随着新型电力系统加快构建，配电网作为分配电能、服务用户的电力系统末端，其新能源接入的比例与日俱增，新能源汽车、电采暖和储能等多元化负荷大量涌现。分布式新能源发电及配套储能装置为传统配电网提供了电源，使其运作形态从由输电网单向取电转变为输电网与配电网间能量双向流动。配电网将面临能量调控难度大、智能互动程度较低、供电质量和供电可靠性待提升等多重挑战，急需新的应对策略。
中低压直流配用电技术是可选取的策略之一。应用该技术可将直流分布式电源和负载在配电网侧连接，为用户提供安全高效的直流电能，促进新能源友好接入和消纳，打造直流电能互联传输网络，促进配电网向协同化、市场化、智能化方向发展。
直流+配网 应对配电网面临的新挑战
据预测，到“十四五”末，我国可再生能源发电装机占比将超过50%，在全社会用电量增量中的比重将达到三分之二左右，在一次能源消费增量中的比重将超过50%，可再生能源将从原来能源电力消费的增量补充，变为能源电力消费增量的主体。传统配电网在网架结构和调控手段上正不断加强。但面对分布式电源和多元负荷对电网安全和友好接入的需求，配电网在控制灵活性、馈线负载均衡、系统自愈等方面仍存在不足。此外，随着产业转型升级的加快，生物制药、芯片制造、云计算等高新企业用户比例大幅增加，用户对供电质量和供电可靠性的要求也日益提高。
以新能源为主体的新型电力系统呈现出强直流特性：光伏发电、风电、储能等包含直流转换环节，新能源汽车、照明、变频家电、数据中心等均为直流负载。如果能直接将直流分布式电源和负载在配电网侧连接，不仅具有明显的技术优势，而且能产生更大的经济效益。
中低压直流配用电技术的研发实现了这一设想。该技术以先进电力电子技术为基础，打造直流电能互联传输网络。技术应用后，现有配电网可节约大量电力电子转换装置，减少电能转换损耗，有效应对传统配电网面临的挑战。
中低压直流配用电技术在输电能力上更加灵活高效。该技术融入并进一步发展了配电网调度控制研究领域的最新成果，具有调度灵活、运行高效、负荷控制精准等特点，能够调节系统潮流流向，解决传统配电网“卡脖子”等问题。
中低压直流配用电技术对新能源及多元化负荷也更加友好。该技术对同为直流的分布式新能源发电及新能源汽车、变频家电等负荷天然友好，可实现配电网侧便捷接入，解决交流接入方式下存在的电压波动、谐波污染等电压控制和电能质量问题，为高新技术园区等用户用电提供可靠支撑。
中压直流配电 促进区域内交直流系统互联互济
根据电压等级不同，直流配用电可分为中压直流配电和低压直流用电。面向中压直流配电领域，直流配用电技术主要是利用交直流装备的灵活调控能力，为交流配电网提供更便捷灵活的运行方式，以进一步提升配电网的功能和性能，应用场景有新能源并网与海岛供电、交流供电区域柔性互联、交直流用电互联互济等。应用过程中，可将传统交流供电区域通过直流技术互联，形成“花瓣状”等结构的交直流混合配电网，降低传统交流电网联络存在的安全风险，发挥电网广泛互联、能量灵活调控的作用。
目前，浙江投运了杭州直流配电网示范工程和海宁尖山主动配电网示范工程。两项工程分别利用了直流配用电技术的交流供电区域柔性互联、交直流互联互济特性。
杭州直流配电网示范工程位于大江东产业集聚区。该区域对电能质量的要求较高，且原有配电变压器容量已难以满足园区增长的负荷需求。该工程依托国家重点研发计划“智能配电柔性多状态开关技术、装备及示范应用”项目，将10千伏和20千伏不同电压等级的供电区域通过直流互联，促进了供电区域间电能交换互济与柔性调控。此外，该工程还突破了中压柔性直流换流器、直流断路器、直流变压器等3类关键设备研发难题。自2018年投运以来，示范园区谐波含量从原本处于超标边缘改善至标准最大值的50%以下，缓解了变压器负荷压力，为配电网从传统放射型向多端互联网络转变提供新模式。
海宁尖山主动配电网示范工程打造了以电为中心的能源交互配置平台。该工程研制应用了四端口能量路由器，促进交直流系统互联互通、综合利用、优化共享，平抑了风电、光伏发电等分布式电源间歇性功率波动，促进分布式电源就地消纳。该工程自2019年投运以来，实现风电、光伏发电100%消纳利用。同时，该工程利用交直流互联互济特性可保障重要负荷不间断供电，将配电网用户平均停电时长从30分钟降低至秒级。
低压直流用电 柔性调控、友好接入各类负荷
在低压直流用电领域，技术应用的重点在于使配电网具有更柔性的输电能力、更安全的供电能力和更便捷的源网荷储接入能力。该技术核心设备柔性直流换流器具有控制灵活、运行高效、负荷控制精准等特点，能够调节和管理配用电系统能量，实现配电网电能的高效利用。
低压直流供电电压可低至48伏，有较好的用电安全性，可避免由路灯漏电引发的人身触电等常见安全事故。此外，新能源发电受天气等影响具有间歇性的特点，接入交流电网容易发生电压波动和谐波污染等问题。直流配用电技术具有直流电压恒定等特性，可实现配电网分布式新能源发电、新负荷友好接入，提供更高的供电可靠性和更好的电能质量。
国外已有低压直流用电系统的应用项目。美国弗吉尼亚理工大学于2010年提出了可持续建筑及纳网（SBN）系统，北卡罗来纳大学于2011年提出未来可再生能源传输管理（FREEDM）系统结构，日本东京大学和大阪大学构建了10千瓦的直流配用电试验系统，欧洲也开始研究直流供电的体育场、住宅试验项目等一系列直流供电技术验证项目。
在我国，珠海格力的“光伏未来屋”实验社区构建了屋顶光伏直接供电直流空调和直流家电的低压直流配电系统。另外，苏州同里综合能源服务中心低压直流网络、深圳未来大厦全直流生态应用等项目都已取得一定成效。
除了针对大厦、园区的直流配用电工程，我国也正在尝试变电站类的直流配用电工程。以杭州萧山观澜变直流多站合一示范工程为例，该工程接入屋顶光伏100千瓦，直流楼宇、智慧路灯、直流充电桩等直流负荷共1285千瓦以及储能系统，取消了交直流转换接口设备使用，整体系统运行损耗比交流方式降低5%～10%。
当前，直流配用电技术发展迅速，但仍面临直流负荷应用较少，直流设备造价高、体积大，能量协调控制复杂，市场交易机制空白，标准体系指导缺乏等难题。未来，技术攻关将持续推进，面向小区、工业、建筑等更多类型直流负荷的示范工程有望落地。依托已建设和规划的直流配用电示范工程，相关技术标准和产业体系将不断完善，形成能源领域新的经济增长点。
（作者单位：浙江电科院）
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