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

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展望 马钊PhDCEngFIETFCSEE 山东大学特聘教授 2023年7月 2023/7/12 提纲 背景 发展契机 新一代LVDC供用电系统及特征 四国际发展、动向 五展望 2023/7/12 背景一能源革命 集中+分布式可再生能 源规模快速增长引领 能源革驱动 命双碳 目标 能源危机 环境危机 终端用户负荷多元性、 直流化移动式趋势明显 支撑地缘政治 能源与负荷“即插即用” 再电气化需求与日俱增 云大物深，物联网、AI 重塑改变 能源系统 安全、可靠、经济 国际关系复杂多变 新技术快 2023/7/12 等新技术赋能 绿色、智慧、可持续的能源节约型社会 速发展 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 可再生能源渗透率与弃电率整体 迫切需要网侧的技术变革 发用储能一体化（ProConsumer） 呈现出正相关关系 PE\AIILVDC用户侧驱动的能量互联共享 可控、低熵负载 绿色，低碳，分散电子，灵活，易控多元，直流、柔性 2023/7/12 背景一配电系统的机遇 承载DG和EV等分布式能连接需求侧并支持 源（DER）的柔性负荷的 物理载体重要平台 H 未来配电系统的功能 能源互联网的解决能源危机的 中心枢纽关键环节 背景一配电网面临的挑战 多元 主体 系统拓扑颠覆重构硬件设施腾笼换鸟 软件控制更新换代 传统配电网面 临的挑战 增 困境 企业行业转型升级 被动、弱信息化、功率单向传输、静态、封闭的电网主动、强耦合、市场导向，分布式和 集中式结合、数字化、灵活动态、开放式系统 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 电动 光伏 汽车 DC/DCDC/ACAC/DCDC/DC 交流系统 变频 风电空调 直流系统 储能 DC/DCDC/DCLED灯 提纲 背景 发展契机 新一代LVDC供用电系统及特征 四国际发展、动向 五展望 2023/7/12 发展契机一为什么要采用直流供用电 自前，大部分日常使用的电器都采用直交流电力系统采用辐射状供电。未来智流供电：电子与通迅设备、LED照明、家能电网中将大量使用分布式发电，绝大用电器（直流电机）..部分采用了直流相关技术 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、地形等原电力电子技术发展使DC-DC电压转换效 因，还有1.3亿人口尚未能够使用电能率不断提高，技术难度与成本不断降低 并得到生活改善 发展契机－LVDCSUS的应用及意义 Transmissionlines 125kV-500kV 1000 Datacenters RailwayiSubway 1500V 750V 600V 350V Aircrafts 100270V 48V Telecom Motorvehicles 42V Spacecrafts ~18V24V 10Appliances12V Directcurrentvoltage(M) ~5VCommercialand IC Chips residentialbuildings 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。 2023/7/12 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生态驱动因素终端负荷的柔性化、直流化趋势安全驱动因素市场资源一市场多元化，混合形式市场驱动因素再电气化新型智能家电和设备数字驱动因素技术融合DERs+ES+LVDCSUS+AI技术驱动因素 可持续发展，双碳目标经济驱动因素 技术成熟度，经济可行性 1)分布式直流型电源，光伏发电成本下降，效率提升电力电子技术发展 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 六大驱动因素 2023/7/12 发展契机－LVDCSUS的应用及意义 能源供给革命：建立多元供应体系。高渗透可再生绿色能源 LVDC 流1.5G通讯 分布式光伏+储能+ 低压直流供电+柔性负荷 能源消费：抑制不合理2.大数据中心数字经济时代，算力成为基础设 能源消费。负荷直流化、施和核心生产力 柔性化、无人化、可移动3．建筑（智慧办公、市政、家居） 需求等4.电动汽车充电桩 颠馨覆 能源技术：带动产业升5.人工智能、机器人 级。电力电子、AI、IOT. 区块链等6.工业互联网、区域供电物联网 能源体制：打通能源发模式7.城际高速铁路和城际轨道交通 展快车道。终端化、分布8.电动飞机、舰船、港口岸电 式等9.新农村电气化直流建筑联盟 2023/7/1213 提纲 背景 发展契机 新一代LVDC供用电系统及特征 四国际发展、动向 五展望 2023/7/12 新一代LVDC供用电系统及特征 外部电网 电力电子 1500V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 光伏发电湖合能系统中开网 375V 电力电子 变压器气电转换系统 数据中心工业能动 第 此处绍表示，发、落、用一体化的 全方流生想式（如 可完全独立运行，必要时也可支外部电的运行 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。 新能装并 奥中式电动光代发 汽车充电站 查流375V直大功 5题讯基站错能系统率系电 发活用一体化直 代发电 查流48V查连智能电干设备 2023/7/12 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（CommonDC LVDC Busbar) 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。 直流建筑 LVDC 2023/7/12 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 10kV交流电源 机体（unitcell）“源-网-荷-储”10/0.4kV变 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。 AC380V +375V 不仅可产生多种功能的装置，也构成直流母线(HoneycombStructure 灵活多变的网中网网络，也可以实现M 各种控制策略-375V 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。电池储能！充电桩充电桩照明照明 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。 2023/7/12 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； Distributed Renewable Flexible Energy DCLoads 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： IOTEnergyICT4)涵盖从工业级别到家用级别的各种直流负载，同时集成分 Storage布式新能源，能够相应提高用户感知能力； LDCSUS ?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。 2023/7/12 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） “直”一低压直流配电系统（网）"桑－柔性负荷（荷） 薄膜光伏组件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。 充电控制器广义的电力系统中柔性一，电力系统应对确定性和不确 计量器定性因素所导致的参数变化的响应能力和可控性。 逆变器 电池负荷时间弹性是指负荷与时间存在的弹性关系，但 监察系统 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 日间间段的可能性。 2023/7/12夜间 三、新一代LVDC供用电系统及特征一Flexibi 应性) 柔性是电力系统管理变化的能力。 灵活性来自： 网络的用户； 网络本身 柔性是协调众多参与者改变其行为的 能力： 柔性负荷： 及时转移； 减少（或增加） 柔性发电： 缩减； 及时转移(CHP) 为大容量电力系统运行提供支持柔性存储： 减少配送系统瓶颈弹性负荷 灵活负载 或灵活生成 2023/7/12 3.3荷 柔性负荷(flexible 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。 2023/7/12 提纲 背景 发展契机 新一代LVDC供用电系统及特征 四国际发展、动向 五展望 2023/7/12 四、国际发展、动向 IECSyCLVDC 2014年成立SEG4，2017年1月升级 成立了SyCLVDC SystemCommittee LVDC 主要功能：Sy Secretariat 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 CAG-1CAG-2 MarketReviewforCoordinationand WG-1 LVDC 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 StandardsandUseImplementationStandards Casesfor 2023/7/12 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。 ②IEC62955:LVDCPowerGuidelines-Systemefficiencyimprovement withLVDCpowersupplyIEC62955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。 2023/7/12 四、国际发展、云动向一IEC有关LVDC的专委会及 TC22SyCSMTC8SC8A SyCSmartEnergy SC8BWG5 SC8ATC82 TC13电动汽车TC64数据中心 SyCSmartCities ......TC8 系统分析应用 工业应用 SC8B分布式直流配电口规划口电动汽车 SyCLVDC 系统的规