支撑新型配电系统构建的交直流配电网、微电网多层级立体组网技术、装备与应用

汇报人：于海东刘洋 国网山东省电力公司电力科学研究院配电技术中心2025年6月11日 目录CONTENTS 形势与需求 立体组网典型形态与工程案例 立体组网系列核心装备 四未来展望 一、 形势与需求 一、形势与需求 中国提出“双碳”、新型电力系统构建等国家重大战略 2023年7月 2024年2月 习总书记强调大力推动我国新能源高质量发展，为共建清洁美丽世界作出更大贡献” 高比例新能源并网（特别是海量分布式新能源）将成为未来新型电力系统的典型特征 一、形势与需求 分布式光伏是新型电力系统构建的主力军山东分布式光伏装机规模约占全国的五分之一，居全国首位 一、形势与需求 一、形势与需求 一、形势与需求 国网山东省电力公司电力科学研究院 2024年3月1日，国家发改委、国家能源局发布《关于新形势下配电网高质量发展的指导意见》，提出打造安全高效清洁低碳、柔性灵活、智慧融合的新型配电系统 到2025年，配电网网架结构更加坚强清晰、供配电能力合理充裕、承载力和灵活性显著提升、数字化转型全面推进 到2030年，基本完成配电网柔性化、智能化、数字化转型，实现主配微网多级协同、海量资源聚合互动、多元用户即插即用 国家发展改革委国家能源局关于新形势下配电网高质量发展的指导意见 各省、自治区、直银市、新福生产建设兵团发展改革委、能源局，北京市城市营理委员会 22 [2924]) 1874] 国家能源期各落出机构，有关电力企业： 配电网作为重要的公共基础设施，在保陷电力供应、支撑经济社会发展、服务改善民生等方面发挥重要作用，随着新空电力承晚建设的整适，配电用正速步由单纯接受，分配电能给用户的电力网络转变为源同背储照合互动、与上级电网灵活机合的电力网络，在促进分布式电源就近消纳，承载新型负背等方面的功能日益量著，为推动新形势下配电网高质量发展，助力购建清洁低欲。安全充裕、经济高效、供需协网、灵活智能的新型电力系统，现提出以下 意见 一、形势与需求 交直流柔性配电网能安全高效承载海量分布式新能源，是构建新型电力系统的重要支撑全面构建以交直流柔性配电网为核心的新型配电系统 直流配用电是构建交直流柔性配电网的核心技术新型配电系统资源优化配置的关键环节 一、形势与需求 国网山东省电力公司电力科学研究院 基于直流技术的交直流柔性配电网能够很好解决自前交流配电网存在的问题 局部负荷快速增长01 分布式能源渗透率提升02 局部用电负荷快速增长，一些区域的配电网出现了配电走廊紧张、配变负载率过高、馈线负荷分布不均衡、短路电流超标等问题 分布式能源迅猛发展，出力具有不确定性和波动性引起配电网潮流分布不均、电压偏差等供电质量和系统可靠性问题，传统配电网不能较好的对以上所述问题进行抑制，进而会大幅度限制分布式新能源的接入 对供电可靠性和质量要求提高 新型负荷和储能增加迅猛 随着高精尖产业的发展，用户对于供电可靠性和电能质量的要求也日益提高，配电网呈现运行方式多样、潮流分布形式复杂等特点 电动汽车等电力电子负荷预计将快速增长。配电网功率双向流动、重载线路，电压越限、网络阻塞等问题日益突出 供电能力局部不足、全局不平衡 传统配电网中使用常规联络开关，且其中压采用“闭环设计、开环运行”的结构不灵活，导致调控手段有限，配电网潮流难以通过传统手段进行调控。短路电流大范围超标、停电风险防控能力不足 一、形势与需求 一、形势与需求 交直流柔性配电网全生命周期社会经济效益未来可期 核心器件国产化水平提升 核心装备成本下降 未来规模化后效益将显著提升 直流断路器、换流阀、直流变压器等核心装备产品化、系列化取得了长足进步，近几年成本已经显著下降，技术推广障碍正在逐步打破。 随着双碳自标和以新能源为主体的新型电力系统建设推进预计直流在电网中比重会随之提升，规模化发展是直流技术和装备的必经之路，也是实现高性价比的可靠保障。 核心器件从长期依赖进口，形成卡脖子难题，到近年来逐步实现自由知识产权。成本和供货安全性均得到极大改善。 一、形势与需求 形势与需求关键技术 支撑新型配电系统构建的中低压柔性直流灵活组网经济配置、优化运行等关键技术 目录CONTENTS 形势与需求 立体组网典型形态与工程案例 立体组网系列核心装备 四未来展望 中低压直流双级环网组网示范工程总体方案 采用中低压柔性直流双级环网组网方案，支撑高比例分布式新能源与多元负荷的高效灵活接入 中低压直流双级环网组网示范工程中压组网方案 通过建设基于MMC和三电平变流器混合的中压直流环网实现崔寨站、仙寨站与青宁站之间交流馈线异步合环运行，构建自平衡能力区域配电网 通过土5kV直流系统实现崔寨变电站、仙赛变电站和青宁变电站的互联在崔寨站内建设20MW换流装置（拟采用MMC方案），作为中心站，位于崔寨站内（户外）在仙寨站、青宁站内共建设3套10MW换流装置（拟采用三电平变流器方案），位于各变电站内（户外） 中低压直流双级环网组网示范工程低压组网方案 基于电能路由器，在崔寨站下构建四个低压配电台区的低压直流环网工程，支撑高比例分布式新能源、充电桩等灵活接入 >控制更灵活 全面突破基于环网状的低压柔性直流互联系统的成套设计、控制保护、核心装备和工程应用等关键技术！ 中低压直流双级环网组网示范工程直流蜂巢式能源站方案 基于直流变压器，将崔寨站下现有光储充电站改接进中压直流环网，探索直流蜂巢式能源站的建设及应用 立体组网典型形态与工程案例 立体组网典型形态与工程案例 基于中低压直流立体组网的莱芜交直流柔性智慧配电网示范工程总体技术架构 立体组网典型形态与工程案例 国网山东省电力公司电力科学研究院 基于中低压直流立体组网的莱芜交直流柔性智慧配电网示范工程莱芜小增家村级自治微电网 >工程定位为农村区域未端保供型微电网 主要由分布式光伏、光储充一体化直流充电站三端柔性低压直流互联系统等构成，接入21户工业、13户农业灌溉及109户民生负荷 利用数字李生技术搭建微电网运行管控系统，控制微电网内不同区域间功率互济，大幅提升配电网光伏承载消纳及应急保供能力 国网山东电科院中低压直流双级环网组网技术验证平台 平台由±750V真双极直流环网与±375V伪双极直流环网组成 运行方式灵活：750V真双极环网既可单极并联运行，也可双极运行。两级环网可独立运行，也可通过DC/DC双向变流器实现两级环网潮流控制， 具备正常态潮流运行模拟和故障态直流故障模拟功能 国网山东电科院中低压直流双级环网组网技术验证平台 立体组网典型形态与工程案例 实现计及碳流目标最优的系统源网荷储日前-日内实时多时间尺度协同优化运行 目录CONTENTS 形势与需求 立体组网典型形态与工程案例 立体组网系列核心装备 四未来展望 20MW级基于高纹波技术方案MMC 采用基于IGCT半桥模块的MMC方案，系统损耗最小 采用高纹波技术方案，增加10%的子模块，使电容电压充许波动范围提高一倍，电容用量降低约50%，成本降低10%，体积减小30% 10MW级器件直串的三电平变流器 创新采用10MW级器件直串的三电平变流器解决方案，成功突破器件直串技术，为大容量三电平变流器在中低压直流立体组网的应用奠定基础 与MMC技术相比，成本可降低30%以上 立体组网系列核心装备 基于主动投切单器件模块串联技术的两电平VSC变换器 首创单器件模块串联两电平方案，采用电压排序子模块投切主动均压策略，解决传统器件直串的可靠性和取能问题，相较于传统模块化多电平换流器方案，有效降低交直流变换装备成本。 主动投切单器件模块串联 均压策略 电压排序子模块投切主动均压+关断桥臂CD被动均压 优势： 模块化串联桥臂，易于实现取能和几余子模块辅助元件少，工作原理等同于器件直串 解决传统器件直串的可靠性和取能问题解决传统模块串联的体积成本问题 基于器件直串的MW级直流变压器 采用基于IGCT和中频隔离的双主动有源桥DAB方案，系统损耗最小 中压侧采用IGCT器件直串、低压侧采用IGCT器件并联，大幅降低器件成本 中压自然换流型混合式直流断路器 采用基于复合机械断口的自然换流型混合式直流断路器方案 具有损耗低、换流可靠等特点，与常规混合式直流断路器相比体积和成本可减少30% 低压大容量超快速固态式直流断路器 基于国产逆阻型IGCT器件，与同类产品相比体积、成本可减少20%以上 采用重力热管散热+强迫风冷的散热方式，体积小、可靠性高 立体组网系列核心装备 共高频交流母线多端口电能路由器 》在双有源桥（DAB）基础上，拓展出模块化多有源桥（MMAB）拓扑结构，通过模块化有源桥的串并联支撑多个端口不同的电压等级与容量扩展。各个端口通过模块化多有源桥挂接在高频交流母线上，形成具有多端口、多级联、多流向、多形态特点的多功能电能路由器拓扑 》研发基于高频交流母线具有多端口、多级联多流向、多形态特点的多功能电能路由器（容量75kVA，电压380VAC/750VDC/±1.5kVDC) 方案优势： 端口可以独立运行，也可联合运行端口之间电气隔离，接地方式互不干扰任意端口故障，其他端口仍然可正常运行 立体组网系列核心装备 共高频交流母线多端口电能路由器 与基于直流母线的拓扑相比，基于高频交流母线拓扑的电力电子变压器可以节约变换器的器件数目和电能变换环节，显著节约成本。 共高频交流母线多端口电能路由器 已用于济南公司建设的八润堡低压柔直互联系统示范工程中，实现了光伏、储能电池、充电桩等高比例分布式新能源和新型直流负载的可靠、灵活接入，减少了变换环节、降低了线损 现场应用 目录CONTENTS 形势与需求 立体组网典型形态与工程案例 立体组网系列核心装备 四未来展望 新型电力电子器件技术（宽禁带半导体材料等） 灵活高效、经济可靠的直流变换技术 交直流柔性配用电系统多模式优化控制 复杂交直流柔性配电网控制保护技术 新型配电系统数字生实用化应用技术 新型配电系统生成式人工智能实用化应用与自适应巡航技术