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未来供用电系统:新一代低压直流

发布时间:2020-05-19 浏览次数:1392来源:中国科学报

   发展低碳化、数字化、智能化、可持续发展的能源系统已经成为全球共识和目标。随着分布式能源渗透率的逐步提高和电子设备直流负荷的快速增长,配用电系统中的多元源荷呈现出非线性、随机性、强耦合等特征。
  分布式直流型电源和终端直流负载直接相连,可省去大量电力电子转换装置,减少损耗,提高电网供电效率和经济性。同时,直流供用电避免了交流电网固有的同步和稳定性问题,有功和无功功率可快速且独立解耦。
  值得关注的是,在过去30年里,电子和通信技术已经渗透到我们生活的方方面面。随着数字化转型,直流负荷还将大幅度增长。此外,各种因素正在推动全球能源系统转向资源--市场混合形式。未来电网将出现不同能源的组合,电能消费者和生产者将频繁转换,因此,新一代低压直流供用电系统的研究十分必要。
  新一代LVDC供用电系统
  新一代低压直流(LVDC)供用电系统是发、储、用一体化的全直流生态供用电系统,由可再生能源、直流供用电网络、储能装置、直流负荷组成,具有安全可靠、经济高效、绿色低碳、开放互动等特性。
  该系统主要运行模式有两种。
  一是全直流生态模式,即发、储、用一体化的全直流生态供用电系统,将颠覆目前自上而下的能源输配格局,形成自下而上、自愈自平衡的网格化能源生态。在低压用户的全直流生态系统中,通过屋顶光伏等新能源发电技术生产电能,利用储能技术在满足用户自身需求的前提下,并网发电,充分发挥用户多余电能的价值。还可通过区块链直接实现点对点的电能交易,构成产、销、储、用一体化的运行模式。
  二是交流电源转换的直流共母线低压直流供用电系统,主要应用于可再生能源有限而直流负荷需求更大的场景。此场景需要交流电经AC/DC变换后作为供电电源,再经共直流母线配合储能装置向负荷直接供电。
  广阔的应用场景
  数据中心、电动汽车、建筑终端、智能家居等"新基建"项目市场巨大,耗能逐年增长,数字基建、公共服务基建为LVDC供用电系统提供了广阔的市场和用武之地。
  随着通信行业中移动数据的需求量急速增长,5G技术由于其数据传输速度效率高而得到快速开发,未来能源物联网同样需要依托快速高效的海量数据传输。因此,数据中心24小时处于运行状态,成为耗能巨兽。值得注意的是,数据中心的设备均为直流负荷,而LVDC供用电系统可为数据中心直接提供电力,免去了传统的不间断电源(UPS)系统DC/AC、AC/DC两级变换环节,电路结构得以简化且降低了损耗,提高了效率。可以预见的是,未来LVDC供用电系统在通信行业,尤其是数据中心的发展过程中,具有迫切的发展需求。
  如今,电动汽车逐步替代燃油汽车成为趋势。目前,电动汽车充电有交流充电桩(慢充)和直流式充电桩(快充)两种形式。其中,直流充电由于电压、电流调节能力强,可提供足够的充电功率,可满足"快充"的要求,将得到大力发展。未来新一代LVDC系统的发展不仅能高效容纳大量直流电动汽车充电桩,还可通过物联网技术实现电动汽车的智能管理,具有广阔的市场。
  与此同时,推动建筑物不断迈向近零能耗乃至零能耗已成为国际趋势,新一代LVDC供用电系统也完全顺应了这一方向。据了解,我国未来700亿建筑面积中,可以安装太阳能光伏的表面超过100亿平方米,每年可发电约2万亿千瓦时,可满足建筑的大部分用电需求。LVDC技术将推动建筑物不断迈向零能耗乃至负能耗,而建筑领域相关标准的制定和执行也将为LVDC供用电系统的发展提供有力保障。
  另外,智能家居可实现智能管控、能源可视,提高供电质量与用户体验的纯直流家电也将引领家电产业的发展方向。目前,智能家电已经形成产品,家用电器基本实现全直流覆盖,价格与交流产品相当,而随着需求量增加价格仍有下降空间。低压直流供用电系统不仅首次投入的成本可降低,且减少了逆变环节、降低功率损耗,全生命周期运维费用也会降低。如果安装用户侧储能设备,用户可根据自身能源系统的特点和能耗情况来控制储能设备的运行,既降低费用,利用柔性负载特性匹配分时电价获益,又有利电网削峰填谷。
  建议纳入"十四五"规划
  目前直流供用电技术暂不会取代交流供用电技术,但如果在"新基建"项目采用新一代LVDC供用电系统,将具有一定竞争力,有望颠覆传统供电形式。为此,笔者建议在我国"十四五"能源规划中将"集成分布式光伏+低压直流电源+储能的新型供用电模式"纳入考虑。
  首先,加强统筹规划和顶层设计,建议综合差异化、定制化、灵活性、柔性需求等,以全社会经济效益提高为目标,以共商机制促进融合,在集成光伏建筑一体化、低碳绿色建筑、5G通信电源、农村再电气化、智能家居等领域,规划新方向,制定路线图。
  其次,从国家政策层面,以共建机制促进多元化运营,以共赢的市场化机制让"新基建"赋能经济,逐步建立完善公平可行的市场机制,发挥政府财政资金引导和补空缺,最大化发挥投资带动作用(并不是单纯经济补贴)。另外,建议分布式能源市场从农村开始,鼓励社会资本投资,建立机制引导推动。
  在技术方面,建议跳出高压直流和传统交流技术惯性思维的限制,从"网思维"向"系统思维",从"物理学思维"向"生物学思维"转变,从单纯技术观念向全社会经济开阔视野,把技术视野下的"硬件组合"和经济社会以及人文相关的"软件组合"相结合,追求适应、联系、共生。
  最后,建议鼓励支持创新示范应用,以共享方式试点示范推进新基建发展。鼓励支持地方政府和相关企业开展具有示范性并可真正复制的模块化设计、工程等。

 

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