知识点：配电网 配电网形态发展趋势分析 章超1 葛扬1 刘钊1 刘然1 苏麟2 （1. 电力规划设计总院 2.江苏省电力设计院） 在“双碳”背景下，能源结构正发生着深刻变革，电能替代和清洁替代成为主流。随着新能源装机的增长，电源接入由集中式向分布式发展，并且直流负荷增速明显，重要敏感负荷对供电可靠性的要求也越来越高。传统交流配电网已经越来越难以满足多元发展的用电需求，交直流混合配电网优势逐渐凸显。
知识点：配电网
配电网形态发展趋势分析
章超1 葛扬1 刘钊1 刘然1 苏麟2
（1. 电力规划设计总院 2.江苏省电力设计院）
在“双碳”背景下，能源结构正发生着深刻变革，电能替代和清洁替代成为主流。随着新能源装机的增长，电源接入由集中式向分布式发展，并且直流负荷增速明显，重要敏感负荷对供电可靠性的要求也越来越高。传统交流配电网已经越来越难以满足多元发展的用电需求，交直流混合配电网优势逐渐凸显。
一、配用电结构新特征下，传统交流配电网面临挑战
近年来，配电网建设增速明显。自2014年以来，配电网投资已连续7年超过输电网，电网投资总体向配电网倾斜。在以新能源为主体的新型电力系统发展新格局下，组成配电网的元素日益多样化，网架结构日益庞杂，配电系统中的多元源-荷-储呈现出非线性、随机性等特征。在电源侧，为提高绿电占终端能源消费的比重，大量分布式能源接入配电网，对能源高效调控利用的需求越来越大；在用户侧，更多新型用能场景涌现，电动汽车、电化学储能、变频设备、IDC设备等直流负荷、灵活负荷比重越来越大，数据中心等重要负荷对供电可靠性和能效的要求越来越高。
传统交流配电网采用“闭环接线、开环运行”的模式，电源结构单一、源-网-荷之间单向传输，联动性弱，供电定制化程度低，属于被动型配电网。在传统交流配电网架构下，日益增多的分布式电源、直流负荷带来了大量的换流环节，导致系统损耗增加、故障几率增大。各区各馈线分布式电源与负荷渗透率不一，负载率时空不均衡，跨区域电能调控能力不足，导致设备利用率下降。故障发生时，特性复杂，区域间资源无法相互快速支援，易扩大事故范围，导致系统可靠性下降。由此可见，在配用电新结构下，传统交流配电网面临巨大挑战。
二、交直流配电网兴起，诸多应用场景成效显著
面对配电结构新特征，交直流混合配电网正在兴起，在已有交流网架基础上，建立直流配电系统，实现交直流电压互补，构建多电压等级、多层次环网状、源-网-荷-储灵活互联的配电网系统，有助于促进新能源消纳及多能互补有效利用，提升电能转换效率，提高网架可靠性及多元化需求响应能力。
直流配电由来已久，在电力系统输配体系刚产生时，直流作为最主要的电能传输方式首先得到了应用，但受当时电力电子技术水平限制，直流系统存在电压变换困难、传输容量小等问题，被交流系统逐步取代。20世纪以来，功率半导体器件的迅猛发展带动了电力电子技术的革新，直流供电技术的优势逐步回归。直流配电网与交流配电网在架构上相似，也是多级互联的网络，可分为高压直流配电网、中压直流配电网、低压直流配电网等。各级配电网面向用户的电压等级不同，其功能不尽相同，各级电网相互配合与补充。低压直流配电网可直接实现分布式电源、储能、直流负荷等的接入；中高压直流配电网适合作为环网建立区域互联网架，为城市和偏远地区的分散负荷供电。
直流配电网与现有交流配电网可通过换流器、双端软开关（SOP）等电力电子器件进行互联，构成多元化交直流混合配电网，满足不同场景的需求。在交直流混合配电网新形态下，不同线路间柔性互联，有四大优势：一是可以优化电网结构，提高分布式可再生能源接入灵活性，实现多类型可再生能源和电动汽车等负荷协调互补消纳，通过电力电子技术对潮流的灵活控制提高设备利用率。二是直流配电系统能够为直流负荷直接供电，减少AC-DC换流环节，有效降低电能转换损耗，提高能源利用效率。三是通过多端口柔直环节不同交流供电分区或者多条交流线路的合环运行，在有效隔离各类交流故障影响的同时实现故障情况下的多电源的快速切换，从而提高系统供电可靠性。四是直流配电相比交流配电，在供电半径、传输容量、运行效率等方面具备优势，可解决部分城市配电网老旧区域增容改造“卡脖子”问题。
近年来，随着交直流配电网的优势凸显，在城市高可靠性供电区域、工业园区等应用场景涌现出了一批示范工程。典型应用场景的构建是推动交直流混合配电网高质量发展的关键。
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典型场景一：城市区域
城市核心区域面临负荷增长与新建配电网占用地紧张的矛盾。通过换流器等电力电子器件连接已有交流配电网组成交直流配电网，不仅便于分布式能源、储能、直流负荷等接入，而且可以实现能量跨区域互动，提高现有交流系统负载率，无需新建配电网就可以在一定程度上满足城市负荷快速增长的需求，解决城市供电占用地瓶颈。
南方电网在珠海唐家湾投运了±10kV、换流容量为40MW的四端柔性直流配电网，具有三端联网运行、双端联网+单端供电分列运行、单端STATCOM运行等10种运行方式，既能调节潮流，又能调节电压，能够对电网内各个节点的电压水平进行实时调控，实现了与交流电网有功、无功功率统一协调控制，提高了线路负载率，也为交流电网提供了紧急电源支撑。
图2 唐家湾四端柔性直流配电网拓扑示意图
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典型场景二：工业园区
大型工业园区内，分布式新能源接入逐渐增多，各类变频器、电解炉、电子精密仪器等敏感负荷、电弧炉、大型空调换风系统等中压直流负荷众多，直流负荷的比例占到40%~60%；且工业园区对供电容量、供电可靠性、电能质量的需求较高，交流配电网大量的换流环节带来的成本增加、损耗加重和故障频发等问题日益显著。直流配电网的优势与工业园区的发展需求高度契合，一方面可以直接为直流负荷供电，提高能效，另一方面能够更方便接入储能设备，便于利用储能设备平抑分布式电源出力的波动，并使其作为用电系统的后备电源，维持系统电压的稳定。
近日，国家电网承担的苏州中低压直流配用电系统示范工程投运，建设了涵盖直流±10kV、±750V、±375V三个电压等级，在苏州吴江经济开发区（同里镇）25平方千米范围内，建立多应用场景的中低压直流配用电系统。工程采用具有高可靠性的双端环形网架结构和“两站-四所-六线-九用户”的整体方案布局。园区内分布式新能源和直流负荷能够即插即用，无需经过交直流转换，实现了分布式能源100%全消纳。实际运行数据显示，发电侧光伏系统运行效率提升2%以上，高耗能工业用户、市政路灯、数据中心、居民用户通过直流化改造可提升整体能效2%。同时，实现了全网故障100毫秒恢复供电，供电可靠率提高至99.999%。
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典型场景三：数据中心
数据中心是“能耗大户”，年用电量约占全社会用电的2%，且增速明显，节能减排潜力巨大。采用直流配电将减少大量的换流环节，有效降低变换损耗。通过优化网络结构，直流配用电系统将会在数据中心节能降耗方面发挥巨大作用。
国家电网在投运的张北交直流配电网工程中，通过接入张北2.5MW光伏发电，为阿里巴巴张北数据中心提供了绿色电能，让光伏发电既能优先在数据中心就地消纳，又能在电量富余时保证全额上网消纳而获得收益。据估算，光伏并网及数据服务器采用直流配电，可以节省数据中心设备投资约1%，降低数据中心能耗约10%～20%。
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典型场景四：商业楼宇
随着经济发展与城镇化进程的加速，建筑能耗尤其是商业楼宇能耗在社会总体能耗中的占比逐年增加，采用交流配电的商业楼宇能耗费用约占物业管理成本的30%~40%。而商业楼宇配电系统的主要负荷类型是中央空调、电梯等动力用电，包含大量直流变频设备，其中中央空调系统的能耗一般占总能耗的40%~65%。另外，商业楼宇正在加大光伏、储能等分布式电源的配置。采用直流配电可有效整合分散的电源和负荷，大大减少换流设备，降低功率损耗，提高能效。有研究表明，采用直流配电的办公楼宇，相比交流配电可节能11%。虽然前期建设成本较高，但运维三年后，总成本将低于交流配电系统。
三、关于交直流配电网高质量发展的建议
一是优化交直流配电网结构，规范交直流配电电压等级序列。多级配电网相互补充与配合是交直流配电网发展的基础。当前，直流配电网与交流配电网的分工和配合缺乏统一的规范体系。建议根据不同区域发展趋势、电源特性及负荷需求，优化交直流配电网结构，明确标准的电压等级序列和配合模式，推动交直流配电网有序发展。
二是提高直流设备制造水平，降低交直流配电网建设成本。直流配电网采用了大量的电力电子元件，换流器、直流变压器、直流开关等设备性能和造价直接影响直流配电系统的大规模推广应用。当前，直流设备的耐压水平、容量水平等性能与交流设备相比还有一定差距，且造价较高。建议加大直流设备国产化研制投入，加强产业化和市场化政策扶持力度，在政府及国有企业主导建设的工程中优先使用相关的首台套科技成果。
三是提升配电网调控能力，实现主动快速响应。新能源消纳是“十四五”时期关注重点，分布式新能源、电动汽车等灵活负荷为配电网带来诸多不确定性，系统复杂度不断提高，对调控能力提出了更高要求。高效的调控手段，能够对故障扰动区、负荷异常区实现快速响应并提供支撑，提高配电网可靠性。建议通过大数据、云计算等技术，增强配电网智能化水平，加强配电网实时监测预警，提升跨区域调节能力。
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