国网江苏电科院：2024多场景直流配用电系统关键技术及应用研究报告

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44未来展望1.1形势与背景国家电网1.1形势与背景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/新能新能源装机容量占比源装源装机容量16辆0031.1形势与背景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交流10kV北交流380V直流750V流750v储能、“光伏+储能”等模a4国家电网交流并网台变交流并网台变直流并网直流并网负载率：75%98.5%负载率：75%98.5%光伏逆变器98.3%光伏逆变器98.3%10kV变压器99.1%10kV变压器的平均效率。直流适配器97.4%率为97.4%。交流适配器96.1%升压直流变98.5%降压直流变98.5%主网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6■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。国家电网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。8TATKG1Da1ANGsUKL.K(TKICrow8TATKG1Da1ANGsUKL.K(TKICrow直流负荷舱首个直流配用电技术试验平台直流断路器平台特色关键设备>业内首次突破±10kV/15kA/2ms直流断路器>效率高达98.3%直流变压器平台特色试验能力>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零碳配电楼零碳配电楼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。1022高效能直流配用电技术及应用灵活性交直流互联技术及应用44未来展望海上风电海上风电2.1海上风电中压直流汇聚送出国家电网近年来，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2639万千瓦。远海风电机组正向超大型化方向发展，汇集系统无功风场国家电网2.1海上风电中压直流汇聚送出2.1海上风电中压直流汇聚送出国网江苏省电力有限公司STAT5GMDAIANGSURU.KCTKIC采用中压直流汇集技术，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。直流线路直流线路百测海上风电柔直并网系统百测交流汇直流传输系统交流汇直流传输系统上风电场上风电场交流线路交流线路“海上风电全直流并网系统直流传输系统直流汇集系统直流传输系统国家电网2.2海岛、海上石油平台供电2.2海岛、海上石油平台供电2人2人直流成本直流成本高火岛车由岛交流成本小竹山岛2.3铁塔直流基站2.3铁塔直流基站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，光伏接入直光伏侧直流回路光伏侧直流回路负载侧直流回路直流控制器流配电箱光伏组件直流负载2.4数据中心2.4数据中心5TATLGs1031ANCPOWE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负荷特点负荷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2.4数据中心交流电源交流电源模块服务器主板服务器服务器直流配电柜效率：接近100%数据中心直流化改造负载率/%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%国家电网2.5工业变频类负荷2.5工业变频类负荷5TATEGs1031ANGStkua0riCPO2022年全国电力工业用电量达到5.6万亿千瓦时，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%。国家电网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。动电路软启电路外按制动软启电路电阳变频电路M整整流电某工业园区电动机能量回馈现象不控整流类变频器结构某工业园区电动机能量回馈现象工业变频电机直流化改造在工业变频电机场景推广直流配用电技术，能效提升1.4%国家电网2.5工业变频类负荷——石油化工领域2.5工业变频类负荷——石油化工领域51ATEGsID31sNGSBnCPOW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。国家电网2.5工业变频类负荷2.5工业变频类负荷——石油化工领域传统配电采用“一井一机一变”的方式，系统效率低，变压器冗余度大。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AC/DCAC/DCAC/DCDC/ACDC/ACDC/国家电网基于抽油机位置检测的错峰运行控制技术保障各时刻内：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网络基于下垂稳压的馈能调节控制技术能量大小，为保障回馈能量被完全利用，采UaH耗能电阻投入电压逆变器输出频率国网江苏省电力有限公司51ATLtsu031ANGSUBLEcncPOWEKC0.1L1D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。全口径CO₂排放当量5420万吨■煤层气0.39%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开关电源类负荷直流环节单相含PFC型效率：96.54%三相VIENNA整流型效率：95.65%LLCLLC变换器直流输入98%√对于充电桩类负载，可以进行光储充一体化国家电网2.7光储充一体化2.7光储充一体化大规模光伏、储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。储能电站交流10kV交流380V交流380V交流380V交流380V交流380V直流750V直流375V直流750V直流375V2.8光储直柔零碳建筑2.8光储直柔零碳建筑国网江苏省电力有限公司目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建建筑筑能能耗耗水平水平wwh/h/m降低30%m??aa降低30%降低30%低能耗1980~19811986~19961996~20062006~20162016~至今2.8光储直柔零碳建筑2.8光储直柔零碳建筑2.9医院建筑直流电气2.9医院建筑直流电气典型场景应用1抢救室医疗设备多，电源线杂乱，护士2交流电源适配器占用摆放空间，限直流电源直接供电，用电灵活，便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。墙插2.10居民用户直流用电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，打通国家电网2.10居民用户直流用电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直流负荷进线750V每栋别墅直流供电容量15kW,5栋别墅共75kW直流负荷大功率5号别墅6号别墅7号别墅8号别墅9号别墅交直流混供纯直流供电纯直流供电纯直流供电纯直流供电2.10居民用户直流用电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。改造前改造后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220V44未来展望3.1配网柔性互联技术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，支撑新型配电现有配网存在以下问题：1、负载率普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。国家电网国网江苏省电力有限公司8TATKGg1D31ANGsUK.X(TKIC●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%,在距其实验楼配变超载实验楼配变超载200实验楼配变功率控制在60%五后4心实设楼命区进续功中一一万*后配电楼份双进续动丰互互联前互联后中心实验楼台区配电楼台区1#配衰光伏填件(40kW)常现负研国网江苏省电力有限公司●针对相邻网格末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。联合变联合变新生1①故障检修实现互联线路供电故障检修四端口并联型2MW故障转供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3.2典型适用场景●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。==光伏倒送风险光伏倒送风险充电需求激增QQ电气城电气城碳建筑三端口100kW3.2典型适用场景3.2典型适用场景国网江苏省电力有限公司性互联装置改变线路潮流以实现不停电融冰。融冰电缆3.2典型适用场景3.2典型适用场景8TAT8GB1Da1ANGsU3.2典型适用场景国家电网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●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。用户专变1用户专变2计量点1Φφ计量点2柔性互AC380V联装置AC380V3.2典型适用场景国家电网国网江苏省电力有限公司路电源点的最大需量，企业基本电费降低30%左右。max|p.(t)+p.(L≤max|p.用户专变1用户专变1用户专变2计量点2柔性互联装置重载台区轻载台区 方案一企业需量之和2000kW,方案二方案二企业负荷实时功率改造后改造前改造后改造前3.2典型适用场景国网江苏省电力有限公司suTn●数据中心采用2N冗余供电，由2个不同电源全容量备供，冗余容量大，外线成本高。●采用多端口柔性互联可实现冗余容量共享，实现虚拟增容，大幅减少外线投资。燕郊220kV变电站姜庄110kV燕郊220kV变电站分接箱桑性互联A机房/10MWB机房/5MWC机房/5MW新增D机房/10MW程总造价约为3200万元。3.3示范应用3.3示范应用STAT5GMDJIANGSu.XTRICrOW扬中为江苏光伏渗透率最高的县域，部分线路存在光伏倒送及倒送过载现象，在新坝110kV变电站投运国内首套户外三端口中压柔性互联装置，优化了线路负载分配，有效缓解线路重载及光伏倒送问题，削减20%负荷尖峰，保障配网安全运行。220kV万太变220kV普庆变最大化实现光伏发电就地消的.新坝变新坝变①①能应用，增祸配同员活能力，促三端口中压互联