能源革命和数字化时代低压直流供用电系统的发展契机与

马钊PhDCEngFIETFCSEE山东大学特聘教授 2023/7/12 提纲 背景 发展契机 新一代LVDC供用电系统及特征 国际发展、动向 四 五 展望 背景一能源革命 背景一配电网面临的挑战 安全可靠、经济高效、绿色智能、灵活可持续 高的能量源流随机性、波动性，不确定性，极热无风”“晚峰无光”的反调峰特性 发用储能一体化（ProConsumer）用户侧驱动的能量互联共享可控、低熵负载多元，直流、柔性 可再生能源渗透率与弃电率整体呈现出正相关关系 电子，灵活，易控 背景一配电系统的机遇 背景一配电网面临的挑战 背景一直流配用电 源、储、荷变化对配用电系统带来了挑战 直流配用电：安全、灵活、高效的供电服务 提纲 背景 发展契机 新一代LVDC供用电系统及特征 国际发展、动向 四 五 展望 发展契机一为什么要采用直流供用电 交流电力系统采用辐射状供电。未来智能电网中将大量使用分布式发电，绝大部分采用了直流相关技术 自前，大部分日常使用的电器都采用直流供电：电子与通迅设备、LED照明、家用电器（直流电机）.. 直流电源和直流负载的发展，促使我们需要重新审视直流技术、的研究与应用 对于欠发达地区，由于经济、地形等原因，还有1.3亿人口尚未能够使用电能并得到生活改善 电力电子技术发展使DC-DC电压转换效率不断提高，技术难度与成本不断降低 发展契机 － LVDCSUS的应用及意义 二、发展契机一新能源低压直流供用电系统（LVDCSUS） >电力与算力在能源数字经济中发挥双引擎作用 >直流供用电形式为可再生能源的有效接纳、发储用灵活协调提供了新的发展契机。其优点：①具有高可控性、强兼容性、良好供电安全等优势； 2直流型分布式电源和直流电力负载直接相连，无需几余电力转换环节，可以减少损耗、提升电网供电效率； ③提高系统运行灵活性、可靠性和电能质量； 4发、储、用一体化的新型、绿色、高效的全生态直流供用电系统，在未来供用电系统发展中具有巨大潜力。 发展契机一LVDCSUS的驱动力和可行性 源端高比例可再生能源快速增长终端负荷的柔性化、直流化趋势市场资源一市场多元化，混合形式再电气化新型智能家电和设备技术融合DERs+ES+LVDCSUS+AI可持续发展，双碳目标 生态驱动因素安全驱动因素市场驱动因素数字驱动因素技术驱动因素经济驱动因素 技术成熟度，经济可行性分布式直流型电源，光伏发电成本下降，效率提升 1)电力电子技术发展储能技术的发展和保障直流家电和智能设备光储直柔供用电系统试点工程LVDC可及、可用、可控的技术体系 发展契机 － LVDCSUS的应用及意义 分布式光伏+储能+低压直流供电+柔性负荷 提纲 背景 发展契机 新一代LVDC供用电系统及特征 国际发展、动向 四 五 展望 新一代LVDC供用电系统及特征 新一代LVDCSUS是发、储、用一体化的全直流生态，绿色、高效的供用电系统，具有物联网“感知物体、信息传输、数字智能”的特征，可逐步高效、自恢复、自控制、和自优化功能。 新一代LVDC供用电系统及特征一两种典型模 发、储、用一体化（Proconsummer）的全直流生态运行模式由DER（如光伏发电）、直流供用电网络、储能装置直流负荷组成的发、储、用一体化的全直流生态 交流电源支撑的直流供用电运行模式（CommonDCBusbar) 可再生能源有限而直流负荷需求大的应用场景，需要交流电经AC/DC变换器作为供电电源，再经共直流母线向直流负荷直接供电。 三、 新一代LVDC 供用电系统及特征-一主要特宿 1每个最小构成单位是一个全息化的有机体（unitcell）“源-网-荷-储”四要素齐全2)具有极高灵活性的网中网，分区、分层自主自适应，可满足多种目标需求。不仅可产生多种功能的装置，也构成灵活多变的网中网网络，也可以实现各种控制策略3)具有绿色节能的特性。提高了新能源的渗透率。损耗更小，节能目的。4)具有天然的物联网特性。而LVDCSUS中对电力电子技术和直流家电等新型设备的大量使用，使其稍加改造，即可成为物联网的一个节点，各种信息的获取及其容易。 三、新一代LVDC供用电系统及特征一一与传统系统的区别 ①具有发储用一体化的全直流生态，可实现分布式新能源与直流负荷终端的直接互联，“即插即用”功能的实现更为便捷； 2终端有传感器（芯片式）： 3可形成具有多层级和多子系统的“网中网”，分层分级的nano／microgrid，网中网实现配电网的安全、可靠、经济、绿色、开放等更为全面的目标： 4)涵盖从工业级别到家用级别的各种直流负载，同时集成分布式新能源，能够相应提高用户感知能力；? 可融合物联网技术、信息技术、大数据、边缘计算、云计算、人工智能等新技术手段为一体，实现直流供用电设备的智能控制。 三、新一代LVDC供用电系统及特征光储直柔建筑 “光”一分布式太阳能光伏（源）“储”-分布式蓄能，电化学储能储热、抽水蓄能等（储） （网）"桑－柔性负荷（荷） 柔性的概念是在过程系统中首次提出的，指系统应对各种不确定因素的响应能力，体现了系统自身对于内部或外部变量变化的应变能力。 广义的电力系统中柔性一，电力系统应对确定性和不确定性因素所导致的参数变化的响应能力和可控性。 负荷时间弹性是指负荷与时间存在的弹性关系，但并不是指负荷随时间的变化特点，而是强调负荷随时间的可转移性，即负荷从一个时间段转移到另一个时间段的可能性。 三、新一代LVDC供用电系统及特征一Flexibi应性) 柔性负荷：及时转移； 柔性是电力系统管理变化的能力。 减少（或增加） 灵活性来自： 网络的用户；网络本身 柔性发电： 缩减；及时转移(CHP) 柔性是协调众多参与者改变其行为的能力： 为大容量电力系统运行提供支持 柔性存储：灵活负载 或灵活生成 减少配送系统瓶颈弹性负荷 3. 3荷 柔性负荷一需求弹性的可调节负荷或可转移负荷具备双向调节能力的负荷 柔性负荷的调度和调节是缓解供需侧矛盾的重要手段之一。 柔性负荷的柔性调节能力改变了负荷单向、被动接受调节的历史，也使负荷参数的刚性、不确定性等特征发生了变化。 提纲 背景 发展契机 新一代LVDC供用电系统及特征 国际发展、动向 四 五 展望 四、国际发展、动向 2014年成立SEG4，2017年1月升级成立了SyCLVDC 主要功能： ①开展系统层面的LVDC标准化工作②收集并为其它TC/SC提供相关方面的信息，支持和指导③成立工作组，关注电力普及应用工作④与SyCSE（智能能源）、（微电网）等紧密合作 四、国际发展、动向一IECLVDC的两个重要标准 1IECTS63191：是国际电工委员会（IEC）发布的有关LVDC技术的指南，旨在提供适用于低压直流配电系统的电力质量解决方案，帮助用户更好地了解和利用LVDC技术来提高电能利用效率和降低能源成本。 ②IEC 62955: LVDC Power Guidelines- System efficiency improvementwithLVDCpowersupplyIEC62955则是国际标准化组织（ISO）和IEC合作发布的有关LVDC技术的指南，旨在指导LVDC系统的设计、制造、安装和使用，提高电力系统的效率和供电质量。该标准主要包括LVDC配电系统的安全性、环境保护、电力质量、技术可行性等重要方面的规范和标准化要求。 四、国际发展、动向 可再生和分布式能源资源整合和应用的赋能技术：微电网、虚拟发电厂、分布式管理系统（ADMS、DERMS）、分布式能源监控、聚合系统、平台、区块链应用DER和配电技术部署的创新解决方案：智能逆变器和电力电子接口及互连设备应用、中低压直流供电系统，配电系统现代储能技术：消费者整合与赋能：需求侧整合与参与需求响应、负载管理，智能负载、新客户 技术活动领域 直流设备和系统，包括转换器技术和半导体器件。 用于交流系统和电能质量改善的电力电子产品，先进的电力电子设备和应用。 四、国际发展、动向 CIGREC6.31中压直流配电可行性研究 技术委员会批准：07/07/2015（2014年3月申请中低压）时间表：2015.9－2017.8会员：35位专家学者来自不同的14个国家和24个研究机构 四、国际发展、动向 Reference:793 Referance: 875 TECHNICALBROCHURES Medium VoltageDirect Current (MVDC)grids have beenattracting globalattentions as anexpectativetechnology for power distribution system enhancement and modernizationtowards increased reliability,flexibility and efficiency. The objective of WG C6.31 entitled"Medium Voltage Direct Current (MVDC) GridpotentialsystembenefitsandmaintechnicalchallengesofMvDCtechnologiesfordifferentapplicationsTheTBproducedfocuseson Type:Technical BrochuresTitle:MediumVoltageDC DistributionSystems > Global survey on the feasibility of MVDC grids;>Milestones andR&Dstatusof MVDC technologies;>MotivationandoperationofMVDCgrids;>Technical requirements and features of MVDC grids;>Applications of MVDC grids. File Size:13,8MBpagesNB!127 StudyCommittee:C6WG (TF):WG C6.31Year:2020 四、国际发展、动向 IEEE IEEE标准 IEEE Standards Association (IEEE-SA) Launches Indian Low-Voltage DC (LVDC)Forum to Advance LvDC for Microgrids, Commercial Buildings and Homes IEEE是世界上推动人类科技的专业组织，2O14年宣布，IEEE标准协会（IEEE-SA）在IEEE-SA行业连接（IC）计划的主持下组建了印度低压直流（LVDC）论坛。 LVDC论坛的活动在 促进技术应用获得技术经济信息的示范项目以演变LVDC标准催化技术的商业化LVDC论坛专注于产品，系统和解决方案高达110OVDC。 主要由美国标准化组织（例如IEEE、NEC）发布 四、国际发展、动向 IEEE、NEC标准 1.IEEE1547系列标准：这一系列标准涵盖厂分布式能量资源（DER）接入电网的要求和规范包括20-2000瓦特范围的低功率LVDC系统。2.UL1699B标准：这是电气设备安全标准，针对低压直流配电系统，包括评价和测试要求，以确保系统的安全性和性能。-UL1699B，StandardforSafetyforArcFaultCircuitInterrupters.3.NEC（NationalElectricalCode）：这是美国电气安全规范的国家标准，其中包含了低压直流系统的相关规定，包括对于设备、安装和保护的要求。4.Electrical