未來配電網的形態(tài)將是多個電壓等級構成多層次環(huán)網狀、交直流混聯(lián)、具備統(tǒng)一規(guī)范的互聯(lián)接口、基于復雜網絡理論靈活自組網的架構模式。直流配電網是未來能源互聯(lián)網的基本支撐環(huán)節(jié)，以柔性直流技術為代表的中壓配用電網也會是未來的發(fā)展趨勢。近年，直流配用電網絡的科研研究及項目試點在國內與我們漸行漸近，為此，智見能源推出《直流配電網會大規(guī)模應用于電網嗎？》的系列專輯，本期的主題為《直流配電網的需求趨勢及優(yōu)勢》。
直流配電網的需求趨勢及優(yōu)勢
以區(qū)域直流、交流環(huán)形母線為基本結構單元的環(huán)狀結構上，可以方便地接入各種電源、負荷和儲能裝置，構成一個層級的基本結構單元，同時也是能量管理單元的設備支撐。
一、直流配電網的需求
（一）配電網面臨的新形勢
直流驅動的負載比重越來越大——50%以上電器為直流或類直流負荷，且品類繁多，與我們的生活息息相關；
分布式新能源發(fā)電高密度接入及充分利用——未來以光伏、分散式風電及其它可再生能源占比將達到50%以上；
電動汽車大規(guī)模推廣——十三五迅速增長；
電力儲能系統(tǒng)的逐步推廣應用；
重要敏感負荷的高可靠、高質量供電。
（二）配電網遇到的新問題
電網結構復雜、短路容量增大；
交直流能量變換損耗高；
可控性靈活性差；
雙向互動、新能源支持能力差；
電能質量問題突出。
二、直流配電網的優(yōu)勢
伴隨城市規(guī)?？焖僭鲩L以及信息技術迅速發(fā)展，電網內敏感負荷、非線性負荷，以及其他重要負荷越來越多，交流配電網內線損大、供電走廊緊張等問題日益嚴重。電壓波動、電網諧波加劇、電壓瞬時跌落以及三相不平衡現象加劇等問題亦日趨惡化。現有配電網結構和方式亟需改變。直流配電網具有減小線路損耗、改善用戶側電能質量、提高供電容量、隔離故障區(qū)域以及可再生能源及儲能裝置便捷、靈活接入等優(yōu)點。
1、直流配電網的供電容量大(供電半徑)
相同的線路走廊，直流配電網可輸送更多容量。設現有線路的額定線電壓為VAC，額定線電流為IAC，功率因數cosφ=0.9，那么，該線路的額定功率PAC=√3 VAClAcCOSφ；若直流配電網采用雙極結構，且設其額定直流電壓為VDC、額定電流為IDC，則線路所傳輸的額定功率為PDC=2VDClDC。
因此，在相同的絕緣水平、相同的導線截面及電流密度情況下，
則由上式可知，對于雙極結構的直流配電網而言，其傳輸功率與原交流線路大致相等，即在線路走廊寬度和建造費用相同情況下，直流線路所能傳輸的功率約為交流線路的1.05倍。可見，直流配電能夠有效提高供電容量(半徑)。
2、直流配電網的電能質量
對半導體芯片生產行業(yè)而言，電壓波動、頻率變化、閃絡沖擊、三次及以上諧波幅值增量，都可能對產品生產造成較大影響，這些企業(yè)對電能質量的要求高于國家對交流配電網電能質量的標準；另一些企業(yè)，如建材、汽車、電纜制造行業(yè)，均存在大量的沖擊負荷，當沖擊性負載(冶煉爐、電焊機等)接入交流配電網時，會對交流配網造成沖擊，引起電壓驟降等電能質量問題。對于接入快速響應的儲能設備的直流配電網，仿真表明，沖擊性負載造成的電壓閃變僅為I-2％。另外，相對交流配電網而言，分布式儲能設備接入直流配網的技術難度相對較低，一旦儲能設備的研制取得突破，便可在直流配網中廣泛配置，從而有效解決用戶側直流電壓閃變等問題。
此外，柔性直流配網中的換流器可以靈活地吸收或發(fā)出無功功率，起到靜止無功補償器(STATCOM)的補償作用，從而對交流系統(tǒng)側與交流負荷側的無功功率進行動態(tài)補償，起到穩(wěn)定交流母線和用戶側電壓的作用。
3、直流配電網的線路損耗
考慮到交流電纜金屬護套所引起的有功損耗及交流系統(tǒng)的無功損耗，在直流配電網直流電壓為交流系統(tǒng)線電壓兩倍的情況下，直流配網的線損僅為交流配網的15％～50％。即使交流配網的線損降低可通過添加無功補償設備等措施來實現，但這將增大系統(tǒng)的建造成本，及其復雜性。
4、直流配電網能量傳輸效率
在進行電壓變換時，交流配電網的電能損耗很小，傳統(tǒng)的交流變壓器效率可達98％。直流配電網所采用的電壓源型(Voltage SourceConverter,VSC)換流器與直流變壓器，主要由電力電子器件構成，因此其開關損耗和通態(tài)損耗一般較大，其能量傳輸效率約為85～95％，低于交流變壓器。但另一方面，直流配網的線路損耗遠低于交流配網。因此，交、直流配網的整體傳輸效率仍需要進一步的論證與研究。就目前而言，交流配網和直流配網的整體效率相差不大，但可以預見的是，隨著電力電子技術的進一步發(fā)展，各類換流器的開關損耗和通態(tài)損耗將不斷降低，直流配網的傳輸效率具有較大的上升空間。
5、直流配電網的可靠性
若直流配電網采用雙極系統(tǒng)，當其中一極發(fā)生故障時，另一極可繼續(xù)為負荷輸送功率。相比于交流配電網，直流配電網中接入蓄電池、超級電容等儲能設備的技術難度相對較低。因此，直流配電網的故障穿越能力與供電可靠性較高。
通信中心和信息中心多為敏感負載，如存儲設備、服務器等，它們對供電可靠性的要求極高?；诿绹鴶祿行牡牡湫徒Y構，考慮直流配電在這一特殊負載地點的應用，分別對交、直流配電網下的可靠性指標進行了計算，計算結果表明，相對交流而言，直流配電系統(tǒng)具有更高的故障穿越能力和可靠性。
6、節(jié)能降耗及直流配電到戶的可行性
實際上，目前大量的家用電器都采用直流電，在交流配電網內，需配置相應的整流電路模塊。但是，如果采用直流配電網的方式直接為家庭用戶提供直流電，便可省去這些換流器，減少由交流轉為直流的轉換次數，既可以降低換流損失，實現節(jié)能降耗，同時也降低了設備制造成本。
通過對多種常用家電設備的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)模型，針對不同型號、不同用途、不同廠家的電器在采用直流電情況下的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程進行了實驗研究。結果表明多數家用電器能夠在直流配網下運行。日常家用電器可直接用于低壓直流配電系統(tǒng)，且供電電壓與電流的紋波大幅降低，電能質量有了較大改善。實際上，由于采用交流供電方式，多數家電需添加AC／DC換流器，采用直流供電時則可以省去，從而達到節(jié)錢降耗的目的，可見直流配電到戶完全可行。
7、清潔能源及儲能設備的便捷接入
風能、太陽能等新能源發(fā)電形式的大規(guī)模分布式并網已成為一種趨勢。光伏電池等發(fā)出的直流電具有隨機性和間歇性，需要配置相應換流器及儲能裝置，并需要通過復雜的控制策略才能實現交流并網。風電產生出的是一種隨機波動的交流電能，需要安置AC/DC/AC換流器和一些適當的儲能裝置，并通過復雜控制才能并入交流電網。
各類儲能裝置，如蓄電池、超級電容器等，都以直流電形式存儲電能，必須通過雙向DC/AC換流器和復雜控制，才能使用于交流電網。但是，如果采用直流配電網供電方式，無論是新能源分布式并網，還是儲能裝置的接口控制技術，都要簡單得多。
下圖為基于VSC換流器的直流配電網結構，VSC換流器將各類交流電源發(fā)出的交流電變換為直流電，經直流輸電線路將電能輸送至負荷端，再反變換為交流電供負載使用。
三、直流配電網存在的問題
目前，柔性直流配電技術仍處于起步階段，在實際的應用仍有問題待進一步的研發(fā)解決，如：根據城市發(fā)展規(guī)劃和資源特點如何利用好柔性直流配網的技術優(yōu)勢，如何保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，柔性直流配網的運行方式進一步細化等。可以預見，柔性直流配電技術的發(fā)展必將為技術革新和效益提升帶來新的思路和理念，為中壓配網技術的發(fā)展提供強有力的技術支撐。
