下，直流線路所能傳輸?shù)墓β始s為交流線路的1.05倍?？梢?，直流配電能夠有效提高供電容量(半徑)。
2、直流配電網(wǎng)的電能質(zhì)量
對(duì)半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)行業(yè)而言，電壓波動(dòng)、頻率變化、閃絡(luò)沖擊、三次及以上諧波幅值增量，都可能對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)造成較大影響，這些企業(yè)對(duì)電能質(zhì)量的要求高于國家對(duì)交流配電網(wǎng)電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)；另一些企業(yè)，如建材、汽車、電纜制造行業(yè)，均存在大量的沖擊負(fù)荷，當(dāng)沖擊性負(fù)載(冶煉爐、電焊機(jī)等)接入交流配電網(wǎng)時(shí)，會(huì)對(duì)交流配網(wǎng)造成沖擊，引起電壓驟降等電能質(zhì)量問題。對(duì)于接入快速響應(yīng)的儲(chǔ)能設(shè)備的直流配電網(wǎng)，仿真表明，沖擊性負(fù)載造成的電壓閃變僅為I-2％。另外，相對(duì)交流配電網(wǎng)而言，分布式儲(chǔ)能設(shè)備接入直流配網(wǎng)的技術(shù)難度相對(duì)較低，一旦儲(chǔ)能設(shè)備的研制取得突破，便可在直流配網(wǎng)中廣泛配置，從而有效解決用戶側(cè)直流電壓閃變等問題。
此外，柔性直流配網(wǎng)中的換流器可以靈活地吸收或發(fā)出無功功率，起到靜止無功補(bǔ)償器(STATCOM)的補(bǔ)償作用，從而對(duì)交流系統(tǒng)側(cè)與交流負(fù)荷側(cè)的無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，起到穩(wěn)定交流母線和用戶側(cè)電壓的作用。
3、直流配電網(wǎng)的線路損耗
考慮到交流電纜金屬護(hù)套所引起的有功損耗及交流系統(tǒng)的無功損耗，在直流配電網(wǎng)直流電壓為交流系統(tǒng)線電壓兩倍的情況下，直流配網(wǎng)的線損僅為交流配網(wǎng)的15％～50％。即使交流配網(wǎng)的線損降低可通過添加無功補(bǔ)償設(shè)備等措施來實(shí)現(xiàn)，但這將增大系統(tǒng)的建造成本，及其復(fù)雜性。
4、直流配電網(wǎng)能量傳輸效率
在進(jìn)行電壓變換時(shí)，交流配電網(wǎng)的電能損耗很小，傳統(tǒng)的交流變壓器效率可達(dá)98％。直流配電網(wǎng)所采用的電壓源型(Voltage SourceConverter,VSC)換流器與直流變壓器，主要由電力電子器件構(gòu)成，因此其開關(guān)損耗和通態(tài)損耗一般較大，其能量傳輸效率約為85～95％，低于交流變壓器。但另一方面，直流配網(wǎng)的線路損耗遠(yuǎn)低于交流配網(wǎng)。因此，交、直流配網(wǎng)的整體傳輸效率仍需要進(jìn)一步的論證與研究。就目前而言，交流配網(wǎng)和直流配網(wǎng)的整體效率相差不大，但可以預(yù)見的是，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，各類換流器的開關(guān)損耗和通態(tài)損耗將不斷降低，直流配網(wǎng)的傳輸效率具有較大的上升空間。
5、直流配電網(wǎng)的可靠性
若直流配電網(wǎng)采用雙極系統(tǒng)，當(dāng)其中一極發(fā)生故障時(shí)，另一極可繼續(xù)為負(fù)荷輸送功率。相比于交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)中接入蓄電池、超級(jí)電容等儲(chǔ)能設(shè)備的技術(shù)難度相對(duì)較低。因此，直流配電網(wǎng)的故障穿越能力與供電可靠性較高。
通信中心和信息中心多為敏感負(fù)載，如存儲(chǔ)設(shè)備、服務(wù)器等，它們對(duì)供電可靠性的要求極高。基于美國數(shù)據(jù)中心的典型結(jié)構(gòu)，考慮直流配電在這一特殊負(fù)載地點(diǎn)的應(yīng)用，分別對(duì)交、直流配電網(wǎng)下的可靠性指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，相對(duì)交流而言，直流配電系統(tǒng)具有更高的故障穿越能力和可靠性。
6、節(jié)能降耗及直流配電到戶的可行性
實(shí)際上，目前大量的家用電器都采用直流電，在交流配電網(wǎng)內(nèi)，需配置相應(yīng)的整流電路模塊。但是，如果采用直流配電網(wǎng)的方式直接為家庭用戶提供直流電，便可省去這些換流器，減少由交流轉(zhuǎn)為直流的轉(zhuǎn)換次數(shù)，既可以降低換流損失，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，同時(shí)也降低了設(shè)備制造成本。
通過對(duì)多種常用家電設(shè)備的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)模型，針對(duì)不同型號(hào)、不同用途、不同廠家的電器在采用直流電情況下的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明多數(shù)家用電器能夠在直流配網(wǎng)下運(yùn)行。日常家用電器可直接用于低壓直流配電系統(tǒng)，且供電電壓與電流的紋波大幅降低，電能質(zhì)量有了較大改善。實(shí)際上，由于采用交流供電方式，多數(shù)家電需添加AC／DC換流器，采用直流供電時(shí)則可以省去，從而達(dá)到節(jié)錢降耗的目的，可見直流配電到戶完全可行。
7、清潔能源及儲(chǔ)能設(shè)備的便捷接入
風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電形式的大規(guī)模分布式并網(wǎng)已成為一種趨勢(shì)。光伏電池等發(fā)出的直流電具有隨機(jī)性和間歇性，需要配置相應(yīng)換流器及儲(chǔ)能裝置，并需要通過復(fù)雜的控制策略才能實(shí)現(xiàn)交流并網(wǎng)。風(fēng)電產(chǎn)生出的是一種隨機(jī)波動(dòng)的交流電能，需要安置AC/DC/AC換流器和一些適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能裝置，并通過復(fù)雜控制才能并入交流電網(wǎng)。
各類儲(chǔ)能裝置，如蓄電池、超級(jí)電容器等，都以直流電形式存儲(chǔ)電能，必須通過雙向DC/AC換流器和復(fù)雜控制，才能使用于交流電網(wǎng)。但是，如果采用直流配電網(wǎng)供電方式，無論是新能源分布式并網(wǎng)，還是儲(chǔ)能裝置的接口控制技術(shù)，都要簡單得多。
下圖為基于VSC換流器的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，VSC換流器將各類交流電源發(fā)出的交流電變換為直流電，經(jīng)直流輸電線路將電能輸送至負(fù)荷端，再反變換為交流電供負(fù)載使用。
三、直流配電網(wǎng)存在的問題
目前，柔性直流配電技術(shù)仍處于起步階段，在實(shí)際的應(yīng)用仍有問題待進(jìn)一步的研發(fā)解決，如：根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃和資源特點(diǎn)如何利用好柔性直流配網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如何保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，柔性直流配網(wǎng)的運(yùn)行方式進(jìn)一步細(xì)化等?？梢灶A(yù)見，柔性直流配電技術(shù)的發(fā)展必將為技術(shù)革新和效益提升帶來新的思路和理念，為中壓配網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
