中國儲能網(wǎng)訊：盛夏已至，烈日炎炎。用電負(fù)荷不斷“熱”出新紀(jì)錄，電網(wǎng)面臨嚴(yán)峻考驗。如今，分布式光伏、數(shù)據(jù)中心、電動汽車等直流源荷日益增長，配網(wǎng)直流化特征愈發(fā)顯著。構(gòu)建高效靈活、安全可靠的直流配用電系統(tǒng)是實現(xiàn)直流型源荷高效匹配的重要途徑。在江蘇蘇州，國家電網(wǎng)打造了全球規(guī)模最大、電壓等級最全、技術(shù)裝備最新的中低壓直流配用電系統(tǒng)，覆蓋工商、民用、市政、數(shù)據(jù)中心等多種應(yīng)用，并為150戶居民提供直流電能，綜合用電能效提升2%。這個配電網(wǎng)有何獨到之處？本報記者帶你一探究竟。
多元負(fù)荷增長提出新需求
在高溫酷暑之下，各地電力負(fù)荷屢創(chuàng)新高，江蘇電網(wǎng)首次在6月出現(xiàn)負(fù)荷“破億”，比2021年夏季負(fù)荷首次破億提前19天。
江蘇電科院專業(yè)人員在龐東中心站對站內(nèi)二次設(shè)備進(jìn)行巡視記錄。
電力負(fù)荷不斷攀升，風(fēng)光水火核開足馬力，源源不斷的清潔電能經(jīng)過四通八達(dá)的輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)的接力輸送，順利抵達(dá)一個個負(fù)荷中心。
交流和直流轉(zhuǎn)換方式對比
隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，精密企業(yè)、數(shù)據(jù)中心、智能家居、電動汽車等多元負(fù)荷不斷增長，電網(wǎng)負(fù)荷的直流特征愈發(fā)顯著，構(gòu)建高效、低耗、可靠的直流配用電系統(tǒng)成為實現(xiàn)直流型源荷高效匹配的重要途徑。
配電網(wǎng)如同人體的毛細(xì)血管，密集交織在城市肌理之中，其供電服務(wù)水平直接關(guān)系著終端用戶的切身體驗。國家電網(wǎng)有限公司加快電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展，推動電網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級，持續(xù)建強(qiáng)骨干網(wǎng)架，建設(shè)現(xiàn)代智慧配電網(wǎng)，更好支撐清潔能源高比例接入、大范圍高效配置，助力構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。
今年1月，國家電網(wǎng)在江蘇蘇州吳江建成多電壓等級、多應(yīng)用場景的中低壓直流配用電系統(tǒng)，該示范工程建立了國內(nèi)外最完整的直流電壓等級序列，包括±10千伏、±375伏、48伏等三類，構(gòu)建了工商民、光伏、數(shù)據(jù)中心等五大類典型用電場景和供電模式，累計接入直流負(fù)荷10.5兆瓦，并網(wǎng)屋頂光伏6.2兆瓦，安裝用戶側(cè)儲能2兆瓦時，改造交直流混合用電居民用戶150戶，研發(fā)生產(chǎn)15種直流家電，形成了一個完整的中低壓直流供用電生態(tài)，是當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用場景最豐富、源荷種類最多、技術(shù)裝備最新的直流配用電系統(tǒng)。
“吳江地區(qū)直流源荷資源豐富，用能精細(xì)化需求日益旺盛，項目組攻克了直流配用電系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、關(guān)鍵設(shè)備、運(yùn)行控制、系統(tǒng)保護(hù)等系列關(guān)鍵技術(shù)，采用宜交則交，宜直則直的交直流混合供電方式，為建設(shè)新型配電系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。”國網(wǎng)江蘇省電力有限公司三級顧問陳慶說。
泓晟塑膠科技（蘇州）有限公司是一家從事精密型腔模、電子塑膠制品生產(chǎn)的企業(yè)，其中注塑機(jī)的用電量占工廠總用電量的八成以上，如何實現(xiàn)注塑機(jī)節(jié)能降耗是企業(yè)負(fù)責(zé)人蔡鳳琴頗為關(guān)心的事。
在蘇州中低壓直流配用電系統(tǒng)投運(yùn)之前，工廠對注塑機(jī)開展了交流變頻改造，但能耗始終居高不下。正在蔡鳳琴一籌莫展之際，國網(wǎng)江蘇電力提供了新的節(jié)能改造方案，項目組對廠內(nèi)的86臺注塑機(jī)電機(jī)進(jìn)行了直流化改造，省去了注塑機(jī)內(nèi)部的變頻環(huán)節(jié)，并由附近的10千伏龐東直流中心站供電。
“在調(diào)研過程中，我們了解到該企業(yè)的用電設(shè)備存在直流用電需求，當(dāng)使用傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)進(jìn)行供電時，交流電需要經(jīng)過多個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)才能被利用，這個過程會產(chǎn)生能源損耗，而經(jīng)過直流化改造后，生產(chǎn)線的能量損耗大大降低?！眹W(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院劉瑞煌解釋說。
不同的供電方式產(chǎn)生了不同的能耗?！案脑旌?，我們生產(chǎn)線的能量損耗降低了至少2%，平均每月可以節(jié)約3萬元電費(fèi)，塑料制品的良品率也得到提升?！辈跳P琴對這筆經(jīng)濟(jì)賬頗為滿意。
直流負(fù)荷期盼直流供電，記者了解到，工商業(yè)變頻類、開關(guān)電源類、數(shù)據(jù)中心、光儲充一體化等場景均適合直流化改造。
在蘇州同里古鎮(zhèn)附近，九里數(shù)據(jù)中心站的1兆瓦服務(wù)器負(fù)荷已經(jīng)進(jìn)行了直流化改造，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的直流接入，采用雙電源供電，將原交直轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進(jìn)行了簡化，有效提升了終端用能效率。
此外，在蘇州吳江經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，國網(wǎng)江蘇電力還建設(shè)了50臺直流供電的大功率快速充電樁，直流化改造了718盞路燈、匯金廣場的照明及空調(diào)、同里湖嘉苑小區(qū)內(nèi)的150戶居民住宅，建設(shè)了社區(qū)級光儲系統(tǒng)和戶用級能量路由器，實現(xiàn)了十余種直流家用電器的接入，有效提升了能源利用效率。
分布式電源高效接入急需新途徑
江蘇電科院專業(yè)人員使用直流咖啡機(jī)沏咖啡。
走進(jìn)吳江中低壓直流配用電系統(tǒng)示范工程的監(jiān)控大廳，在天氣晴好的時刻，可以看到光伏出力逐漸攀升，在中午前后達(dá)到峰值。
蘇州吳江經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，工業(yè)企業(yè)眾多，屋頂資源豐富。2021年9月，國家能源局在全國范圍選取了676個縣（市、區(qū)）試點開發(fā)屋頂分布式光伏，吳江位列其中。吳江分布式光伏的規(guī)劃規(guī)模為1000兆瓦，規(guī)模位居江蘇省第一。
與傳統(tǒng)的發(fā)電方式不同，光伏發(fā)電本身是直流電，當(dāng)接入交流配電網(wǎng)時，需要經(jīng)過逆變器進(jìn)行變換，對電能質(zhì)量和供電可靠性產(chǎn)生一定影響。“交流系統(tǒng)有頻率、相位、電壓幅值三個要素，當(dāng)光伏通過逆變器接入交流配電網(wǎng)后，可能會受到諧波的污染。同時，可再生能源接入交流系統(tǒng)，需要進(jìn)行無功補(bǔ)償，這些都會影響電能質(zhì)量?！眲⑷鸹驼f，對于容量較小的分布式電源，通常都是單向接入交流配電網(wǎng)，容易產(chǎn)生三相不平衡問題，影響新能源消納。
我國是能源消費(fèi)大國，大力發(fā)展新能源是實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的必由之路。配電網(wǎng)作為承擔(dān)電能分配與消納的主體，其電源結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架形態(tài)和負(fù)荷特性正在發(fā)生深刻變化。江蘇電科院總工程師袁宇波說：“新型配電系統(tǒng)下電能的供給、配送、消費(fèi)環(huán)節(jié)直流化特征日趨明顯，傳統(tǒng)交流配電方式存在承載力受限、電能變換環(huán)節(jié)多等問題，構(gòu)建高效、高可靠的直流配用電系統(tǒng)，成為轉(zhuǎn)變供電模式、提高用電能效、促進(jìn)能源變革的重要途徑?！?
國網(wǎng)江蘇電力突破了直流配用電系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、關(guān)鍵裝備、保護(hù)控制原理等方面多項技術(shù)難題，在吳江新建10千伏直流中心站2座、直流配電房7座、光伏升壓站3座以及10千伏直流電纜6條，研發(fā)并應(yīng)用了27類直流配用電關(guān)鍵設(shè)備,實現(xiàn)了直流斷路器、直流變壓器、控制保護(hù)裝置和直流用電設(shè)備等關(guān)鍵裝備的示范應(yīng)用和推廣。
在傳統(tǒng)方式下，直流配電網(wǎng)一旦出現(xiàn)故障，全網(wǎng)換流器會自保性閉鎖，嚴(yán)重影響供電可靠性。吳江中低壓直流配用電系統(tǒng)示范工程創(chuàng)新應(yīng)用“保護(hù)前加速隔離+故障恢復(fù)”的故障防保策略，在中壓電網(wǎng)發(fā)生雙極短路故障時，可以在100毫秒內(nèi)完成故障隔離和恢復(fù)供電，有效提升了低壓側(cè)負(fù)荷供電可靠性，保證了系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。
“以前光伏發(fā)電需要逆變成交流并網(wǎng)，過程中必然有損耗，現(xiàn)在直接通過直流配用電系統(tǒng)實現(xiàn)就地消納，平均損耗減少將近3%?！眳墙貐^(qū)一家光伏電站運(yùn)營商負(fù)責(zé)人翟建建說。
江蘇電科院配電網(wǎng)技術(shù)中心主任史明明算了一筆經(jīng)濟(jì)賬，2025年年底，江蘇光伏發(fā)電總裝機(jī)容量預(yù)計達(dá)3800萬千瓦，若采用直流組網(wǎng)就地消納的方式，可提升光伏系統(tǒng)運(yùn)行效率2%以上，按照1500小時的年利用小時數(shù)計算，全年可增發(fā)綠電11.4億千瓦時，減少碳排放約98萬噸。
直流技術(shù)助力打造配網(wǎng)新生態(tài)
在“雙碳”目標(biāo)下，配電網(wǎng)作為城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是聯(lián)系能源生產(chǎn)和消費(fèi)的關(guān)鍵樞紐，是實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的基礎(chǔ)平臺。
隨著越來越多的分布式電源接入配電網(wǎng)，配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的單向接受電力并向用戶分配，逐步向供需互動的有源網(wǎng)絡(luò)過渡。
我國《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》提出，要加快配電網(wǎng)改造升級，推動智能配電網(wǎng)、主動配電網(wǎng)建設(shè)，提高配電網(wǎng)接納新能源和多元化負(fù)荷的承載力和靈活性，促進(jìn)新能源優(yōu)先就地就近開發(fā)利用。
在電能誕生初期，交流電率先解決了電壓升降的問題，從而戰(zhàn)勝了直流電。如今直流電源和直流負(fù)荷大量增長，為直流配電創(chuàng)造了新的發(fā)展機(jī)遇。
“未來就是要靠風(fēng)電、光電、水電、核電和生物質(zhì)能構(gòu)成的零碳能源系統(tǒng)，慢慢替代以燃煤、燃油、燃?xì)獾葹橹鞯幕剂舷到y(tǒng)，只有這樣才能夠真正實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展和零碳目標(biāo)?！敝袊こ淘涸菏拷瓋|說，近年來，他開始在全國推廣“光儲直柔”技術(shù)，即在建筑領(lǐng)域應(yīng)用光伏、儲能、直流配電和柔性交互四項技術(shù)，助力發(fā)展零碳能源。
2017年10月，國家發(fā)展改革委和國家能源局發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》，提出將直流輸配電技術(shù)作為現(xiàn)代電網(wǎng)建設(shè)的重要研發(fā)方向。為加快建設(shè)新型電力系統(tǒng)，國家電網(wǎng)提出要向數(shù)字電網(wǎng)、交直流混聯(lián)電網(wǎng)、有源配電網(wǎng)、微電網(wǎng)融合發(fā)展轉(zhuǎn)變。
近年來，國網(wǎng)江蘇電力持續(xù)攻關(guān)中低壓直流配電技術(shù)，2017年、2018年先后牽頭承擔(dān)中低壓直流配網(wǎng)相關(guān)的兩項國家重點研發(fā)計劃專項——“基于電力電子變壓器的交直流混合可再生能源技術(shù)研究”和“中低壓直流配用電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”，并在蘇州試點建設(shè)示范工程；2020年建成國內(nèi)外系統(tǒng)規(guī)模最大、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最靈活、試驗?zāi)芰ψ顝?qiáng)的中低壓直流配用電系統(tǒng)示范應(yīng)用工程——江蘇電科院中低壓直流試驗平臺，開展直流配網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備入網(wǎng)測試、電力電子等新技術(shù)的研發(fā)；2021年成立國內(nèi)首個直流配用電技術(shù)聯(lián)盟，匯聚社會各方力量，搭建“產(chǎn)、學(xué)、研、用”一體化平臺，廣泛吸引各類市場主體共同參與直流配用電這一新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
在我國廣大農(nóng)村地區(qū)，分布式光伏正在加速布局，裝點著一座座農(nóng)村小院，成為助力鄉(xiāng)村振興的重要引擎。但農(nóng)村配電網(wǎng)較為薄弱，隨著分布式電源的不斷增長，傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)運(yùn)行面臨臺區(qū)功率倒送及供電容量不足等問題。傳統(tǒng)增容改造存在投資大、線路通道不足、平均負(fù)載率更低、系統(tǒng)損耗增大等突出問題，這時候供電容量更大、供電半徑更長、運(yùn)行效率更高的直流配電網(wǎng)就成了更好的選擇。
在江蘇省丹陽市司徒鎮(zhèn)，江蘇電科院自主研發(fā)的新農(nóng)村高效柔性互聯(lián)系統(tǒng)在此落地應(yīng)用。該系統(tǒng)通過交—直—交電力電子變換，實現(xiàn)了不同的交流片區(qū)或臺區(qū)在直流側(cè)的柔性合環(huán)操作，還實現(xiàn)了配網(wǎng)潮流柔性調(diào)控和故障毫秒級恢復(fù)，為鄉(xiāng)村振興提供了優(yōu)質(zhì)電力保障。
“未來的電力系統(tǒng)是數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)電力的高度融合，國網(wǎng)江蘇電力在直流配用電領(lǐng)域開展了大量工作，取得了良好成效。直流配用電系統(tǒng)關(guān)鍵裝備的研發(fā)應(yīng)用，有助于提升我國在高端電器制造領(lǐng)域的國際競爭力和話語權(quán)，對于推動我國能源轉(zhuǎn)型，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，助力‘雙碳’目標(biāo)落地具有重要的支撐作用?！惫I(yè)和信息化部產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心“智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備”專家委員會主任劉建明說。
