2024多场景直流配用电系统关键技术及应用研究报告

国网江苏电科院刘瑞煌2024年5月 形势与背景 2 高效能直流配用电技术及应用 3 灵活性交直流互联技术及应用 4 未来展望 1.1形势与背景m 为应对全球气候和环境变化挑战，构建以新能源为主体的新型电力系统，配电网作为承担电能分配与消纳的主体，电源结构、网架形态和负荷特性均发生了深刻调整，正逐渐以清洁低碳、灵活高效为目标转型 数据来源：中国电动汽车充电技术设施促进联盟 数据来源：国家能源局 1.1形势与背景 新型配电系统下电能的供给、配送、消费环节的直流化特征日趋明显，接入传统交流配网存在效率低、损耗大等问题，直流配用电技术可以减少源荷交直流变换环节，成为转变供电模式、提高用电能效、促进能源变革的重要途径。 1.1形势与背景 光伏逆变器98.3%衣据 《光伏并网逆变器中国效率技术标准》，取全球市场份额前十企业的光伏逆变器中国效率加权平均后所得。 10kV变压器99.1%依据《电力变压器能效限定值及能效 等级》，采用一级能效指标计算重载10kV变压器的平均效率。 直流适配器97.4%直流适配器实验室测试重载下转换效 率为97.4% 交流适配器96.1% 综合考虑DCDC变换器（家用直流适配器）及前级整流电路、PFC电路损耗后的实验室重载下最高效率 升压直流变98.5%降压直流变98.5%第三方机构检测报告的效率试验数据。 采用新能源直流汇聚、就地消纳效率高于交流供电方式， 1.2探索与实践 重大项目一一牵头国家重点研发计划项目 技术突破：在交直流配用电领域连续牵头2项国家重点研发计划并高分验收 成果转化：建成世界规模最大的交直流配用电示范工程 国际影响：成立IEC低压直流工作组，发布3项IEC标准，立项2项IEC标准、3项IEEE标准 示范工程苏州吴江中低压直流配用电系统 在苏州同里建成综合能源服务中心，被评为一带一路永久会址；将直流配用电模式推广至吴江地区，建成全球规模最大的中低压直流配用电示范工程，覆盖23个台区，变电容量达37MW，服务市政、工商、民用、数据中心等典型场景。 检测基地一一中低压直流配用电技术试验平台 >业内首次突破土10kV/15kA/2ms直流断路器 平台特色 》15种经第三方检测的直流家电 验证系统故障100ms快速恢复策略 直流配用电电压等级论证 拓展能源互联应用模式 形势与背景 2高效能直流配用电技术及应用 3 灵活性交直流互联技术及应用 4 未来展望 高能效的直流配用电技术及应用 相比于交流配用电，直流配用电模式在电动汽车、数据中心等场景下能更好得适配直流源荷，在电能变换效率、用能灵活安全等方面有明显优势。 2.1海上风电中压直流汇聚送出 近年来，我国海上风电装机规模增长迅速，截至2021年底，累计海上风电并网容量达2639万干瓦。远海风电机组正向超大型化方向发展，汇集系统无功损耗、过电压问题突出。 交流汇聚导致无功功率大，损耗大，过电压问题突出 2.1海上风电中压直流汇聚送出 采用中压直流汇集技术：角解决汇集系统中无功损耗及过电压问题；采用高压直流传输技术解决输送容量、输送距离受限的问题；打造海上风电全直流并网系统 中压直流汇聚优势： >无无功、电压问题；>汇集系统损耗低、传输容量大：无需建设海上升压站； 2.2海岛、海上石油平台供电 对于远海石油平台或海岛供电，综合设备、海缆敷设、损耗、维护等费用当传输距离超过60km时，采用直流供电方案经济性优于交流供电方案 对于近海石油平台或海岛供电，传统交流供电方式下，三相统包海缆易因老化或外破损坏，为避免更换整条电缆，可改用中压直流供电方案节省投资。 2.3铁塔直流基站 铁塔通信基站是天然的分散式布点，自带场地空间契合分布式光伏的建设（容量约为1.6-5kWp）。铁塔基站内原设有直流48V配电系统，光伏接入直流48V母线供基站负荷就地消纳，推进低碳基站建设，构建绿色信息网络。 2.4数据中心 根据《中国数据中心可再生能源应用发展报告（2020）》、《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》，2020年全国各类数据中心能源消耗达到2166亿千瓦时，口占全社会用电量的2.6% 负荷成分 >IT负荷+行间空调负荷>IT负荷与空调负荷容量配比1:0.8 负荷特点 >IT负荷为电子类负荷，具有直流化特点>行间空调负荷为典型变频类负荷，中间含有直流环节 2.4数据中心 在数据中心推广直流配用电技术，“能效提升2% 2.5工业变频类负荷 2022年全国电力工业用电量达到5.6万亿干瓦时，占全国全社会用电量的64.8%其中，风机、泵类电动机等主要变频设备的用电量已超过工业用电量的50%。 名称：煤矿传送机应用：火力发电场场景作用：在煤炭采掘、生产、转运、加工过程中传输煤矿。 名称：电梯、扶梯应用：建筑楼宇场景作用：服务于规定楼层的固定式升降设备。 名称：游梁式抽油机应用：石油化工场景作用：服务于规定楼层的固定式升降设备。 名称：起重机应用：船舶岸电场景作用：货物用于安装大型设备和起重。 2.5工业变频类负荷一能量回馈提升能效 因交流变频器整流单元多采用不控或半控整流电路，无法将制动电能回馈电网当直流母线电压持续升高时多采取投入制动电阻的方式将回馈能量转换为热能 2.5工业变频类负荷 在工业变频电机场景推广直流配用电技术，能效提升1.4% 2.5工业变频类负荷一一石油化工领域 抽油机是石油开发的主要设备，其原理是将井下的原油抽离出来，通过井上传送设备传送到地面，负荷具有周期变化的特性。抽油机使用变频器驱区动需通过反馈电网的方式，但投入成本高，或采用制动电阻方式反馈能量大，消耗功率大。 2.5工业变频类负荷一石油化工领域 传统配电采用“一井一机一变”白的方式，系统效率低，变压器几余度大。而采用基于回馈能量的直流互济方式，可充分利用回馈能量，减小空载损耗，同时油田面积大，可布置大量新能源，采用直流配用电方式便于新能源接入。 2.6工业变频类负荷斤一基于回馈能量的油机直流互济方式 基于下垂稳压的馈能调节控制技术 基于抽油机位置检测的错峰运行控制技术 针对馈能机组，调节逆变器频率可改变回馈能量大小，为保障回馈能量被完全利用，采用基于下垂稳压控制的馈能调节技术维持流母线电压恒定。 保障各时刻内：馈能机组台数~耗能机组台数，避免抽油机集中馈能造成直流母线电压激增，从而投入耗能电阻消耗回馈能量。 2.5工业变频类负荷一石油化工领域 以胜利油田为例，共有抽油机2.2万台，年耗电12.8亿度/年，占油田总耗电量53%。采用直流母线能量回馈后，平均有功节电率可达15%，可节约电量电费约2.05亿元/年 变压器减容63%，按照容量费标准28元/KVA·月计算，可节约容量费约2.79亿元/年 减少变压器一次设备投资费用1.53亿元 减少空载损耗747万/年，减少负载损耗6358万/年。 2.6开关电源类负荷 2020年开关电源行业市场规模为1540.6亿元，其中工业应用领域占据全行业需求第一，占比达到53.94%，消费类开关电源占33.05%，通信开关电源占6.71%。 2.6开关电源类负荷 典型交流供电 省略前级整流单元，改造相对较小，能效提升1.5%，适合进行直流化供电对于充电桩类负载，可以进行光储充一体化利用，具有较广阔的应用前景。 在开关电源类设备推广直流配用电技术，自能效提升1.5% 2.7光储充一体化 大规模光伏、储诸能及充电桩接入电网，光伏电池板、储能电池输出均为直流充电桩模块内部含有直流母线，均具有直流化供电潜能 光、储、充均以迅猛速度在不断增长，提升光储充能效利用具有重要意义。 2.7光储充一体化 在“光储充”一体化充电站场景推广直流配用电技术，能效最高提升9.1% 2.8光储直柔零碳建筑 自前建筑节能设计标准基本普及，单纯提高围护结构性能和空调采暖设备能效在建筑节能中的整体贡献逐渐减弱，可再生能源应用正成为零能耗建筑的主要特征和实现路径，因此项目以直流电气系统改造升级为重点开展零碳建筑示范 2.8光储直柔零碳建筑 苏州同里湖佳苑建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”小区，实现建筑内负载柔性化，可控可调；建筑外响应电网需求源荷互动。 2.9医院建筑直流电气 典型场景应用 抢救室医疗设备多，电源线杂乱，不美观，不便打扫与整理。 2 交流电源适配器占用摆放空间，限制插座布局。 3 直流电源直接供电，用电灵活，便携性更高，安全风险降低。 2.9医院建筑直流电气 未来将会提出插座拓展协议使之能够适应48V以下的医疗器械，不再需要适配器，只需要一个充电线即可为不同电压等级的设备配备供电 2.10居民用户直流用电 以居民用户为中心建立了4级用电架构，研发了7类直流用电关键设备，打通了从供电端口到用电设备的全直流用能环节，实现了直流电能的安全高效利用。 2.10居民用户直流用电 每栋别墅直流供电容量15kW，5栋别墅共75kW直流负荷 2.10居民用户直流用电 高效 安全 人员频繁活动区域采用直流48V安全特低压供电，相比于传统的交流220V更加安全。 对人体触碰不到的大功率电器，如空调，采用直流375V供电，提升效率。 形势与背景 2 高效能直流配用电技术及应用 3灵活互联的交直流配用电技术 4 未来展望 3.1配网柔性互联技术 应用柔性互联技术（AC-DC-AC），实现高可靠交直流灵活组网，支撑新型配电系统建设。 现有配网存在以下问题： 1、负载率普遍低于30%，配网供电潜能未得到释放；2、光伏大量接入导致配变倒送过载3、充电桩等潮汐性负荷长期占据大量配变容量；4、20kV配网孤岛无法与10kV电网互联；5、不同220kV片区配电线路无法热倒互联转供。 3.2典型适用场景 四类应用场景：柔性互联技术在电网侧具有以下！ 3.2典型适用场景 轻重载台区/线路互联 江苏电科院中心实验楼1#配变日平均负载率70%，峰值负载率可达80%，在距其400m的配电楼有1台轻载台变，日平均负载率不足10%，通过建设低压柔性互联装置将中心实验楼日平均负载率控制在60%，提高台区的能效和供电可靠性 3.2典型适用场景 负荷可靠供电 针对相邻网格未端频繁故障且可靠性低的线路，通过并联型中压互联保证故障下供电无缝切换，通过移动式低压互联实现小区配变热倒无感切换，提升供电可靠性 针对多电源供电小区无法通过联络开关热转供，需停电检修的问题，在扬中班组应用移动式低压互联装置保证供电“无感知”切换 3.2典型适用场景 交直流微电网 针对小区电动汽车充电需求激增，需配变扩容或新建，通过交交、交直、直直互联构建交直流双环形态的光储充微网，灵活高效接入交直流源荷，助力电动汽车下乡 3.2典型适用场景 配电网线路融冰 配网线路数量多、分布广，且随用户分布，出现覆冰事故会导致长时间停电，通过柔生互联装置改变线路潮流以实现不停电融冰。 3.2典型适用场景 在用户侧，柔性互联技术可应用于以下三类应用场景： 3.2典型适用场景 光伏直接就近转供给用户其他负荷，用户用能环节减少，系统损耗进一步减小，社会整体用能效率提高。 光伏上网倒送电量减小，用户得以使用价格更为低廉的绿电，用能成本降低 3.2典型适用场景 企业电费主要由电量电费、基本电费及力调电费组成，需量基本电费约占电费的30%左右，由变压器的尖峰负荷决定，柔性互联装置通过互联调控，可有效降低每路电源点的最大需量，企业基本电费降低30%左右。 max pm(t)+ p,(t)≤ max pm(t) +max pn(t) 方案一 月基本需量电费约10.24万元。 方案二 柔性互联优化用户需量降低450kW，月基本需量电费可降至7.94万元。 3.2典型适用场景 数据中心采用2N穴余供电，由2个不同电源全容量备供