未來供用電系統(tǒng)：新一代低壓直流

　　發(fā)展低碳化、數(shù)字化、智能化、可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)已經(jīng)成為全球共識和目標(biāo)。隨著分布式能源滲透率的逐步提高和電子設(shè)備直流負(fù)荷的快速增長，配用電系統(tǒng)中的多元源荷呈現(xiàn)出非線性、隨機(jī)性、強(qiáng)耦合等特征。

　　分布式直流型電源和終端直流負(fù)載直接相連，可省去大量電力電子轉(zhuǎn)換裝置，減少損耗，提高電網(wǎng)供電效率和經(jīng)濟(jì)性。同時，直流供用電避免了交流電網(wǎng)固有的同步和穩(wěn)定性問題，有功和無功功率可快速且獨立解耦。

　　值得關(guān)注的是，在過去30年里，電子和通信技術(shù)已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面。隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型，直流負(fù)荷還將大幅度增長。此外，各種因素正在推動全球能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)向資源——市場混合形式。未來電網(wǎng)將出現(xiàn)不同能源的組合，電能消費者和生產(chǎn)者將頻繁轉(zhuǎn)換，因此，新一代低壓直流供用電系統(tǒng)的研究十分必要。

　　新一代LVDC供用電系統(tǒng)

　　新一代低壓直流（LVDC）供用電系統(tǒng)是發(fā)、儲、用一體化的全直流生態(tài)供用電系統(tǒng)，由可再生能源、直流供用電網(wǎng)絡(luò)、儲能裝置、直流負(fù)荷組成，具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳、開放互動等特性。

　　該系統(tǒng)主要運行模式有兩種。

　　一是全直流生態(tài)模式，即發(fā)、儲、用一體化的全直流生態(tài)供用電系統(tǒng)，將顛覆目前自上而下的能源輸配格局，形成自下而上、自愈自平衡的網(wǎng)格化能源生態(tài)。在低壓用戶的全直流生態(tài)系統(tǒng)中，通過屋頂光伏等新能源發(fā)電技術(shù)生產(chǎn)電能，利用儲能技術(shù)在滿足用戶自身需求的前提下，并網(wǎng)發(fā)電，充分發(fā)揮用戶多余電能的價值。還可通過區(qū)塊鏈直接實現(xiàn)點對點的電能交易，構(gòu)成產(chǎn)、銷、儲、用一體化的運行模式。

　　二是交流電源轉(zhuǎn)換的直流共母線低壓直流供用電系統(tǒng)，主要應(yīng)用于可再生能源有限而直流負(fù)荷需求更大的場景。此場景需要交流電經(jīng)AC/DC變換后作為供電電源，再經(jīng)共直流母線配合儲能裝置向負(fù)荷直接供電。

　　廣闊的應(yīng)用場景

　　數(shù)據(jù)中心、電動汽車、建筑終端、智能家居等“新基建”項目市場巨大，耗能逐年增長，數(shù)字基建、公共服務(wù)基建為LVDC供用電系統(tǒng)提供了廣闊的市場和用武之地。

　　隨著通信行業(yè)中移動數(shù)據(jù)的需求量急速增長，5G技術(shù)由于其數(shù)據(jù)傳輸速度效率高而得到快速開發(fā)，未來能源物聯(lián)網(wǎng)同樣需要依托快速高效的海量數(shù)據(jù)傳輸。因此，數(shù)據(jù)中心24小時處于運行狀態(tài)，成為耗能巨獸。值得注意的是，數(shù)據(jù)中心的設(shè)備均為直流負(fù)荷，而LVDC供用電系統(tǒng)可為數(shù)據(jù)中心直接提供電力，免去了傳統(tǒng)的不間斷電源（UPS）系統(tǒng)DC／AC、AC／DC兩級變換環(huán)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)得以簡化且降低了損耗，提高了效率?？梢灶A(yù)見的是，未來LVDC供用電系統(tǒng)在通信行業(yè)，尤其是數(shù)據(jù)中心的發(fā)展過程中，具有迫切的發(fā)展需求。

　　如今，電動汽車逐步替代燃油汽車成為趨勢。目前，電動汽車充電有交流充電樁（慢充）和直流式充電樁（快充）兩種形式。其中，直流充電由于電壓、電流調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，可提供足夠的充電功率，可滿足“快充”的要求，將得到大力發(fā)展。未來新一代LVDC系統(tǒng)的發(fā)展不僅能高效容納大量直流電動汽車充電樁，還可通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)電動汽車的智能管理，具有廣闊的市場。

　　與此同時，推動建筑物不斷邁向近零能耗乃至零能耗已成為國際趨勢，新一代LVDC供用電系統(tǒng)也完全順應(yīng)了這一方向。據(jù)了解，我國未來700億建筑面積中，可以安裝太陽能光伏的表面超過100億平方米，每年可發(fā)電約2萬億千瓦時，可滿足建筑的大部分用電需求。LVDC技術(shù)將推動建筑物不斷邁向零能耗乃至負(fù)能耗，而建筑領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和執(zhí)行也將為LVDC供用電系統(tǒng)的發(fā)展提供有力保障。

　　另外，智能家居可實現(xiàn)智能管控、能源可視，提高供電質(zhì)量與用戶體驗的純直流家電也將引領(lǐng)家電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。目前，智能家電已經(jīng)形成產(chǎn)品，家用電器基本實現(xiàn)全直流覆蓋，價格與交流產(chǎn)品相當(dāng)，而隨著需求量增加價格仍有下降空間。低壓直流供用電系統(tǒng)不僅首次投入的成本可降低，且減少了逆變環(huán)節(jié)、降低功率損耗，全生命周期運維費用也會降低。如果安裝用戶側(cè)儲能設(shè)備，用戶可根據(jù)自身能源系統(tǒng)的特點和能耗情況來控制儲能設(shè)備的運行，既降低費用，利用柔性負(fù)載特性匹配分時電價獲益，又有利電網(wǎng)削峰填谷。

　　建議納入“十四五”規(guī)劃

　　目前直流供用電技術(shù)暫不會取代交流供用電技術(shù)，但如果在“新基建”項目采用新一代LVDC供用電系統(tǒng)，將具有一定競爭力，有望顛覆傳統(tǒng)供電形式。為此，筆者建議在我國“十四五”能源規(guī)劃中將“集成分布式光伏+低壓直流電源+儲能的新型供用電模式”納入考慮。

　　首先，加強(qiáng)統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計，建議綜合差異化、定制化、靈活性、柔性需求等，以全社會經(jīng)濟(jì)效益提高為目標(biāo)，以共商機(jī)制促進(jìn)融合，在集成光伏建筑一體化、低碳綠色建筑、5G通信電源、農(nóng)村再電氣化、智能家居等領(lǐng)域，規(guī)劃新方向，制定路線圖。

　　其次，從國家政策層面，以共建機(jī)制促進(jìn)多元化運營，以共贏的市場化機(jī)制讓“新基建”賦能經(jīng)濟(jì)，逐步建立完善公平可行的市場機(jī)制，發(fā)揮政府財政資金引導(dǎo)和補(bǔ)空缺，最大化發(fā)揮投資帶動作用（并不是單純經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼）。另外，建議分布式能源市場從農(nóng)村開始，鼓勵社會資本投資，建立機(jī)制引導(dǎo)推動。

　　在技術(shù)方面，建議跳出高壓直流和傳統(tǒng)交流技術(shù)慣性思維的限制，從“網(wǎng)思維”向“系統(tǒng)思維”，從“物理學(xué)思維”向“生物學(xué)思維”轉(zhuǎn)變，從單純技術(shù)觀念向全社會經(jīng)濟(jì)開闊視野，把技術(shù)視野下的“硬件組合”和經(jīng)濟(jì)社會以及人文相關(guān)的“軟件組合”相結(jié)合，追求適應(yīng)、聯(lián)系、共生。

　　最后，建議鼓勵支持創(chuàng)新示范應(yīng)用，以共享方式試點示范推進(jìn)新基建發(fā)展。鼓勵支持地方政府和相關(guān)企業(yè)開展具有示范性并可真正復(fù)制的模塊化設(shè)計、工程等。（■馬釗　作者系山東大學(xué)特聘教授）