【电网发展前瞻】电网发展形态系列文章（五）：交直流混合配电网发展分析

编者按：国网能源院电网发展综合研究所主要聚焦于电网发展规划与投资政策、智能电网政策与效益、电网精准投资策略、电网投资效益评价与项目后评价等领域，从理论方法、政策机制、发展规划等方面开展研究，实现从理论研究到落地应用的贯通。本专栏将围绕电网发展规划关键问题，从理论研究、政策解读、理念探讨和典型实践等方面展开，结合相关成果和研究思考与读者进行交流分享。

文章导读：随着分布式发电、电力电子和先进控制技术的发展和应用，以分布式光伏和电动汽车为代表的直流发、用电设备在配电网中的占比逐渐上升，大量直流设备通过变流器接入交流电网，另外国内也出现了直流配电网的试点，在此背景下，催生了配电网侧的交直流混合形态。在硬件层面，交直流混合配电网具有有源化、设备电力电子化和通信数字化的发展趋势，而在软件层面，则具有能量管理中的多层级化和控制中的多尺度特性。本文从以上两个层面对交直流混合配电网的发展趋势进行分析，以期为电网企业配电网规划和布局提供参考。

交直流混合配电网发展分析

执笔人：乔丰、田鑫

国网能源院

电网发展综合研究所

一、配电网的交直流混合现状及发展需求

      19世纪末，交流电机和变压器的问世使得远距离且高效率的交流输电成为可能，自此，交流输电技术统治了电力系统长达一个多世纪。近年来，随着电力电子、新能源发电和储能技术的发展成熟，直流发用电技术重返舞台。在输电网中，高压直流输电技术的应用大大提升了远距离输电效率，而在配电网侧，直流发电和直流负荷发展迅速，大量直流设备接入交流电网以及部分地区直流配电网试点的开展催生了配电网的交直流混合形态。在电力电子变流技术和先进控制技术的驱动下，交直流混合配电网高效地兼容交流和直流设备，同时，包括微电网、分布式光伏储能系统在内许多新兴载体的出现，也为多种电源和负荷之间的柔性连接提供了有力支撑。

      在目前的配电网中，虽然交流供电仍为主导且相当一部分交流负荷仍然存在，但以分布式光伏为代表的直流可再生能源和以电动汽车为代表的直流负荷发展十分迅速，怎样可靠和高效地接纳大规模直流分布式电源并对交直流负荷进行有效管理，实现源网荷之间动态高效的协同发展，成为交直流混合配电网发展过程中的关键问题。对于交直流混合配电网发展来说，由于分布式电源、储能等带有直流特性的元件的接入，使电网的物理形态发生转变，称之为“硬件”层面的升级。而由于大量电力电子设备的接入提升了配电网的可控能力，由此带来能量管理和控制方法的转变，可称之为“软件”层面的升级，下面将详细对硬件和软件两个层面的发展趋势进行分析。

二、硬件层面的发展趋势分析

      交直流混合配电网在硬件层面的发展趋势可总结为网络有源化、设备电力电子化和通信数字化。

      有源化是交直流混合配电网最为显著的特征。分布式电源、储能装置和微电网等元素的加入使得配电网侧从无源转为有源，潮流由单向变为双向。有源配电网在实现本地能源综合优化方面更具优势，能够实现本地电源和负荷的协调控制和优化管理，有效提高系统运行效率，但也存在运行稳定性降低、故障诊断困难等问题。

      电力电子变流器是组成交直流混合配电网的主要设备。以直流驱动的电源和负荷经过变流器接入交流电网后，通过电力电子控制技术实现交直流之间的能量转换。当前配电网中常见的通过变流器接入的直流设备有电动汽车、储能设备、直流家电以及分布式光伏等，未来可以预见的是，经由变流器并网的设备将在种类和数量上呈快速增长的趋势，配电网的电力电子化属性将得到增强。电力电子化设备具有响应速度快，能够实现精准控制等优点，但也会给系统带来运行惯性低、谐波污染等问题。

      通信的数字化是交直流混合配电网的重要发展趋势。当前，信息通信技术与电网正处于快速融合发展过程中，而对于交直流混合配电网来说，交直流设备的协调控制目标要求其能够处理多元且海量的数据，这强调了配电网侧对于先进信息通信技术的应用，未来的交直流混合配电网不仅是承载多种电能的能量交换平台，更是处理多元海量信息流的数字枢纽型平台。

三、软件层面的发展趋势分析

      交直流混合配电网在软件层面的发展趋势包括能量管理的多层级化和控制中的多尺度特性。

      多层级化是交直流混合配电网在能量管理中的一个主要趋势。由于交直流混合配电网中存在包括微网、小型光伏储能系统在内的许多可实现自治的能源管理系统，其能量管理方式趋向于集中式和分布式相结合的方式，在对设备的管理上呈现出多个层级。一个典型的应用场景是，配电网主站的管理范围仅到达各微网和光伏储能系统的接入点，而各微网和光伏储能系统则负责其本地的综合能源管理。在具有大量可控设备的交直流混合配电网中实施集中式和分布式相结合的管理方案具有许多优势，首先，以微网和光伏储能系统为单位实施本地能量管理更容易实现分布式能源的本地消纳和调控，另外，集中式和分布式相结合的方式也会减少对通信系统的投资。

      多尺度特性是交直流混合配电网设备控制的一个重要特点，这包括时间和空间上的多尺度。首先，相比传统设备，经由电力电子器件接入的设备在响应时间上更短、开关损耗较低，因此，根据设备的不同特性，在日、小时、分秒等不同时间尺度上分别对它们进行优化调配，可提高系统整体运行效率。另外，交直流混合配电网控制还具有空间上的多尺度特性，其控制区域可划分为配电网级（整个配电网区域）和台区级（例如经由变压器接入的微网/或某台变压器下的无源区域），实际运行中不仅要考虑配电网级的资源调配，还要兼顾各个台区的优化运行目标。

四、结论

      通过电力电子装置接入的直流发电设备和直流用电设备使得配电网呈现交直流混合特性，促使其在硬件和软件两个层面发生形态转变，交直流混合配电网在硬件层面的发展趋势包括网络的有源化、设备的电力电子化和通信的数字化，而软件层面的发展趋势包括能量管理的多层级化和控制的多尺度特性。

      配电网的交直流混合形态转变为其带来了包括综合能源优化管理、可控性增强在内的诸多优势，但大量电力电子器件的接入，以及包括微电网在内的多元供电主体的出现，也给系统的稳定运行和协调控制能力提出了挑战，未来的交直流混合配电网不仅是交直流设备的物理承载主体，而且将作为多元海量信息流的汇聚处理平台，推动分布式可再生能源和储能等技术的发展，实现综合能源在配电网侧的落地发展。

专家介绍

乔丰，博士，国网能源院电网发展综合研究所研究员，主要研究方向为配电网电压/无功协调控制策略以及数据驱动的电压质量控制方法，以第一作者发表多篇SCI/EI论文。

田鑫，硕士，国网能源院电网发展综合研究所专家，主要从事电网投资分析、电网工程后评价、电网安全管理、电网风险预警等相关研究，先后承担国家科技部、能源局、国家电网公司委托的重大课题30余项，主笔编写出版《国内外电网发展分析报告2019》等著作，发表EI、中文核心期刊文章10余篇，获得发明专利、实用新型专利10余项，多次获得国家电网公司科技进步奖、国家电网公司软科学成果奖等。

团队简介：电网发展综合研究所（简称电网所）是国网能源院内设业务所，成立于2009年10月，目前拥有员工18人，平均年龄34岁，博士11人，副高级职称以上10人，是一个朝气蓬勃、开拓创新的宽口径、复合型研究团队。

      电网所下设电网综合业务、智能电网两个研究室，自成立以来，以电网发展、电网安全、电网运营等研究咨询为核心，为政府政策制定和能源电力行业发展提供决策咨询服务。发扬“踏实肯干、勇于担当、开拓创新”的“勤劳、担当、创新”精神，深耕细作，精益求精，不断提高科研能力和质量，不断涌现思想火花和智库成果。累计承担近400项研究项目，其中，政府委托项目21项，国家电网公司科技项目97项、管理咨询项目36项、专项研究项目54项，其他省级电力公司和社会企业机构委托项目170余项。获得中国电力科学技术奖2项，国家能源局软科学研究优秀成果奖3项，中电联中国电力创新奖3项，国家电网公司科技进步奖15项，国家电网公司软科学优秀成果奖10项。依托研究成果形成100余篇内参专报，相关建议被政府部门、国家电网公司采纳，纳入相关政策文件、标准规范、会议材料和决策依据等。挂牌“国家电网公司劳模创新工作室”，获得“国网能源院先进集体”“国网能源院课题攻关党员先锋团队”“国网能源院先进党支部”“课题攻关党员创新团队”等荣誉称号。

      2020年初，以“四个革命，一个合作”能源安全新战略为指引，聚焦新时代如何发展新电网，电网所集思广益，提出“三二一”研究体系，即三大功能定位、两轮创新驱动、一个国际视野，形成六大研究方向，分别是电网发展规划战略、电网安全应急保障、电网运营服务升级、电网治理能力提升、电网技术创新发展、电网发展国际比较，并成立六个柔性研究团队，围绕六大研究方向开展基础能力建设和研究咨询工作。

 往期回顾 

编辑：杨彪

审核：蒋东方

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