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-山东大学_41页_14mb

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总结

一、背景

1.1 能源革命与双碳目标

• 能源革命推动绿色、低碳、分散化能源发展。
• 双碳目标（碳达峰、碳中和）对能源系统提出更高要求。
• 配电网面临安全、可靠、经济、绿色、智慧、可持续发展的挑战。

1.2 配电网面临的挑战

• 高熵能量源流的随机性、波动性和不确定性。
• 高比例可再生能源渗透率与弃电率正相关。
• 需要技术变革以实现发用储能一体化（ProConsumer）。

1.3 直流配用电的优势

• 直流供电可直接连接分布式新能源与直流负荷终端，实现“即插即用”。
• 低压直流配电系统可提升电网效率，降低损耗，增强系统灵活性。
• 能与物联网技术融合，实现智能控制和数据采集。

二、发展契机

2.1 为什么要采用直流供用电

• 大量终端设备采用直流供电，如电子通信设备、LED照明、直流电机等。
• 电力电子技术进步使DC-DC转换效率提升，成本降低。
• 柔性负荷、柔性发电、柔性存储的发展推动直流供用电系统应用。

2.2 LVDCSUS的应用及意义

• 能源供给革命：建立多元供应体系，提高可再生能源渗透率。
• 能源消费：抑制不合理能源消费，满足负荷的直流化、柔性化、无人化、可移动需求。
• 能源技术：带动产业升级，融合物联网、AI、大数据、边缘计算、云计算等新技术。
• 能源体制：推动终端化、分布式能源发展，实现能源系统开放与共享。

2.3 LVDCSUS的驱动力和可行性

• 源端：可再生能源快速增长。
• 终端：负荷柔性化、直流化趋势明显。
• 市场：资源多元化和混合形式。
• 再电气化：新型智能家电、设备的需求。
• 技术融合：DERs、储能、LVDCSUS、AI等技术协同。
• 可持续发展：双碳目标推动绿色、高效能源系统建设。

2.4 国际标准与技术发展

• IEC SyC LVDC：成立于2014年，2017年升级为标准工作组，推动LVDC系统标准化。
• IEC TS 63191：提供低压直流配电系统的电力质量解决方案。
• IEC 62955：指导LVDC系统设计、制造、安装和使用。
• IEEE标准：推动LVDC在微电网、商业建筑、住宅等领域的应用。
• UL 1699B、NEC：确保低压直流配电系统的安全性和性能。
• ITU标准：制定LVDC供电系统相关推荐标准，如ITU-T L.1300系列、L.1400系列。

三、新一代LVDC供用电系统及特征

3.1 系统特征

• 全直流生态，实现发、储、用一体化。
• 具备高效、灵活、自适应、自优化能力。
• 覆盖从工业级到家用级的直流负载。
• 融合物联网、AI、大数据等新技术，实现智能控制。

3.2 典型运行模式

1. Proconsumer模式：由DER、储能、直流网络和负荷组成，实现能源的就地生产、存储与使用。
2. Common DC Busbar模式：适用于可再生能源有限但直流负荷需求大的场景，通过AC/DC变换器向直流负荷供电。

3.3 柔性概念

• 柔性是指系统应对不确定因素的响应能力。
• 柔性负荷可随时间转移，柔性发电可缩减或转移，柔性存储可灵活调节负载或生成。

3.4 光储直柔建筑

• 以分布式光伏（源）、储能（储）、低压直流配电（网）、柔性负荷（荷）为核心。
• 提升建筑能源利用效率，实现绿色低碳目标。

四、国际发展与动向

4.1 IEC SyC LVDC

• 推动LVDC系统标准化，支持技术商业化。
• 聚焦中低压直流供电系统，包括智能逆变器、电力电子接口等设备。

4.2 IEEE标准

• IEEE 1547系列：规范低功率LVDC系统接入电网。
• IEEE LVDC Forum：推动LVDC在微电网、商业建筑和住宅的应用。

4.3 NEC与UL标准

• NEC Article 411：涵盖低压直流系统的设备、安装和保护要求。
• UL 1699B：确保低压直流系统的安全运行。

4.4 国际应用案例

• 电动飞行器：全球超过200家企业和机构研发电动飞行器，已有纯电动客机试飞成功。
• 未来武器：中国马伟明院士提出“超级战舰”概念，集成电磁轨道炮、激光武器等。
• 未来医疗：低压直流急诊抢救室已在江苏妇幼保健院试点应用。

五、展望

5.1 新型电力系统发展趋势

• 集中规模化与分布式本地化模式并存，相互协调。
• 高效、经济、星罗棋布的DER和储能将为新型电力系统“造血”。
• 多元化、移动化、直流化负荷推动系统“换芯”。

5.2 柔性化与智能化

• 柔性化技术成为需求侧响应（DSR）的重要手段。
• 数字化赋能电网，通过AI、数字孪生等技术提升规划与运行效率。

5.3 新业务与市场模式

• 能源投资模式与互联网金融创新融合。
• 制定激励政策，推动利益相关者协同发展。

5.4 LVDCSUS的作用

• 作为传统交流配用电的有益补充。
• 实现双碳目标的新路径。
• 新型电力系统的重要组成部分。
• 实现再电气化的新利器。
• 为中国制造提供新契机。
• 能源互联网的新动力。
• 颠覆传统供电形式的新业态。

参考资料

1. 马钊，周孝信，尚宇炜，周莉梅. “未来配电系统形态及发展趋势”. 《中国电机工程学报》，2015.
2. 马钊, 周孝信, 尚宇炜, 盛万兴. “能源互联网概念、关键技术及发展模式探索”. 《电网技术》，2015.
3. 马钊, 梁慧诗, 苏剑. “主动配电系统规划和运行中的重要问题”. 《电网技术》，2015.
4. 马钊, 赵志刚, 孙媛媛, 李亚辉, 李可军. “新一代低压直流供用电系统关键技术及发展展望”. 《电力系统自动化》，2019.
5. 梁永亮, 吴跃斌, 马钊, 张恒旭, 孙媛媛, 娄杰, 李可军. “新一代低压直流供用电系统在‘新基建’中的应用技术分析及发展展望”. 《中国电机工程学报》，2021.
6. 马钊. “双碳目标倒逼新型电力系统建设提速”. 《中国能源报》，2021.
7. 马钊. “未来供用电系统: 新一代低压直流”. 《中国科学报》，2020.
8. 马钊, 李亚辉, 孙媛媛, 孙凯祺. “Low Voltage Direct Current Supply and Utilization System: Definition, Key Technologies and Development”. CSEE JPES, 2023.