各位专家、各位领导、各位同仁、各位朋友,大家上午好！很高兴有机会参加第十七届中国电气工业发展高峰论坛，并就“双碳”目标背景下电力电子技术在有源配电网中应用和大家做探讨和交流。
一、背景
为了抑制温室气体排放，减缓全球气候变暖的趋势，目前在全球范围内都在经历或者开展一场能源转型。大家都知道，能源转型是指能源生产方式由传统的以化石能源为主，转变为以清洁可再生能源为主。另外，在能源消费方面，从传统的用化石能源取暖和作为动力，向以清洁电能、氢能等清洁能源为主转变。国外智库对这种转变做了研究，我们看一下麦肯锡做的分析报告。麦肯锡分析，全球化石能源需求直线下降、可再生能源占比提升。到2035年，可再生能源占比将达到25%，到2050年，占比将进一步提高到50%。另外，在电力消费总量方面，到2050年，可再生能源消费总量将翻一番。其中，可再生能源发电量将在2035年达到电力需求总量的50%以上。
国内智库的分析与国外智库的分析比较吻合，终端电能需求电气化率到2050年将达到50%。为了应对全球气候变暖，我国提出“双碳”发展目标，并且提出构建以新能源为主体的新型电力系统，推动能源变革和能源转变。我认为提出“双碳”目标的主要因素有两个大的方面：一是环境的因素和环境气候变化带来的压力；二是从技术上，可再生能源、新能源发电成本包括储能成本都已经大幅度降低，具备了广泛应用并取代传统能源技术的经济可行性。
按照国外智库研究报告， 2009～2020年，光伏电池和模组的价格10余年之内跌了80%，风力发电机成本降了30%～40%；2012～2017年，储能电池成本每年下降超过15%，五年下降超过50%，到2025年，储能系统的每千瓦时安装成本比2017 年减少约55%。另外，在电能消费方面，最大的用电用户是电动汽车，电动汽车中最关键的动力电池的成本在2010～2016年之间下跌了73%，还会进一步下降。我国大力推广电动汽车，2020年纯电动汽车销量为111.5万辆，保有量为400万辆，到2035年我国新能源汽车保有量将达到1亿辆左右。电动车车载电池容量将达到50亿千瓦时左右（未来如果中国乘用车全部都改为电动轿车，则车载储能容量将与全国城乡居民日生活用电量基本相当）
二、“双碳”目标下配电网发展趋势
清洁能源广泛应用以后，电网消纳、吸收、配送能力需要面临巨大的挑战，需要做出很大的改变，我们看看配电网应朝什么方向发展？
我们参考一下欧洲的例子。德国的新能源接入电网须遵循三分之一原则，即三分之一接入高压电网、三分之一特别是光伏接入低压配电网，三分之一接入中压电网。我国出台文件，提倡新能源就地消纳、吸收和利用，所以未来能源转型背景下配电网最突出的变化就是有源化。
将来有哪些能源进入配电网？首先是生物质能发电、光伏发电、山区小水电及CCHP等，再有一项能源大户就是储能，因为分布式发电必须配以储能配电网才能安全可靠运行。
电动汽车肯定会接入配电网，未来电动汽车不仅是负荷，同时也是电源，具有双重身份，而且具有高度不确定性。
微网也要接入配电网，包括各种分布式电源、负荷，住宅小区及商业用电区域都会变成微网，未来的配电网是由大量微网组成的。
光伏发电进入配电网主要以分布式光伏为主。统计数据显示，2000年光伏装机253GW，其中分布式光伏装机78.43GW。按照国家计划，“十四五”期间每年新增光伏装机30G～50GW，到2050年分布式光伏装机将达到278.43GW。
另外，储能是电源大户，未来将有大量储能进入配电网。没有储能，以新能源为主体的电网是很难运行的，因为新能源很不稳定，没有储能则无法有效利用，有源配电网主要依靠新兴储能。国家也出台了关于电动汽车储能的指导意见。
分布式光伏储能、电动汽车充放电等接入配电网，使配电网有源化，为配电网带来百年未有之大变局。
三、电力电子技术在有源配电网的应用。
我们先看一下有源配电网面临哪些挑战。配电网有源化之后，需要形成环网运行，由此带来环流控制、继电保护、检修安全等一系列问题。电动汽车充放电具有高度时空不确定性，并且有很强的随机性，如果引导不当的话，会加剧电网分布差。比如，现在电动汽车用配电网是单项充电，造成严重低压网络不平衡问题，这些必须面对和加以改变的。可再生能源的随机性、波动性、间隙性给电网电量平衡、负荷预测、调温调压带来挑战，而且分布式电源、储能、电动汽车充放电设施要求即插即用，如何配套才能支撑？电源进入配电网以后，必然像大电网一样，需要更加快速灵活的潮流控制和频率、电压调节控制。
我们看电力电子技术解决这些问题将发挥什么作用。首先是柔性直流输电技术，配电网运用柔性直流输电技术和大电网原理没有本质区别，都可以是四项线运行的关联机，可以运行在各个象限、各个角度下。我们看看有源配电网中如何应用柔性直流输电技术，这里举一个典型应用场景，如图1所示。
图1 有源配电网中柔性直流输电技术应用场景
图1的左侧由两个环流机构成，里面用到一个环流机。环流机的一侧带的是直流配电网负载和电源，另一侧和传统一样，都是交流配电网负载，再用另外的环流机把交流变为直流，和直流负载系统连接起来，就形成交直流混合连接的混合配电有源网。这两个环流机起的作用，是能够实现交直流系统混合连接，并且实现功率交换、潮流控制、环流控制。我们最不希望的是环网形成环流，断流抑制都可以实现。
还有一种柔性直流在开网中的典型应用叫SNOP（软常开联络开关），它用来是替代什么？咱们先看一下SNOP简化拓扑，它就是柔制背靠背。它起什么作用？正常运行的时候它能够实现网络分区分隔、潮流控制、无功率电压控制，发生故障时可抑制甚至切断短路电流，隔离故障区域，维持非故障区域供电。比如这个地方发生故障，如果是传统的配电网，那些自动化设备、相应开关跳闸，故障隔离，会把一部分负荷再用连接开关合上并转移另外一路。有了SNOP之后怎么样？发生故障的时候，正常短路电流是受控电流，可以大、可以小甚至关掉，根据保护需求完全可控，更重要的是，由于另外环流器可以为系统提供正常的无功电压，虽然这两个系统通过SNOP连接在一起，能量连通，因为背靠背，电器可以分别控制，左侧发生故障，右侧系统完全不受故障影响，电压可以维持不变，几乎感受不到左侧电路产生短路电流。
我们再看看能量路由器。能量路由器集成多级变换器，提供多种不同电压等级及容量电能端口，可用于中低压交直流混合配电网和微电网，兼具潮流控制、短路电流抑制关断、谐波治理、无功补偿、低电压穿越等功能。以后大量负荷形态既有交流又有直流，比如数据中心有很多交流负载、也有直流负载。能量路由器则既可以接入交流，也可以接入直流接入。
下面介绍一种大型能量路由器，即柔性变电站。我们在张北数据中心做的柔性变电站，高压侧既可以接10kV交流，也可以接10kV直流,低压侧有380V直流和普通380V交流。柔性变电站和传统智能变电站对比，更加灵活和可靠，能够实现交直流环网运行的潮流控制，并且可抑制短路电流，这些都是传统变电站不具备的。
电力电子设备在有源配电网中的应用为什么很少？主要由于电子器件是卡脖子的技术。目前，有源配电网工作密度太低，主要是电压低、开关速度慢，造成设备非常庞大，造价很高，很难在配电网领域得到应用。
四、结束
“双碳”目标下分布式电源、分布式储能、数据中心、直流负荷在配电网中越来越多的出现，使配电网向有源化、交直流混合方向发展，配电网有源化对其架构形态、运行方式、运行管理模式都带来深刻的影响，同时带来巨大的挑战，我们需要采用包括柔性交直流输电设备在内的各种电子设备及智能化设备应对解决发展中面临的问题。电压柔性交直流设备在解决交直流配电网起到不可替代的作用，特别是碳化硅器件发展，将会极大地促进配电网的发展进程。
今天就交流这些，谢谢大家！
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