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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

一、背景

1.1 能源革命与双碳目标

能源革命正推动全球能源结构向绿色、低碳、分散化方向发展。可再生能源（如光伏）的快速普及和能源系统对安全、可靠、经济、绿色、智慧、可持续的需求日益增长，为低压直流供用电系统（LVDCSUS）的发展提供了契机。

1.2 配电网面临的挑战

传统交流配电网面临高熵能量源流的随机性、波动性、不确定性，以及负荷的多元化、直流化、柔性化趋势。这些挑战推动了对新型供用电系统的需求，尤其在欠发达地区，仍有大量人口未接入电网。

1.3 直流配用电的优势

低压直流供用电系统具备安全、灵活、高效等特性，能够实现分布式新能源与直流负荷的直接互联，支持“即插即用”功能。同时，其天然的物联网特性，使其易于集成智能控制技术。

二、发展契机

2.1 采用直流供用电的必要性

随着电子与通信设备、LED照明、直流电机等设备的广泛应用，直流供用电成为现实需求。此外，未来智能电网将大量使用分布式发电，而直流供电能提升电网效率和降低损耗。

2.2 LVDCSUS的应用及意义

LVDCSUS为可再生能源的有效接纳和发储用协调提供了新契机，具有高可控性、强兼容性、良好供电安全等优势。其应用场景包括：

• 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，满足负荷的柔性化、无人化、可移动需求。
• 能源技术：带动电力电子、AI、IOT、区块链等技术的融合与升级。
• 能源体制：推动终端化、分布式等新型能源体制的发展。

2.3 LVDCSUS的驱动力

LVDCSUS的发展受到多方面驱动：

1. 源端：高比例可再生能源的快速增长
2. 终端：负荷的柔性化与直流化趋势
3. 市场：资源多元化与市场创新
4. 再电气化：新型智能家电和设备的需求
5. 技术融合：DERs + ES + LVDCSUS + AI等技术的集成
6. 可持续发展：双碳目标的推动

2.4 技术成熟度与经济可行性

随着电力电子技术、储能技术、直流家电的发展，LVDCSUS的经济可行性不断提高。试点工程表明，低压直流供用电系统具备可及、可用、可控的技术体系。

三、新一代LVDC供用电系统及特征

3.1 系统特征

新一代LVDCSUS具有以下特征：

1. 全直流生态：实现发、储、用一体化，提升系统灵活性与可靠性。
2. 网中网结构：支持多层级、多子系统的灵活组网，提升系统适应能力。
3. 绿色节能：减少能源损耗，提升新能源利用率。
4. 智能控制：融合物联网、大数据、AI等技术，实现智能调度与优化。

3.2 典型运行模式

• Proconsumer模式：由分布式电源、储能、直流负荷和网络组成，实现终端用户驱动的能量互联。
• 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变换器实现供电。

3.3 光储直柔建筑

“光”指分布式太阳能光伏，“储”指分布式储能，“直”指低压直流配电，“柔”指柔性负荷。该系统能有效提升建筑能源利用效率，支持智能家居、数据中心、通信基站等场景。

四、国际发展、动向

4.1 IEC SyC LVDC

IEC于2014年成立SEG4，2017年升级为SyC LVDC，致力于低压直流供用电系统的标准化工作，并与SyC SE、微电网等组织紧密合作。

4.2 IEC相关标准

• 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系统的设计、制造、安装与使用，提升系统效率和供电质量。

4.3 IEEE标准

IEEE推出了LVDC论坛，推动LVDC在微电网、商业建筑和住宅中的应用，涵盖1100V DC范围。主要标准包括IEEE 1547系列、UL 1699B、NEC Article 411等。

4.4 CIRED发展动态

CIRED会议中，LVDC相关论文数量逐年增加，显示出该技术在学术和工业界的广泛兴趣。涉及领域包括直流配电、智能管理、系统优化等。

4.5 国际应用案例

• 电动飞行器：全球已有超过200家企业和机构研发电动飞行器，部分型号已实现试飞。
• 电动飞机：采用直流供电系统，成为未来航空领域的重要趋势。
• 未来武器：集成电磁轨道炮、激光武器等的“超级战舰”依赖中压直流综合电力系统。
• 未来医疗：低压直流急诊抢救室已在部分医院试点应用，提升医疗设备供电的安全性与效率。

五、展望

5.1 未来电力系统趋势

• 集中与分布式并存：配电网从单源向多源发展，分布式、智能化加速。
• 高效经济的DER和储能：成为新型电力系统的重要“造血”资源。
• 多元化、移动化、直流化负荷：推动电力系统“换芯”。
• 系统灵活性：DSR和柔性化技术成为新的市场蓝海。

5.2 LVDCSUS的作用

LVDCSUS是传统交流配用电的有益补充，是实现双碳目标、新型电力系统建设、再电气化、能源互联网发展的重要路径。

5.3 发展建议

• 关键技术：需持续创新研发，提升系统性能与安全性。
• 战略部署：明确技术路线，推动产学研用深度融合。
• 市场潜力：巨大，但需科学、理智地推进。

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.