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直流配用电还是个“新生儿”

信息来源:     发布时间:2020-09-07




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    特斯拉

 

  

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    爱迪生   




    19世纪90年代发生了著名的特斯拉(左)与爱迪生(右)的交直流之争。

 

  

 



    提起用电,几乎所有人都知道,家庭使用220/380伏交流电压。将电压等级一步步抬升会发现,我们正身处一个为交流电网所覆盖的世界。虽说高压输电网有交直流共存,但到了配用电环节,交流仍占据无可争议的“统治地位”。


    可是,我们身边的很多电子产品,最终使用的却是直流电,比如电脑、手机、电视机……设备通过电源适配器内的电流转换装置,将交流转成直流,实现正常使用。因历史原因,交流用电格局已形成并固化,直流电难以全面进入社会生产生活。但在当下,电网行业已经作出努力,尝试推广直流电。毕竟,少了电流转换环节,电力就更加节能环保。


    在未来,直流配用电的应用会更广泛吗?



    技术不是大问题,体系破立才是


    8月,广东电网公司成立了直流配用电研究中心,研究探索在配用电环节推广直流电。


    广东电网公司三级技术专家曾杰,成为研究中心成员之一。他参与过多个直流配用电项目。从现状看,直流配用电多用于示范项目,真正投入市场竞争中的凤毛麟角。毕竟,这是一个主要被交流所编织的庞大电网系统。


    原因是历史造成的。电网发展早期,特斯拉与爱迪生的交直流之争,因输电距离远近分出高下——推崇交流的特斯拉,战胜了直流捍卫者爱迪生。从此,交流架设的电力线路逐渐蔓延至世界电力的每个角落。


    近来,随着电力电子技术的发展,直流电在输电距离上已足够与交流分庭抗礼。我国开创性地将直流输电电压等级提升至±800千伏的特高压级别,实现了远距离大容量的西电东送。


    去年9月,准东—皖南±1100千伏特高压直流输电工程投运,线路全长达到创纪录的3324公里。今年7月,乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程提前实现阶段性投产,柔性直流首次应用至特高压领域。


    特高压直流输电技术已经成为中国对外的一张名片,是世界上公认的我国领先世界的技术。


    从电力技术难度看,一般电压等级越高,难度越大。因此,如果连特高压等级都能应用直流输电,那么在低电压等级的配用电环节,就更不应存在技术上的难题。


    “如果仅仅考虑纯理论技术,直流配用电的应用没有难度。”东莞理工学院电力工程与智能化学院教授康丽也认同这种观点。


    但是,考虑到配用电环节电网线路相较主电网更多,用电设备场景更多样,曾杰认为,将主电网技术移植过来,并不能解决所有问题,还需根据具体情况作适当调整,“理论可以完全照搬,具体应用技术方面,要做些调整。”但不管怎么说,技术难度不大。


    他举了个设备降噪的例子:主网建的换流站都在深山老林里,降低噪音装个隔音墙就好,反正周边也没什么人,影响不大;但配用电就不一样了,很多设备就在小区旁边,对降噪要求特别高,必须采用其他手段。


    直流配用电应用最棘手的问题,由电网行业的天然垄断属性造成:既然建成了交流电网,再去转改用直流电,抛开安全性不说,光是成本投入就非常巨大。


    “交流电网早就形成了一套完善成熟的体系,产业链上下游也都遵循这样的体系,来建设电源、用电设备,很难打破了。”曾杰说。


    像家庭或是办公场所很多用电设备,最终使用直流电,但限于交流电网,设备厂家在长期的实践中形成了制作换流设备的产业链。“电脑、手机都用直流电,所以它们的充电头里边就安装着换流器件。”广东电科院能源技术公司电力电子装备事业部高级经理陈锐说,“假如换成直流电,就可以直接充了,省去了安装换流器的成本。”



    或迎合未来趋势,但推广难度不小


    实际上,在一些示范项目中,已经有直流配用电的全面尝试。


    位于深圳市大梅沙的深圳未来大厦项目,一期5000平米的面积采用了低压直流配电技术,照明、空调、办公等全部用电设备装置实现直流化。设计方深圳市建筑科学研究院官方网站介绍,与传统交流系统相比,装机容量降低80%,系统能效提升10%—20%。


    “最重要的是,用电器的直流电压只有48伏,完全是人体可承受的范围,非常安全。”深圳市建筑科学研究院直流建筑实验室副主任李雨桐称。


    中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任江亿也曾撰文称,变革建筑用能方式,建议驱动方式由交流转为直流,电力负载由刚性转为柔性,这是电力系统应对能源革命、实现新型用电模式的重要任务。


    在东莞松山湖园区,设计的一套交直流混合运行系统装置,能够将10千伏交流电转变成380伏交流、±10千伏直流以及±375伏直流多种形态,供易事特工厂、东莞理工学院教学楼、安化数据中心等用户不同交直流设备使用。


    “直流型充电桩、光伏储能、空调、电热水器等等,都能接入直流电,极大降低了交直流转换过程中的电力消耗。”广东电网东莞供电局实验研究所专责何文志表示。


    由于直流设备产业链尚未形成,产品需要“私人定制”。像供东莞理工学院教学楼的13台直流空调,就是由格力公司特别供货的。


    供货商东莞市晟世欣兴格力贸易有限公司产品经理何润华称,虽然格力公司有设备生产线,但平时订单太少,无法做到量产。而且生产直流设备难度较交流高,需要专业的技术人员,因此成本高得多。“但我们还是有意愿跟电力企业合作,投入直流设备的生产,这应该是未来的大趋势。”他说。


    这种大趋势是与全球能源变化趋势紧密相关的。国内外研究机构都会对未来能源电力发展趋势作展望。从一些知名机构展望报告的共性看,以光伏、风电为主的可再生能源在未来大有可为。


    光伏发出的电是直流电;风电装机未来向远海发展,采用柔性直流技术送出也成为业内较为认可的方向。两大可再生能源都要用直流电,电网如果也是直流,那就完全不用考虑交直流转化的问题,对于能耗是极大节约。


    江亿还在撰文中指出,我国未来建筑年用电量将在2.5万亿千瓦时以上,还将有2亿辆充电式电动小轿车,二者之和所消耗的电力将达到用电总量的35%以上。如果未来建筑全部成为带有充电桩的柔性建筑,则可以吸纳接近一半由风电、光电所造成的发电侧波动,并有效解决用电变化导致的峰谷差变化。“光伏+直流+智能充电桩”的建筑供配电系统虽然增加了投资,但中低压电网输配电的容量降低到目前的四分之一以下,所对应节省的投资一般也会超过建筑内增加的投资。


    “或许是未来的趋势和方向,但还有很长的路要走。直流配用电还是个新生儿,远没到长大成熟的年纪。”曾杰如此看待未来可能的交直流之争:竞争也是一种促进。把两者置身历史的长河中,它们共同推动着电力行业螺旋式上升发展。



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    直流配用电概况


    直流配用电技术是构建安全、可靠、绿色、高效的智能电网的核心技术,可实现直流型源、荷灵活接入和高效匹配,是能源生态系统的关键环节。


    相比较交流配电系统,直流系统具有供电容量更大、供电半径更长、运行效率更高、电能质量问题不突出,不存在无功补偿问题,可闭环运行、可节省走廊资源25%—30%等优势。同时,直流配电系统也具有一定缺点:一是直流系统整体造价较高,主要体现在电力电子装备成本;二是部分交流负荷及交流电源仍需经变流器接入,无法进行直流化改造,难以省去所有设备的转换环节;三是直流电火花更大,且难以灭弧,对绝缘破坏更严重;四是直流设备内部结构复杂,维护工作量大;五是直流系统存在大量可控硅器件,导致过载能力低。


    目前国内已经建成了一系列直流配用电示范工程,但直流配电网设备缺乏相关的技术标准,国内相关厂家在直流配电网的设备方面尚无成熟产品,仅在部分示范工程中得到应用,相关功能和性能指标有待实际工程的检验。



来源于2020年9月4日《南方电网报》




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