2024多场景直流配用电系统关键技术及应用研究报告

国家电网 STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 多场景直流配用电系统关键技术及应用 国网江苏电科院刘瑞煌 2024年5月 目录 国家电网 STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 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 国家电网 STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 m3.,LTD 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 120044.80% 750% 500保 有量 ■充电桩电动汽车 新新4004 能1000 800 40%源 装机 万辆 300 源装机容量 W 60031.60%容 30%量 400 占比 200 200100 20% 0 2014201520162017201820192020 数据来源：国家能源局数据来源：中国电动汽车充电技术设施促进联盟 新能源装机规模不断上升电动汽车等多元负荷快速增长 3 1.1形势与背景 国家电网 STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 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。 交流10kV 配电变压器变换环节多配电变压器 大力发展直流供电、分布式 交流380V流380V储能、“光伏+储能”等模 式探索多样化能源供应。 DCDC 直流750V直流750V 国发【2021】23号文 光伏电站 储能电站新能源轿车 数据中心4 1.1形势与背景 国家电网 STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 交流并网 光伏光伏逆变器光伏升压变台变交流适配器负荷光伏逆变器98.3% 中压交流网衣据《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。 98.3%99.1%99.1%96.1%92.8%10kV变压器99.1% 依据《电力变压器能效限定值及能效 光伏升压直流变降压直流变直流适配器负荷 等级》，采用一级能效指标计算重载 10kV变压器的平均效率。 中压直流网直流适配器97.4% 直流适配器实验室测试重载下转换效 率为97.4% 98.5%98.5%97.4%94.5%交流适配器96.1% 光伏DCDC变流器直流适配器负荷 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 直流并网 低压就地消纳低压直流网的实验室重载下最高效率 升压直流变98.5% 负载率：75% 98.5%97.4% 降压直流变98.5% 95.9%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， 5 1.2探索与实践 国家电网 STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 实现交直流微网控制建成连岛能源示范区成立首个直流联盟住建部“光储直柔”示范 主网 微网 2015年2月2018年10月2019年4月2020年7月2021年3月2021年9月2022年8月 厂建成同里综合能源小镇建成直流试验平台建成吴江中低压直流工程 江苏公司在直流配电领域持续探索实践 6 重大项目一一牵头国家重点研发计划项目 国家电网 STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 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 2021年电力电子变压器”国重项自验收2022年“中低压直流配用电”国重项目验收 9月27日1月18日 2017年“基于电力电子变压器的交直流混合2018年中低压直流配用电系统 可再生能源技术研究”关键技术及应用”7 国家电网 示范工程苏州吴江中低压直流配用电系统STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 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。 国际能源变革论坛永久会址同里中低压直流配用电示范工程吴江 检测基地一一中低压直流配用电技术试验平台 国家电网 STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 直流负荷舱 首个直流配用电技术试验平台 直流断路器 直流变压器 MMC换流器 平台特色 关键设备>业内首次突破土10kV/15kA/2ms直流断路器>效率高达98.3%直流变压器 》15种经第三方检测的直流家电 系统性能业内首个真伪双极灵活切换直流系统验证系统故障100ms快速恢复策略 试验能力关键设备性能测试》系统级控保策略试验直流配用电电压等级论证 直流用电技术试验验证拓展能源互联应用模式9 新能源实验室 数据中心 300kW200kw 梯次储能 充电桩试验平台 600kWh 零碳配电楼 300kW 运动场 180kW 屋顶薄膜光伏250kW O 300kW 建成江苏电科院园区直流配用电系统，接入园区屋顶薄膜光伏为运动馆直流空调直流照明 数据机房直流家电提供安全高效电能10 目录 国家电网 STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 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 国家电网 高能效的直流配用电技术及应用STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 LTE 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。 海上风电工业变频开关电源电动汽车户用直流 海上平台石油化工绿色建筑数据中心医院电气 12 国家电网 2.1海上风电中压直流汇聚送出STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 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。 风场容量占地电缆长度 GodeWindI330MW43km²70km NordseeI332MW33km²75km 交流汇聚导致无功功率大，损耗大，过电压问题突出 13 国家电网 2.1海上风电中压直流汇聚送出STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 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 交流线路中压直流汇聚优势： 海上AC/DC烟站直流线路 陆上39005 防上交流变电 交流汇集系统直流传输系统 电上风电场 交流线路 海上风电柔直井网系统>无无功、电压问题； >汇集系统损耗低、传输容量大： 淘上DC/DC直流线路陆上陆上交流变中站无需建设海上升压站； 物电视 直流汇集系统直流传输系统 海上风电全直流井网系统 14 国家电网 2.2海岛、海上石油平台供电STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 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。 240ZA整盖山岛 210 南隍城岛 180 直流成本 高山岛 小高山岛 大唐联凯风电 2411 小猴矶岛车由岛 能子东咀石岛 V大饮站 成本/10万元 150 120 90 距离/km 交流成本换机品 小竹山岛大竹山出 华能风电 24.45MW 8V长山站 山东长岛示范工程长岛县 15 国家电网 2.3铁塔直流基站STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 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。 光伏期直范国路直流并网箱 直流控制器 基贴EPU 交流配电箱 光快组件 直流负费 16 2.4数据中心 国家电网 STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 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 17 2.4数据中心 国家电网 STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 400V97.18%97.55% 98直流端口 96 交流端口 交流AC DC/电源服务器 电源DC PFC AC模块主板94 92直 工 UPS电源90流 UPS装置效率：94.80%率 效88 205V~288V86 可变直电源服务器 流电源模块主板 直流配电柜 直流配电柜效率：接近100% 84交流 82 80 020406080100 负载率/% 数据中心直流化改造数据中心交直流供电效率实测 在数据中心推广直流配用电技术，“能效提升2% 18 国家电网 2.5工业变频类负荷STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 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：煤矿传送机名称：电梯、扶梯 应用：火力发电场场景应用：建筑楼宇场景 作用：在煤炭采掘、生作用：服务于规定楼层 产、转运、加工过程中的固定式升降设备。 传输煤矿。 名称：起重机名称：游梁式抽油机 应用：船舶岸电场景应用：石油化工场景 作用：货物用于安装大作用：服务于规定楼层 型设备和起重。的固定式升降设备。 19 2.5工业变频类负荷一能量回馈提升能效 国家电网 STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 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 动电路 外接制动 变频电路 7275 672V M 1447:43 不控整流类变频器结构某工业园区电动机能量回馈现象 20 国家电网 2.5工业变频类负荷STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 AC400V ACDC DC 制动电阻 AC 装备制造业矿产开采及加工业 直流化改造电机制动回馈电能 DC DC750V AC 工业变频电机直流化改造化工和塑料制品业交通运输及配套产业 在工业变频电机场景推广直流配用电技术，能效提升1.4% 21 国家电网 国网江苏省电力有限公司 2.5工业变频类负荷一一石油化工领域STATEGRID 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。 22 2.5工业变频类负荷一石油化工领域 国家电网 STATEGRID 国网江苏省电力有限公司 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。 AC/DCAC/DCAC/DCAC/DC AC/DC DCDC DC/ACDCIACDCIACDCIAC DC/ACDC/AC 传统“一井一机一变”方式直流汇聚群控方式23 国家电网 国网江苏省电力有限公司 2.