面向全電氣化社會的中壓直流?(MVDC) 電網
執(zhí)行摘要?
隨著碳中和能源的大規(guī)模普及以及電力能源在工業(yè)驅動和滿足消費需求中的日益應用，全球能源系統正經歷一場革命。供暖、交通和材料加工等能源負荷正從化石燃料轉向核能和可再生能源等碳中和發(fā)電。這個新世界可被視為"全電氣化社會"——脫碳可持續(xù)能源滿足全球能源需求，工業(yè)負荷、交通運輸、商業(yè)及居民用電需求均通過電力技術實現。
全電氣化社會將對電力系統產生深遠影響。需新建輸配電基礎設施，將能源從發(fā)電地輸送至用電端。隨著數據中心、電動汽車充電等新型負荷的興起，電力需求預計將激增。然而電網系統正面臨擁堵與基礎設施老化雙重困境。更棘手的是，許多社區(qū)在安裝分布式發(fā)電和儲能設備的同時，卻對新建大型電網基礎設施持抵觸態(tài)度。風能、太陽能等新型能源發(fā)電方式因其間歇性與低慣性特性，也顯著增加了電網運行的復雜性。
歷史上，電網基于交流電（AC）運行，因為直流電（DC）難以調節(jié)電壓以適應長距離輸電。然而如今，大多數電力負荷基于直流電，需要在消費點將交流電轉換為直流電。同樣，電池儲能和太陽能光伏電池等新型電力來源也基于直流運行。
轉換為直流電。同樣，電池儲能及太陽能光伏電池等新型電源也基于直流運行。在輸電系統的高壓端，直流化趨勢同樣顯著。基于半導體的電壓轉換器問世后，實現了大功率直流電壓轉換，使直流母線得以用于高效長距離輸電。這種技術還通過解耦不同交流電網段，簡化了電力系統運行。
隨著電力系統在高功率/高壓傳輸端與低功率/低壓端雙重轉向直流運行，業(yè)界正將目光投向中壓層級的直流化運營模式。
本白皮書論證了中壓直流（MVDC）技術能為電力系統運行帶來諸多益處，包括：
?更大的輸電容量：同等規(guī)模的MVDC電網可承載約兩倍于交流電網的電力，使其成為新建或升級能源輸送走廊的理想選擇。
?直接支持分布式能源與負荷：MVDC互聯可提升數據中心、電池儲能、光伏電站及大功率電動汽車充電設施的運行效率，降低資本成本并增強可靠性。
?主動網絡管理：中壓直流分段支持先進的電力控制與質量管理，其運行靈活性優(yōu)于高壓直流（HVDC）、低壓直流（LVDC）及交流電網分段。?
?提升能源效率：中壓直流電網的損耗低于交流電網。
?材料與資源優(yōu)化：與交流系統相比，MVDC所需銅材和鋼材基礎設施大幅減少，提升可持續(xù)性。
要實現中壓直流電網的廣泛應用，需要對運營實踐進行重大調整，并克服若干技術障礙。目前中壓直流電網成本高于交流電網——但隨著技術普及及研發(fā)降低組件成本，這一局面有望改變。雖然部分現有交流基礎設施可改造用于中壓直流電網，但需謹慎操作，因直流電壓可能改變該設施的老化特性。
直流電力技術市場潛力巨大，有預測指出全球直流配電技術市場規(guī)模將于2030年達到310億美元。全球各區(qū)域均將實現快速增長，其中歐洲因各國政府對能源轉型的承諾而增速略快。現有增長研究尚未區(qū)分中壓直流與更廣泛的"直流配電"范疇，但預計中壓直流應用將占據需求主體。
本白皮書概述了中壓直流技術如何助力向全電氣化社會轉型，以及其為電力系統運行帶來的巨大效益。同時探討了國際電工委員會（IEC）及相關利益方如何推動這些效益的實現。為此建議IEC及利益相關方采取以下措施：
?加快推廣中壓直流電網技術的工作。此類工作應包括鼓勵開展新的研發(fā)努力，以降低中壓直流電網運行的技術挑戰(zhàn)。電力系統運營商和監(jiān)管機構還應努力提升其對中壓直流技術的基本認知，包括該技術的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。對中壓直流技術及其優(yōu)勢與挑戰(zhàn)的認知。
?啟動新的標準化活動。需認真更新現有標準以適應中壓直流技術及系統集成需求，并制定針對中壓直流技術與系統運行獨特特性及組件的新標準。標準化工作的重點領域包括術語與通用要求、接地、中壓直流系統保護、換流站、中壓直流斷路器以及電纜與設備絕緣要求。
?組建專注于MVDC電網的技術委員會，以協調和統一IEC的MVDC標準化工作。MVDC電網與HVDC及交流電網存在顯著差異。需要開展大量高度技術性的新標準化工作，涵蓋多個IEC標準化項目，并解決現有MVDC標準工作中未協調的沖突。
鳴謝
本白皮書由項目團隊編制完成，該團隊代表多家機構，在IEC市場戰(zhàn)略委員會（MSB）指導下開展工作。項目團隊成員包括全球電力網絡企業(yè)、標準組織及設備供應商的代表。項目發(fā)起人為韓國電力工程建設公司總裁兼首席執(zhí)行官金泰均博士。項目管理由韓國電力公司蔡旭佑博士主導，項目協調工作由IEC市場戰(zhàn)略委員會秘書彼得·蘭克托負責。協調作者兼項目合作伙伴為N.OGEE咨詢公司格倫·普拉特博士（郵箱：glenn@nogee.net）。?
?項目組成員（略）縮略語表（略）
第1章 ?背景與介紹?
1.1背景
全球能源體系正經歷一場驚人的轉型，反映出世界正從煤炭、石油和天然氣等傳統化石燃料能源轉向風能、太陽能和核能等可再生可持續(xù)能源。這一轉型主要由多重因素驅動，包括降低溫室氣體排放的需求、尋求更廉價能源的探索，以及對傳統能源供應不可持續(xù)性的擔憂。或許更準確地說，這場變革是能源系統運作方式的全面轉型——全球范圍內能源的生產、輸送、消費、交易等各個環(huán)節(jié)都在發(fā)生改變。
電力系統作為轉型的重要組成部分，正深刻改變著發(fā)電、輸配電及用電的各個環(huán)節(jié)。最顯著的變化之一是大型集中式發(fā)電廠正逐步讓位于分散式可再生能源發(fā)電設施，如太陽能發(fā)電站和風力渦輪機。傳統電力系統基于單向電力流和相對少數的大型發(fā)電機組，而這種分散化則需要更靈活、適應性更強的電網基礎設施。在未來的能源系統中，電力流很可能在電力系統的許多部分實現雙向流動，發(fā)電將來自大量地理上分散的小型發(fā)電單元。
當電力系統在應對發(fā)電與輸配方式變革的同時，能源消費的本質也在發(fā)生根本性轉變：許多傳統上由化石燃料供能的負荷正被"電氣化"，這將帶來更多挑戰(zhàn)，并引發(fā)發(fā)電、輸電和配電領域的巨大變革。
上述所有變化都發(fā)生在許多國家相當陳舊且/或已滿負荷運行的電力系統之上。在眾多發(fā)達國家，大部分電力系統基礎設施建于20世紀，如今已接近設計壽命終點。但按當前改造速度，完全替換這些設施需耗時數百年[1]。
中壓直流（MVDC）電網技術可助力應對諸多挑戰(zhàn)。
1.2范圍與定義
本白皮書聚焦中壓直流技術在配電系統的應用——即承載電力從發(fā)電廠、儲能設施輸送至家庭、公共、工業(yè)及商業(yè)負荷的網絡。文中"電力系統"均指配電系統，此類系統亦稱"電網"。通過在此背景下引入MVDC技術，本文旨在強調其對未來全電力系統轉型所能作出的潛在貢獻。
盡管中壓直流技術同樣適用于鐵路（通過鐵路網電氣化）和船舶領域（通過大型船舶電力分配）領域，但這些應用超出本文討論范圍。
本文面向廣泛讀者群體：從單純關注電力系統變革趨勢的普通讀者，到負責制定并執(zhí)行相關標準的機構——這些標準旨在促進中壓直流等技術應用的同時，維持我們慣常的供電可靠性與性能水平。
隨著電網轉型與負荷電氣化進程推進，中壓直流技術有望為電力系統運營商面臨的諸多挑戰(zhàn)提供解決方案。本文是理解中壓直流技術潛力并實現其效益的初步探索。技術研發(fā)、規(guī)范制定及標準確立無疑需要付出巨大努力。本文將全面探討這三個議題，尤其關注其對國際電工委員會及其標準化工作的潛在影響。參與本報告撰寫的項目團隊成員涵蓋公用事業(yè)公司、咨詢機構、研究組織、電氣設備制造商及標準化機構的代表。
本文是系列白皮書的一部分，旨在反思和分析新技術及全球產業(yè)變革。該系列旨在協助國際電工委員會（IEC）通過自身標準化工作和符合性評估服務，持續(xù)為解決電氣技術領域的挑戰(zhàn)作出貢獻。本系列由IEC市場戰(zhàn)略委員會（MSB）編制，其成員致力于識別IEC活動領域內的主要技術趨勢和市場需求。該委員會制定戰(zhàn)略以最大化核心市場的投入，并為IEC的技術與符合性評估工作確立優(yōu)先級，從而提升委員會對創(chuàng)新型快速變化市場需求的響應能力。
1.3?結構
本白皮書第一部分為引言與背景介紹。
第二部分審視全球電力系統面臨的重大轉型及其帶來的挑戰(zhàn)。
第三部分闡述中壓直流（MVDC）概念及未來電網形態(tài)。
第四部分詳述MVDC技術，并將其運行機制與現有電網技術及實踐進行對比。
第五部分剖析技術普及前需突破的障礙——從技術研發(fā)到標準制定。在闡明MVDC技術與電網運行基礎后。
第六部分展示全球MVDC發(fā)展現狀，重點推介若干領先項目。
第七章探討這些進展對國際電工委員會（IEC）、其利益相關方及標準化工作的潛在影響。
第八章以多項建議作結，面向全球IEC及MVDC利益相關方提出行動指引。
第2章 全球電力系統的轉型
隨著能源轉型的加速推進，全球電力系統的各個層面都將受到深刻影響。發(fā)電、輸電、配電及用電領域正經歷劇變，本節(jié)將對此進行深入剖析。
2.1全電氣化社會的構想
能源是所有發(fā)展形式的核心，不同形式的能源標志著工業(yè)進步的不同階段。煤炭推動了第一次工業(yè)革命；電力、天然氣和石油驅動了第二次工業(yè)革命。下一次革命很可能與新能源技術的大規(guī)模應用相關，特別是可再生能源和核能發(fā)電，并利用這些以電力為基礎的能源來驅動我們的工業(yè)并滿足不斷增長的消費能源需求。
過去兩個半世紀，世界經歷了前所未有的社會經濟發(fā)展，但能源與工業(yè)體系對環(huán)境的累積影響已成為全球性關切。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）明確指出："人類活動導致大氣、海洋和陸地變暖已毋庸置疑"，這種影響"正在全球每個區(qū)域改變許多極端天氣和氣候事件"[2]。
能源供應部門是全球溫室氣體排放的最大來源，IPCC強調："要穩(wěn)定溫室氣體濃度……必須對能源供應體系進行根本性轉型"[2]。
向以碳中和可持續(xù)能源為基礎的世界轉型，對應對這一根本性環(huán)境挑戰(zhàn)至關重要。在這樣的世界里，絕大多數能源很可能通過基于電能的技術進行生產、傳輸和使用。供暖、交通和材料加工等能源負荷將從碳排放型化石燃料轉向碳中和來源的電力。這個世界可被視為"全電氣化社會"：脫碳化的可持續(xù)能源發(fā)電將滿足全球能源需求，工業(yè)負荷、交通運輸、商業(yè)及民用能源需求均將通過電力技術實現。
2.1.1全電氣化社會與電力系統
全球正穩(wěn)步邁向全電氣化社會：截至2023年底，全球太陽能光伏發(fā)電裝機容量達1411吉瓦，其中僅2023年新增裝機容量就達347吉瓦[3]。同樣，全球風電裝機容量達到1017吉瓦，2023年新增裝機容量為114.5吉瓦[3]。
全電力社會將對全球電力系統產生巨大影響。風能和太陽能發(fā)電廠需建在風能和太陽能資源豐富的地區(qū)。在許多國家，這些地區(qū)往往遠離電力負荷中心，因此需要建設龐大的輸配電網絡基礎設施來支持長距離能源傳輸。盡管全球風能和太陽能發(fā)電的部署正在加速推進，配電資產尚未實現相應增長。這導致全球多地出現輸電網絡擁堵及風光發(fā)電輸出受限的局面。
換言之，輸配電基礎設施的不足正制約著零碳發(fā)電廠的普及[4]。這是實現全電氣化社會目標必須迅速應對的關鍵挑戰(zhàn)。為此可能需要對現有電力資產進行重大升級，建設新的專用輸電線路，以及/或（在電網擁堵情況下）部署大規(guī)模儲能系統，以便將發(fā)電儲存起來，待網絡容量充足時再釋放使用。
2.1.2非電力能源需求
盡管許多能源負荷（或終端使用技術）可直接由電能供應，但對于某些負荷而言，電力可能并非可行的能源來源。對于長途航空運輸或高能耗材料制造等負荷，可能需要其他碳中和可持續(xù)能源。在這種情況下，可考慮間接利用碳中和能源。源自碳中和能源的電力可轉化為更易用的化學能形式。這被稱為電力到X（P2X）概念，即利用可再生能源產生的電力轉化為動力燃料和清潔化學品（如綠色氫氣、氨、合成烴類如甲烷、甲醇及合成天然氣），或轉化為熱能等其他實用能源形式。
最終，作為電能的消費者，P2X能源需求仍屬于"全電化"社會的范疇。P2X技術還能通過平衡供需關系，助力碳中和電網的運行。在發(fā)電短缺時，P2X工廠可暫停運行；當發(fā)電過剩時，能源可轉化為氫氣或其他合成燃料作為儲能形式。當可再生能源發(fā)電不足時，這些燃料又能重新轉化為電力。未來能源系統中預計將普及的P2X技術之一，便是通過電解制氫——將水分解為氫氣，這種技術可將電力轉化為氫能。
作為儲能形式。當可再生能源發(fā)電不足時，這些燃料可重新轉化為電力。未來能源系統中預計將廣泛應用的P2X技術之一是電解制氫——通過直流電將水分解為氫氧分子。
全電氣化社會的諸多關鍵特征將依賴直流電力技術：
?太陽能等發(fā)電技術本質上基于直流技術。
?電池及其他多數儲能技術均采用直流電。
?LED照明等直流設備，以及電動汽車、工業(yè)電解槽、數據中心、半導體制造廠等大型直流負載將日益普及。
2.2電力系統特性的轉變
向全電力社會的轉型將給電力系統運行帶來重大變革與挑戰(zhàn)，具體如下：
2.2.1間歇性可再生能源的整合
太陽能和風能等可再生能源在全球發(fā)電中的占比正快速提升。截至2023年底，全球可再生能源發(fā)電裝機容量已突破3372吉瓦，其中太陽能和風能占年度新增裝機容量的70%[3]。太陽能和風能發(fā)電的波動性與間歇性給電力系統運行帶來重大挑戰(zhàn)——從如何實時平衡供需（面對間歇性發(fā)電機輸出時），到電力網絡中快速變化的功率流向。
管理電力系統發(fā)電機組的間歇性將需要先進的預測技術、電網形成逆變器和實時能源管理系統來維持系統穩(wěn)定性。在日益增長的不確定性中，儲能系統對于管理可再生能源波動性、優(yōu)化電網投資以及平衡發(fā)電與需求也至關重要。全球儲能市場預計將從2023年的50吉瓦增長到2030年的500吉瓦以上[5]。
2.2.2分布式能源資源的普及
分布式光伏、社區(qū)微電網及用戶側儲能電池等小型高度分散的發(fā)電設施正推動電力系統去中心化。截至2023年，全球已投入運行的微電網超過1200萬個，在增強區(qū)域韌性的同時，也帶來了反向功率流動和電壓波動等運行復雜性[6]。分布式能源資源（DERs）的廣泛應用需要升級配電網（及其管理系統），以應對雙向電力流動、保障電壓穩(wěn)定性并有效整合本地化發(fā)電。
2.2.3能源需求激增
交通、供暖和工業(yè)流程向電氣化轉型將推動電力需求顯著增長。2023年全球電動汽車銷量突破1400萬輛，同比增長35%，導致電網容量需求急劇攀升，亟需創(chuàng)新負荷管理技術來應對電動汽車充電對電網的影響[7]。電氣化進程正顯著增加電網負荷并改變用電模式。為滿足新型能源需求并優(yōu)化電網性能，亟需通過基礎設施升級、車網互動（V2G）技術及智能充電系統等措施進行強化。
2.2.4負荷曲線變化
許多電力系統的凈能源需求正發(fā)生顯著變化：白天（太陽能發(fā)電機組滿負荷運行時）凈需求趨近于零已成常態(tài)，但傍晚時分隨著太陽能發(fā)電量降至零，需求又會激增至極高水平。凈需求還呈現出更"尖峰化"的趨勢，即日間峰值需求與谷值需求的差值遠大于以往。這些變化給電網運行和可靠性帶來重大挑戰(zhàn)，并可能降低電力基礎設施資產的平均利用率[8]。
2.2.5對靈活性與韌性的需求日益增長
隨著氣候變化導致極端天氣事件頻發(fā)且愈發(fā)嚴重，電力系統必須增強抵御中斷的能力。例如，自21世紀初以來，美國因天氣導致的停電次數已增長三倍[9]。氣候引發(fā)的極端天氣事件要求電力系統具備更強的韌性，通過先進保護系統、地下電纜和模塊化設計實現更快恢復。
2.2.6跨境能源整合
各國及地區(qū)間的互聯項目正持續(xù)擴展，旨在增強能源安全、促進高效能源交易，并優(yōu)化可再生能源利用與普及。歐洲北海風電樞紐[10]和東盟電網[11]等項目正是這一趨勢的典型例證。區(qū)域互聯需升級基礎設施并統一互聯標準，方能高效安全地管理跨境能源流動。
2.3電力系統運行優(yōu)化
如前文所述，應對電力系統轉型變革并確保能源平穩(wěn)過渡，需對電網基礎設施、商業(yè)模式、管理體系及運行技術進行全面升級或變革。
關鍵改進或變革可能包括：
?先進的監(jiān)測與控制系統。部署實時監(jiān)測、自動化及基于人工智能的分析技術，以優(yōu)化電網運行并預防故障。
?大規(guī)模電網與分布式儲能。電池及其他儲能技術的整合對管理波動性、提供輔助服務及增強電網靈活性至關重要。
?靈活模塊化電網設計。采用可集成分散式能源系統并實現快速故障恢復的模塊化電網架構。
?容量升級與智能基礎設施。通過擴建和加固輸配電網絡，結合智能電網技術，滿足日益增長的需求并優(yōu)化系統性能。
?跨境協調機制。建立標準、協議及系統體系，促進區(qū)域間無縫能源貿易與互聯互通。
?精密電網管理系統。部署能源管理系統（EMS）、配電管理系統（DMS）及先進軟件平臺，高效協調復雜電網運行。
?新型市場結構與定價機制。建立激勵分散式發(fā)電、需求響應機制及消費者參與能源市場的機制體系。響應及消費者參與能源市場。
?自適應控制與靈活管理策略。采用新型電網基礎設施支持的快速響應機制，在系統波動性與復雜性加劇的背景下維持穩(wěn)定性。
基于這些改進，直流電網因其相較傳統交流系統的獨特優(yōu)勢而備受關注，使其能夠很好地滿足現代電力網絡不斷變化的需求。
2.4直流電力系統的增長
直流電力電網是采用直流電傳輸電能的系統，區(qū)別于更普遍使用的交流電。
二十世紀初，直流電倡導者托馬斯·愛迪生與交流電支持者尼古拉·特斯拉背書的喬治·威斯汀豪斯之間爆發(fā)了"電流之戰(zhàn)"。盡管直流電在早期具有優(yōu)勢，但其長距離傳輸效率低下——因電壓等級難以轉換——限制了其實用性，迫使發(fā)電必須就近進行，最終阻礙了其廣泛應用。而交流電則能高效長距離傳輸，交流感應電動機的發(fā)明更進一步推動了交流電的應用革命。由此，交流電在全球取得勝利，開啟了當前集中式交流發(fā)電的時代。
近年來，直流電網因電力電子技術的進步而重新受到關注——這些技術解決了舊式直流系統的缺陷，同時直流輸電在應對某些電網運營挑戰(zhàn)時具有顯著優(yōu)勢。
直流電力系統相較于交流電網具有顯著優(yōu)勢：其效率普遍更高，能便捷接入可再生能源和電池儲能系統（通常基于直流電）。此外，直流母線可在兩個交流電網間實現解耦，消除頻率與相位同步相關問題。此外，同等規(guī)格的直流輸電線路相比交流線路可承載更高功率：在相同運行參數下，其輸電能力至少可達交流線路的兩倍[12]、[13]、[14]、[15]。這意味著通過采用直流運行模式，受限輸電線路的容量可實現顯著提升。
直流電力系統技術可實現第2.2節(jié)所述的諸多電網運行改進：
?大多數儲能技術本質上基于直流系統。
?直流電力變換器的主動管理能力，可簡化靈活模塊化電網的設計實施。
?直流系統可促進電網各分段間的互聯互通。
?直流基礎設施能顯著簡化容量升級，如圖2-1所示，其承載能力遠超同等規(guī)模的交流基礎設施。
圖2-1 | 同等容量直流（左）與交流（右）輸電系統鐵塔尺寸對比[16]，[17]
2.4.1 HVDC vs MVDC vs LVDC
當今電網和電力系統中直流技術最廣泛的應用是高壓直流輸電（HVDC）系統，其電壓等級通常高于100千伏。這類HVDC系統主要用于長距離輸電——要么因其效率高于交流輸電方案，要么因高壓交流（HVAC）系統會突破輸電基礎設施的物理極限。HVDC聯絡線可在兩個可能異步運行的交流電網間實現能量傳輸。
在HVDC系統中，交流電通常在傳輸鏈路起點轉換為直流電，并在鏈路終點重新轉換為交流電接入更廣泛的電網。新型多端HVDC傳輸系統可連接多個節(jié)點，既能整合多個交流系統，也能將多個可再生能源發(fā)電中心接入交流電網。
低壓直流（LVDC）通常指低于1.5千伏的直流電壓，但日本將750伏及以下電壓定義為LVDC，美國則將1000伏及以下電壓歸為此類。低于60伏的直流電能顯著降低電弧放電和觸電風險。從LED照明、冰箱到家用空調的變頻驅動電機，眾多終端設備均采用低壓直流供電。然而由于電網基于交流技術，這些設備需通過內部將低壓交流電（LVAC）轉換為LVDC才能運行。LVDC還應用于高功率領域，例如工作電壓為400伏直流的大功率電動汽車充電樁；數據中心運營也正考慮采用類似直流電壓方案[18]。
20世紀初，曾有基于低壓直流（LVDC）的電網投入運行，但如今這類電網已極為罕見。歷史上，直流電網普及受限于多重因素：缺乏統一標準、直流電器稀缺以及直流電壓調節(jié)困難。如今這一局面正在改變：多數電器已適配直流供電，電力電子轉換器使電壓轉換變得簡單且成本低廉，基于直流的電源如電池和太陽能光伏系統正迅速普及。
鑒于直流電近期在效率上超越交流電，低壓直流配電系統正重新受到關注。歐盟直流電網項目[19]等研究正致力于解決直流電網大規(guī)模應用前必須攻克的技術難題。
傳統上，中壓直流技術未被視為電力系統運行的一部分：它既無法解決高壓直流技術所能應對的長距離電網挑戰(zhàn)，也未能提供推動低壓直流技術普及的終端使用效率優(yōu)勢。中壓直流技術僅限于船舶系統和鐵路應用領域。
如今，中壓直流技術在電網中的應用備受關注，因其能緩解老舊配電系統的容量瓶頸，助力構建更可持續(xù)的電力基礎設施[20]。基于直流的高功率發(fā)電機和儲能設備正大量涌入電力系統，中壓直流技術有助于應對基于逆變器資源的電力系統運行所面臨的復雜挑戰(zhàn)[21]。表1-1總結了高壓直流與中壓直流電力系統之間的若干關鍵差異。
電流/操作系統基金會1與開放直流聯盟(ODCA)2正通過構建參與企業(yè)生態(tài)系統及制定技術指南[22]、[23]，積極推廣配備分布式能源的低壓直流供電系統。這些通過多個試點項目驗證的指南旨在通過確保設備互操作性和安裝安全性來補充IEC標準。雖然兩種系統在電壓范圍和分散式電壓下垂控制等方面具有共同技術特征，但在系統接地等其他方面存在差異，這反映了各組織所針對的不同應用場景。
中壓直流電壓尚未標準化。普遍認為中壓直流始于1.5千伏以上電壓，盡管IEEE標準建議以3.2千伏為起點[24]。中壓直流向高壓直流的過渡界定更為模糊：交流系統中壓通常指1千伏至52千伏區(qū)間，而IEC當前正考慮將高壓直流起點定義為100千伏以上[25]。
圖2-2展示了一個完整的直流電網段示例，其運行范圍涵蓋高壓直流至低壓直流。低壓直流作為終端消費設備及低功率應用的"安全電壓"；中壓直流用于更高功率等級及配電級互聯；高壓直流則用于長距離互聯和大容量電力傳輸。
圖2-2 | 采用不同電壓等級應用的全直流電網段示例
2.4.2全直流電力系統？
關于整個電力系統最終是否將基于直流技術，存在顯著分歧。一方面，鑒于大量新建發(fā)電設施將采用直流技術，且現代負荷多為直流負荷，加之本節(jié)前文所述直流技術的其他優(yōu)勢，電力系統向全直流網絡演進似乎順理成章。圖2-3展示了此類網絡的示例。
圖2-3 | 全直流電力系統示意圖，展示高壓直流（HVDC）、中壓直流（MVDC）和低壓直流（LVDC）的獨特運行模式
另一方面，當前電力系統完全基于交流技術構建，直流技術仍局限于電力系統的孤立環(huán)節(jié)。將整個系統（包括既有設備和運行實踐）轉型為直流系統是項艱巨任務，部分觀點認為短期內難以實現。此外，全直流電力系統的運行仍面臨重大技術挑戰(zhàn)。
表1-1 | 直流輸電技術比較（高壓直流與中壓直流）
盡管向直流電過渡的確切終點尚不明確，但其在電力系統中的應用幾乎肯定會持續(xù)增長。高壓直流技術已在長距離輸電領域獲得廣泛認可和部署；下一階段將涉及電網運營商知識的積累以及中壓直流技術的更廣泛應用。
第3章 中壓直流電網
中壓直流電網是一種先進配電系統，設計運行于中壓范圍（1.5千伏至100千伏）。該系統采用直流而非交流電，可無縫集成各類分布式能源。通過提升效率、靈活性和可靠性，它克服了傳統交流配電網的固有局限。
更具體而言，作為電網運營的下一代解決方案，中壓直流電網具備增強容量、高能效、優(yōu)異電能質量、優(yōu)化空間效率、先進控制能力及可適配網絡配置等特性。這些優(yōu)勢共同使中壓直流技術得以突破傳統交流系統的局限。作為整合可再生能源、分布式能源及儲能系統的樞紐，MVDC電網特別適用于城市與區(qū)域應用場景。其創(chuàng)新特性有望從根本上變革電網結構與運行模式，成為加速邁向全電氣化社會的催化劑。
圖3-1展示了融合MVDC技術及子系統的電力系統示例。
圖3-1 | 采用中壓直流技術與電網分段的電力系統示例
3.1中壓直流電網的獨特特性
中壓直流電網在高壓直流電網系統與低壓直流應用之間占據獨特地位。以下特征從技術、運行規(guī)模及應用重點三個維度，彰顯了中壓直流電網與高壓直流及低壓直流的差異性。
?電網級聚焦。高壓直流專攻長距離輸電，低壓直流側重用戶級設備與網絡，而中壓直流電網則強調線路、換流器、保護裝置、控制機制及儲能系統等多重電網組件的系統性集成。該類電網設計為協同運作的網絡體系，滿足中規(guī)模配電需求。
?中壓應用場景。中壓直流電網運行于中壓范圍，填補了高壓直流系統（適用于高壓大容量輸電）與低壓直流系統（優(yōu)化低壓終端用戶應用）之間的空白。該電壓區(qū)間使中壓直流在效率與可擴展性均至關重要的場景中表現卓越：城市電網、工業(yè)園區(qū)及區(qū)域性網絡。
?分布式能源支持。中壓直流電網能在系統層面高效整合分布式能源資源——如儲能系統、可再生能源發(fā)電及電動汽車基礎設施。不同于高壓直流側重大容量輸電或低壓直流局限于單一設備運行，中壓直流電網可實現多個分布式能源在更大電網網絡中的協同運作。
?主動網絡管理。MVDC電網融合先進控制與實時管理能力，可優(yōu)化功率流并動態(tài)響應負荷與發(fā)電波動。這種系統化方法賦予其更高運行靈活性，超越了HVDC和LVDC系統更具針對性的聚焦模式。
?靈活可擴展的架構。MVDC電網采用模塊化適配架構，支持城市電網、工業(yè)系統及混合交流/直流網絡等多元應用場景。這種特性使其成為區(qū)域配電網絡的理想選擇——既滿足高效運行與靈活調度的需求，又避免與高壓直流輸電（HVDC）的高壓傳輸定位及低壓直流（LVDC）的局部應用范圍產生重疊。
?節(jié)能降損。通過采用直流技術，中壓直流電網既降低了交流配電的能量損耗，又提升了功率密度。這種特性彌補了高壓直流在長距離輸電和低壓直流在局部配電中的效率優(yōu)勢，精準滿足中規(guī)模應用的效能需求。
?優(yōu)化材料使用。同等容量下，中壓直流電網所需的銅材與鋼材基礎設施遠少于中壓交流電網。
3.2中壓直流電網的優(yōu)勢
中壓直流電網為傳統交流系統面臨的諸多挑戰(zhàn)提供了更高效、更靈活的解決方案。其在降低能量損耗、提升電網容量、整合可再生能源以及適應直流供電的負載方面具有顯著價值。第3.2.6節(jié)至3.2.6節(jié)闡述了MVDC電網系統的主要優(yōu)勢。
3.2.1更優(yōu)地整合可再生能源與直流負載
中壓直流電網的重要優(yōu)勢之一在于其能夠直接整合可再生能源（如太陽能和風能），同時兼容直流負載與儲能設備。隨著全球日益依賴可再生能源，能源轉換與傳輸效率變得至關重要。當中壓直流電網直接連接直流發(fā)電與直流負載時，能有效降低能量損耗，從而提升系統效率。
中壓直流電網采用的電力轉換器能更精準地調控功率流與電壓，有望減少設備數量，從而縮減電網與可再生能源系統間互聯基礎設施所需的物理空間。
3.2.2解決配電走廊難題
隨著城市人口增長和經濟擴張，電力需求持續(xù)攀升。在許多城市，現有交流配電基礎設施尚未適應需求增長便已不堪重負。中壓直流電網在城市配電領域具有多重優(yōu)勢，尤其適用于新建輸電線路空間受限的擁擠區(qū)域。
傳統交流電網面臨輸電容量有限、新線路空間不足等挑戰(zhàn)。同等規(guī)格銅導體的MVDC系統可承載至少兩倍于MVAC系統的電力，從而將輸電距離延長至2.4倍[26]。由此可大幅減少新建大型昂貴輸電線路的需求。中壓直流電網還能提升現有基礎設施走廊（或地下電纜空間）的承載能力，為擴容配電網絡提供經濟高效的解決方案，無需對交流電網進行復雜昂貴的升級改造。
3.2.3降低輸電損耗與擴大供電覆蓋范圍
MVDC最顯著的特性在于相較交流系統能降低能量損耗——直流輸電規(guī)避了交流固有的損耗問題。交流損耗隨距離增加而擴大，通常需采用更大截面導體或增設變電站。
與交流系統相比，直流配電系統更能有效擴展城市供電范圍，在相同電壓降條件下覆蓋更廣區(qū)域。這在土地稀缺且昂貴的城市擴張中具有關鍵優(yōu)勢。隨著城市發(fā)展，新建輸電線路和變電站日益困難。直流配電網提供更靈活高效的解決方案，在擴大覆蓋范圍的同時最大限度減少新建昂貴基礎設施的需求。
3.2.4連接不同電網并確保靈活性
與交流系統不同，中壓直流電網采用非同步運行模式，無需匹配現有交流電網的相位與頻率，從而簡化了其與交流/直流系統的集成過程。
中壓直流電網可通過直流-直流轉換器直接對接低壓直流和高壓直流系統，省去中間交流電網的連接環(huán)節(jié)。這減少了轉換階段，提升了整體系統可靠性。中壓直流電網還能連接不同類型的網絡——包括本地可再生能源網絡和孤島電網——從而提高整體配電效率。
因此，中壓直流電網在連接不同電網類型時具備更高靈活性，且無需復雜的同步操作。
3.2.5提升中壓交流配電系統的電能質量
在某些情況下，中壓直流系統可提升現有中壓交流電網的電能質量與整體穩(wěn)定性。其能有效隔離電壓跌落、抑制諧波畸變并補償無功功率問題。這些改進對醫(yī)院、數據中心、半導體工廠及其他需要高度穩(wěn)定可靠電源的敏感負載尤為重要。
中壓直流系統還能為特定高功率交流負載提供定制化電源，滿足其對可靠性與電能質量的嚴苛要求。通過全面的電能質量控制，中壓直流電網確保敏感行業(yè)獲得穩(wěn)定優(yōu)質的電力，實現最佳運行狀態(tài)。
3.2.6提升基礎設施可持續(xù)性
基于MVDC的電力系統因傳輸容量更大，所需原材料比交流系統更少。同等容量的直流電纜或線路所需銅材、鋁材和鋼材僅為交流電纜或線路的一半。類似地，直流電壓轉換設備使用的銅材和鋼材遠少于傳統交流變壓器：據估算，交流系統每千兆伏安（GVA）需消耗25,000噸材料，而直流系統僅需1,500噸[27]。
3.3MVDC系統市場
直流供電技術市場整體規(guī)模龐大：2023年全球直流配電技術市場價值約190億美元，預計將以約8%的復合年增長率（CAGR）持續(xù)擴張，到2030年達到310億美元[28]，[29]。這些預測表明全球所有市場都將實現增長，其中歐洲市場增速略快，這得益于歐洲各國政府對能源轉型的承諾。盡管相關研究未將中壓直流（MVDC）與更廣泛的"直流配電"類別區(qū)分開來，但中壓直流應用預計將占據該需求的重要份額。
多種市場因素將推動中壓直流技術的商業(yè)化應用。國際大電網會議（CIGRE）對全球電力系統運營商的調查[30]顯示，中壓直流技術發(fā)展的主要驅動力包括：可再生能源并網規(guī)模擴大、交流電網互聯、電動汽車及儲能電池等新型直流負荷增長，以及高密度城市配電網的強化。
第3.3.1至3.3.3節(jié)將深入探討這些應用的商業(yè)市場。
3.3.1兆瓦級負荷
隨著電力系統向全電氣化社會轉型，兆瓦級負荷數量預計將顯著增長。
3.3.1.1電動汽車充電
兆瓦級終端應用的關鍵范例之一是電動汽車充電。幾乎所有主要卡車制造商都計劃在未來幾年推出電池電動卡車。長途運輸對充電系統、能源供應和配套基礎設施提出了重大挑戰(zhàn)。
為解決這些問題，兆瓦級充電系統（MCS）正處于研發(fā)與標準化階段。該系統最初設計支持1兆瓦充電功率，MCS最終將支持 最高3.75兆瓦功率，工作電壓達1250伏[31]。MCS站點將主要部署于主干公路沿線。
3.75兆瓦，最高電壓達1250伏[31]。MCS站點將主要部署于中央高速公路沿線。
在歐洲，預計到2030年電動卡車滲透率達到15%時，需在電力需求最高的地點為20個MCS充電樁提供高達12兆瓦的連接[32]。高速公路服務站可集中部署多個充電樁。這將形成重大新增網絡負荷，中壓直流電網或可助力應對。
相關市場應用還涉及將本地可再生能源發(fā)電與大功率電動汽車充電整合。受空間限制常建于高速公路附近的風力渦輪機和公用事業(yè)規(guī)模光伏系統，可通過MVDC直接為MCS充電站供電——既減少轉換損耗又提升整體效率。
全球范圍內，兆瓦級電動汽車充電基礎設施預計將在未來十年快速擴張。僅歐盟就計劃在2030年前安裝2800個高速公路充電站點，預計總裝機容量達7.5GW [33]。圖3-2展示了歐洲各國兆瓦級卡車充電設施部署的進一步估算。
3.3.1.2電解槽
通過水電解制取氫氣是氫能經濟的重要支柱之一。電解過程能耗極高，需要大功率直流輸入。電解槽可能同時在配電電壓（MV）和高壓（HV）規(guī)模運行。中壓直流（MVDC）技術也可用于將電解槽直接連接至附近的可再生能源發(fā)電裝置。
全球電解槽項目數量持續(xù)增長。僅2023年就宣布了600個項目，總裝機容量達160吉瓦，年需求量增長近3%[34]。預計未來十年電解廠平均規(guī)模將從目前的數十兆瓦提升至數百兆瓦[34]。
3.3.1.3數據中心
數據中心作為主要能源消耗者，多數運行規(guī)模達兆瓦級。采用中壓直流技術可消除多級交流-直流轉換環(huán)節(jié)，通過減少轉換損耗提升能源效率。該技術還能提高設備功率密度，在固定空間內實現更高功率承載能力，并縮減現場電纜尺寸。
當前眾多數據中心正與大型可再生能源發(fā)電設施實現共址部署。與此同時，主要數據中心運營商承諾在同一電網內全天候采購零碳電力。中壓直流技術特別適用于實現發(fā)電端與數據中心負載的直接連接。
圖3-2 | 歐洲兆瓦級電動汽車充電設施普及預測 [33]
受人工智能（AI）崛起和云計算持續(xù)增長的推動，全球數據中心市場預計將快速擴張。僅在美國，數據中心能源需求就預計將翻倍以上，從2022年的17吉瓦增至2030年的35吉瓦[35]。2022年全球數據中心市場規(guī)模達1948.1億美元，預計到2030年將以10.9%的復合年增長率持續(xù)擴張[36]。
3.3.2可再生能源發(fā)電
中壓直流（MVDC）技術可用于構建高效的可再生能源收集電網，包括光伏系統。由于光伏組件輸出本質為直流電，MVDC通過減少并網所需的直流-交流或交流-直流轉換步驟，從而降低轉換損耗，提升整體效率。采用直流供電并提升電壓等級至中壓（通過DC/DC轉換器）還可降低傳輸損耗，實現更高效的長距離能量傳輸。通過消除基于變壓器的交流系統在夜間產生的變壓器損耗，進一步提升了傳輸效率。
如本文前文所述，MVDC還能在相同規(guī)模基礎設施下實現更大輸電容量，降低可再生能源發(fā)電設施的互聯成本。
鑒于這些優(yōu)勢，中壓直流技術在大型太陽能電站內部及電網互聯領域的應用正日益受到關注[37]。2022年全球基于直流的公用事業(yè)規(guī)模光伏裝機容量達584吉瓦，預計將以15%的復合年增長率迅猛增長，到2030年達到約1800吉瓦[3]。
MVDC技術對海上風電并網同樣具有重要意義。全球公用事業(yè)規(guī)模海上風電裝機容量預計未來十年將實現爆發(fā)式增長：2023年裝機容量為945吉瓦，預計以6.6%的復合年增長率持續(xù)攀升，到2030年將達到約1480吉瓦。截至2023年末，海上風電裝機容量為75吉瓦，預計將以28%的復合年增長率增長，到2030年將達到380吉瓦[38]。
如圖 3-3 所示，中壓直流技術甚至可能消除對海上轉換站的需求，從而降低海上風電項目部署的成本和復雜性。
指示性電壓水平基于現有交流風電場和擬議的直流設計。中壓直流匯流裝置需要配備直流發(fā)電風力渦輪機，或在每臺渦輪機上安裝交流-直流轉換器。
3.3.3 電池儲能
中壓直流技術可直接應用于大型電池儲能系統（BESS）項目。通過在中壓層級直接連接儲能設備，該技術能使BESS系統更高效地提供頻率控制/管理及黑啟動能力，且無需變壓器等交流專用設備。中壓直流還可實現電池儲能與可再生能源發(fā)電機的直接耦合，相較傳統交流連接方案具有效率優(yōu)勢。2023年全球公用事業(yè)級電池儲能裝機容量達26吉瓦，預計將以22.7%的復合年增長率持續(xù)擴張，到2030年將達到109吉瓦[7]。
圖3-3 | 海上風電場的連接方案：(a) 中壓交流匯流裝置配合高壓交流輸電出口 –(b) 中壓交流匯流裝置配合高壓交流輸電出口 – (c) 中壓直流匯流裝置配合高壓直流輸電出口 – (d) 中壓直流匯流裝置與直流出口
第4章 中壓直流技術與運行考量
中壓直流的獨特特性導致其電力系統在核心技術和運行方法上與交流系統存在顯著差異。這些差異貫穿整個電力系統——從主要組件和系統設計到電力系統運行管理方法。以下章節(jié)將詳細闡述最重要的考量因素。
4.1故障電流管理
故障電流管理（如短路和過載）是任何電網的關鍵任務。故障電流管理通常包括故障檢測、故障隔離和故障后重構。檢測與隔離旨在將故障支路與電力系統中未受影響的部分分離，而重構則用于最大限度地減少對鄰近負載的供電中斷。直流系統中的故障電流管理與交流系統存在顯著差異，具體將在4.1節(jié)后續(xù)部分探討。
4.1.1交流與直流故障管理的差異
中壓直流（MVDC）電力主要通過交流/直流或直流/直流變流器輸送，這類設備通常內置過流保護功能，防止電流超過變流器額定值的150%。該限制削弱了基于MVDC發(fā)電機的故障電流供給能力，導致遠離發(fā)電機的電網區(qū)域故障檢測難度增加。因此故障隔離更為困難。故障發(fā)生時，換流站可能為自我保護而停機，導致整個電力系統（而非僅故障區(qū)段）停電。另一種情況是換流站無法承受故障電流，造成嚴重損壞并引發(fā)長期停電。
在MVDC系統中，供電電壓極性恒定，因此短路電流將呈指數級單調增長，僅受供電電壓和短路故障電阻限制。與中壓交流系統不同，中壓直流網絡中的系統電感不會限制峰值電流，僅影響短路電流的時間常數。因此直流系統的短路電流上升速率遠高于交流系統。
由于直流供電系統提供無自然零交叉點的連續(xù)電流，故障電流會持續(xù)上升至峰值而不會出現零交叉，這使得電流中斷或切換變得極其困難。在更高電壓下，現有多數交流故障電流管理設備無法在所需故障水平下中斷直流電流。
在高壓直流系統中，時間控制比高壓交流系統更為關鍵。在中壓交流系統中，變壓器和同步發(fā)電機等主設備可承受數十至數百毫秒（ms）的故障電流，其強度可達額定電流數十倍。相比之下，直流電力變流器中的半導體開關通常僅能承受不超過額定電流兩倍的故障電流，且持續(xù)時間不足10毫秒。因此，中壓直流系統必須在10毫秒內完成故障檢測與隔離以保護變流器。
對于故障時間常數更短的中壓直流電網，該要求可進一步縮短至幾毫秒。
4.1.2故障電流檢測
快速故障電流檢測與故障點定位是中壓直流系統面臨的重大挑戰(zhàn)。主要檢測與定位方法包括：
?交流網絡保護。對于連接交流電網的中壓直流系統，最簡單的保護方法是通過交流斷路器限制交流電網對故障電流的貢獻。但該方法的主要缺陷在于交流斷路器動作時間較長：中壓交流斷路器通常需要1-3個周期（16-60毫秒）才能隔離故障區(qū)段，這對于充分保護中壓直流電力系統組件而言過于遲緩。
?電流變化率保護：通過設定電流變化率閾值識別故障。該方法已通過實驗驗證。在多端中壓直流系統中，增加電感可改變電網跨接點的電流變化率曲線，從而提高故障選擇性。
?差動保護與方向性保護：這些方法借鑒了中壓交流系統的類似技術。方向性保護僅適用于相對簡單的中壓直流線路。由于中壓直流系統中故障電流上升極快，實施差動保護需配備高精度快速電流傳感器及可靠通信通道。
?基于信號處理的方法：小波變換或短時傅里葉變換等技術可識別系統運行中的異常現象以指示故障。此類技術仍處于積極研究階段，尚未投入商業(yè)應用。
4.1.3 故障電流切斷
中壓直流電力系統的保護可大致分為基于斷路器的保護和無斷路器保護。其他措施，如熔斷器和爆破開關，也曾被提出用于中壓直流系統；但總體而言，這些措施存在單次使用操作和難以設定可靠動作點等缺陷。
4.1.3.1中壓直流斷路器
如前所述，周期性電流零交叉對電流中斷具有顯著優(yōu)勢，機械式斷路器可利用這些自然零點有效切斷故障電流。
在數千伏以下電壓等級，機械式斷路器（如與交流斷路器類似的塑殼斷路器或空氣斷路器）可直接用于直流電流切斷，無需附加組件。然而隨著系統電壓升高，純機械式斷路器因缺乏周期性零交叉點而難以中斷直流電流。因此高壓直流斷路器必須采用不同機制來中斷故障電流，這些機制通常涉及創(chuàng)造人工電流零點或利用電力電子技術管理中斷過程。
高壓直流斷路器需滿足以下技術要求才能有效切斷高壓直流電流：
?創(chuàng)造人工電流零點以促進電流中斷
?消散電力系統中儲存的能量以防止損壞。
?處理開關過程中產生的過電壓。
?確保快速切斷以最大限度降低故障電流影響。
實現這些目標需要比交流斷路器更復雜的設計。總體而言，中壓直流斷路器基于三個獨立子系統，如圖4-1所示：
?連續(xù)電流支路承擔負載電流，除半導體斷路器外均采用機械開關。在中壓直流應用中，該支路通常基于單真空滅弧室。
?電流換流支路采用預充電電容器、磁耦合換流模塊或固態(tài)開關實現電流換流并建立分斷電壓。
?能量吸收支路通常采用金屬氧化物避雷器，在直流電流斷開過程中吸收能量。
圖4-1 | 典型中壓直流斷路器子系統
幾乎所有提出的MVDC斷路器技術均采用金屬氧化物避雷器（MOSA）技術實現圖4-1所示的能量吸收支路。與傳統交流/直流系統中用于過電壓保護的MOSA（其作用是抑制過電壓并將直流電導入地）不同，MVDC斷路器中的MOSA必須在故障電流切斷后吸收來自電網的更高能量。會導致更高的熱損耗。雖然傳統MOSA在過電壓保護領域的應用已相當成熟且標準化完善，但用于直流斷路器的MOSA設計、選型及測試仍需深入研究，進而推動相關標準的制定。
4.1.3.2無斷路器故障電流保護
采用故障阻斷式變流器可避免對中壓直流斷路器的需求。配備直流故障穿越（DC FRT）功能的中壓直流換流站能在數十毫秒內承受并清除故障，無需能量吸收或耗散支路即可實現快速故障隔離。
此類換流器通過阻斷或限制故障電流從電源向故障點的傳遞，既保護換流器內部的半導體開關器件，也保障關聯電網的安全。故障清除后，可通過空載隔離開關或機械式斷路器隔離故障區(qū)段。
此類變流器在子模塊層面需要額外的電力電子元件，導致成本增加和導通損耗增大。
4.2電壓轉換
MVDC 電力系統的一個關鍵組件是轉換器，它可改變電壓水平和/或在交流與直流之間進行切換。
4.2.1交流-直流電壓轉換
如圖 4-2 所示，從交流到直流（或反之）的轉換有多種選擇。
對于 MVDC 應用，模塊化多電平變流器 (MMC) 拓撲結構因其可擴展性、諧波處理和故障處理能力而備受關注。
圖4-2 | 高功率電壓源換流器系列
4.2.2 模塊化多電平變流器模塊化是MVDC網絡直流電壓轉換的關鍵設計考量，尤其在應對單臺變流器的電壓擴展限制時。這些限制源于商用高壓半導體的匱乏——多數半導體開關的額定電壓通常低于6.5千伏。2001年問世的MMC被視為連接HVDC/MVDC電網與交流電網最適宜的電力電子變流器拓撲結構之一。其核心優(yōu)勢包括冗余性、低開關損耗及高電壓輸出能力。
MMC的基本設計是在變換器交流側級聯開關子模塊。每個子模塊在直流側配備浮動電容器，從而能夠集成直流電源和/或直流負載（如圖4-3所示）。基于這些特性，利用MMC連接電池儲能系統[39]和光伏電站[40]至電網的應用正日益受到關注。
4.2.3 直流-直流電壓轉換DC-DC轉換器通常分為兩大類：隔離式與非隔離式[41]。隔離式轉換器通過中間交流變壓器實現電隔離，保護轉換器低壓側免受高壓側影響，其典型拓撲結構包括雙有源橋（DAB）、DAB諧振式及模塊化多電平DAB。隔離式DC-DC轉換器采用直流-交流-直流轉換序列，通常包含兩級交流-直流轉換。非隔離式DC-DC轉換器無需功率變壓器且使用較少半導體元件，因此比隔離式轉換器更高效、體積更小、成本更低，但無法達到隔離式轉換器的電壓比。主要的隔離式拓撲結構包括降壓-升壓轉換器和模塊化多電平轉換器。
隔離式DC-DC轉換器及部分非隔離式DC-DC轉換器具備固有的故障電流阻斷（或限制）能力。設計直流母線網絡保護方案時必須充分考慮此特性。
圖4-3 | 模塊化多電平變換器示意電路圖（左），及模塊化多電平變換器子模塊示意圖（右）
DAB拓撲被廣泛視為隔離式MVDC變流器應用的首選方案，而MMC則適用于非隔離式MVDC變流器設計[41]。
4.2.4固態(tài)變壓器
固態(tài)變壓器（SST），又稱電子電力變壓器或電力電子變壓器，是基于電力電子技術的電壓轉換裝置。相較于傳統的被動式低頻交流變壓器，它們能對電壓轉換過程的初級側和次級側實現更精確的控制與靈活調節(jié)。許多SST設計可實現功率與電壓的調控（在交流電網中還可調控頻率、無功功率及電能質量）。這種廣泛的功能使SST成為未來電網的關鍵技術工具，該類電網將要求高效且可控的電力流[42]。
注釋：MFT表示中頻（MF）變壓器，XC代表直流或交流電壓（取決于SST設計）。
SST的輸入或輸出可對接交流或直流電力系統。其基本結構如圖4-4所示：第一級電力電子裝置將中壓輸入（交流或直流）轉換為中頻交流信號。中頻變壓器（MFT）提供電隔離功能，某些情況下還實現中壓（MV）至低壓（LV）的高壓比轉換。第二級將中頻低壓交流信號轉換為所需的低壓輸出（交流或直流）。
圖4-4 | SST通用結構示意圖
SST存在多種拓撲結構，主要分為單隔離、模塊化隔離和多端口隔離三類。每種設計在成本、效率、復雜度及諧波/電磁輻射方面均存在權衡取舍[42]。多數SST可兼容交流-交流、交流-直流、直流-交流或直流-直流轉換模式。隨著未來中壓直流（MVDC）電力系統日益普及，SST正成為不可或缺的關鍵組件，尤其在可再生能源并網、數據中心供電及高功率電動汽車充電領域發(fā)揮重要作用。
4.2.5諧波濾波
如第2.4節(jié)所述，未來的電力系統很可能由交流電網和直流電網混合構成，并通過電力電子變流器作為兩者之間的接口。圖4-5展示了此類系統的示例。
混合交流-直流系統面臨的關鍵挑戰(zhàn)在于互聯電力電子變流器的影響——其開關行為會向直流網絡引入諧波電流。直流電網的動態(tài)特性——當不同直流資產接入或斷開時阻抗分布持續(xù)演變——會加劇諧波擾動，可能引發(fā)諧振并危及系統穩(wěn)定性與安全性[43]。盡管大量研究聚焦于抑制交流側諧波，但針對直流側電流諧波的專門控制策略卻鮮少受到關注。模塊化多電平變流器是應對這些諧波挑戰(zhàn)的可行方案之一。
圖4-5 | 帶電壓源換流器（VSC）互聯的混合交流-直流電網
4.3接地
接地與電氣保護是任何電力系統（包括中壓直流系統）的關鍵安全考量。
接地的主要目的包括：
?保障人身安全。
?減少設備故障并最大限度縮短停機時間。
?防止電氣火災和電弧事故。
?減輕輻射和傳導電磁干擾（EMI），并最大限度地減少電磁兼容性（EMC）問題。
針對低壓系統，IEC 60364-1根據電源線路接地（系統接地）與用戶側電氣設備外殼接地情況，將接地系統分為三類[44]：
?TT接地系統：電源線路（系統接地）與設備導電外殼分別在獨立接地點接地。
?TN接地系統：設備導電外殼不獨立接地，而是通過保護導體連接至電力線路的中性點。
?IT接地系統：電力線路不接地，僅設備導電外殼接地。
設計MVDC接地系統時需考慮以下因素：
?暫態(tài)過電壓：接地方式影響故障期間暫態(tài)電壓的幅值和持續(xù)時間，這直接決定電纜及其他設備的絕緣要求。
?故障電流管理：高電阻接地能有效提升安全性，減輕設備應力并限制故障電流幅值。
?腐蝕風險：接地設計應盡量減少金屬電極長期暴露于漏電流的環(huán)境，尤其在TT系統中，其腐蝕風險更高。
?系統應用：接地方式的選擇取決于系統的運行優(yōu)先級，如成本、安全性、電磁干擾考量及供電連續(xù)性。
通過仔細評估這些因素并參考表4-1所列接地指南，MVDC系統設計者可選擇最優(yōu)接地方法，在安全性、可靠性和效率之間取得平衡。
表4-1 | 各類接地系統選擇指南[45]
4.4交流基礎設施再利用
交流配電網絡在過去100年間已實現全球范圍內的擴展與發(fā)展，其基礎設施投入高達數十億美元。通過復用交流基礎設施來構建中壓直流（MVDC）電力系統，既能最大化現有基礎設施的價值，又能大幅降低新建直流資產所需的成本與資源投入。
本節(jié)探討各類交流基礎設施資產類別在微型直流系統中的潛在改造應用。
4.4.1導線
導線特別適合從交流轉換為直流。架空線和電纜在交流轉直流過程中可提升傳輸容量。
S. Krahmer等研究表明，采用交流電纜傳輸直流電可使輸電容量提升1.75倍[14]。另項研究中，A. Burstein等發(fā)現采用對稱單極或雙極配置的兩根交流電纜，當直流電壓達到交流峰值電壓時，傳輸容量可提升至2.08倍[15]。與此同時，Schichler等人發(fā)現，將直流電壓提升至10千伏/毫米絕緣值（該數值仍為高壓直流電纜的一半），可構建出最大傳輸功率達比標準交流電纜系統（12/20千伏，240平方毫米）高出5.7倍[12]。
預測交流電纜能否改作直流使用及增容幅度需謹慎。盡管前述研究顯示顯著增容潛力，但最新研究表明中壓直流電壓可能加速交流電纜的老化進程——此問題將在第4.6節(jié)深入探討。
4.4.2絕緣子
直流與交流中使用絕緣體的主要區(qū)別在于：電場分布取決于絕緣體的導電率而非介電常數。這帶來幾個值得注意的影響：首先，直流條件下絕緣體的漏電流比等效交流小幾個數量級。其次，絕緣體內部的電場分布更為均勻，這可能導致直流條件下部分放電起始電壓和閃絡電壓更高。
再次強調，預測交流絕緣子能否用于直流時需謹慎。最新研究表明，中壓直流電壓可能加速交流絕緣材料的老化，該問題將在第4.5節(jié)深入探討。
4.4.3結構
通常情況下，中壓交流電桿和鐵塔可直接用于中壓直流系統，無需增加間距或進行重大改造。橫擔和導線連接位置可能需要根據直流母線配置及導線數量進行調整。采用單極接地配置時，通過將三根交流有功導線減至兩根直流有功導線，可獲得額外的導線間距。
4.4.4開關設備、變壓器與接地
如前文所述，與交流系統相比，直流中壓系統的開關設備、變壓器（或電壓轉換器）及接地裝置具有諸多獨特特性。因此，這些系統組件難以沿用交流設計方案，需采用專為直流中壓系統設計的全新組件。
4.5直流應力下的老化特性
中壓直流基礎設施的老化機制可能與中壓交流系統存在差異。交流系統因電壓極性持續(xù)變化及相關電場應力作用，而直流系統則保持恒定極性，導致絕緣材料內部形成獨特的電場分布與應力積累。這種根本差異可能影響電纜及相關基礎設施的可靠性與長期性能。
例如，高壓和中壓電纜采用聚合物絕緣材料，其會受到電應力、熱應力和環(huán)境應力的影響。這些應力導致電纜絕緣老化，影響其介電性能和機械性能，進而影響電纜的可靠性。早期研究表明，中壓交流電纜的老化機制可能與中壓直流電纜不同，絕緣材料在交流和直流環(huán)境下的行為存在差異[46]。
直流環(huán)境下老化特性的差異性體現于空間電荷積累現象。在此情況下，直流電壓會促使絕緣層自身、鄰近層或環(huán)境中的極性雜質在強電場作用下遷移，導致電纜內部機械與電氣性能不均一，從而加速老化進程。最終，此類積累將加劇電應力并引發(fā)過早失效。
由于中壓直流系統運行歷史相對較短，其老化效應尚不明確。特別是電纜等基礎設施在長期中壓直流應力下的電氣性能尚未得到充分研究。因此，必須對中壓直流電纜及相關基礎設施開展導電性評估、空間電荷測量及加速老化應力試驗。
交流與直流系統的差異亦可能影響中壓直流電纜附件（如終端器、接頭器和絕緣子）的老化及/或可靠性。這些附件在交流與直流應用中的電場分布不同，導致絕緣材料承受不同程度應力，可能加速劣化。附件在直流條件下的熱行為也可能偏離交流條件，進而影響老化過程。
在高壓直流系統中，電纜附件通常作為完整預認證電纜系統的組成部分進行設計和測試。然而，這種集成化方法在中壓系統中并不常見。中壓應用中，附件往往需要獨立認證或型式試驗，其兼容性由行業(yè)標準決定。但目前尚缺乏支持此類兼容性并確保中壓直流基礎設施可靠性的相關標準。
國際大電網會議工作組B1.82（中壓直流電纜系統要求）近期成立，旨在研究中壓直流電纜系統的技術規(guī)范。該工作預計將涵蓋材料選型，并明確直流系統專用材料及附件的應用場景。
4.6系統設計
系統設計的核心任務是將前文所述所有組件與技術整合為可靠且經濟高效的中壓直流系統。系統設計階段的關鍵考量因素如下：
4.6.1電壓
選擇合適的中壓直流系統電壓等級，對系統整體效率、穩(wěn)定性、安全性及可擴展性具有重大影響。電壓需根據傳輸距離和負荷特性進行調整，是降低損耗的關鍵要素。電壓選擇是所有相關設備的基礎，因此是系統設計中的關鍵決策點，應綜合考慮以下因素：
?傳輸距離與容量。更高電壓可降低損耗并實現高效長距離傳輸，但需增強設備絕緣強度，導致設備體積增大、成本上升。
?轉換效率。電壓轉換過程中可能產生顯著能量損耗，當輸入輸出電壓差較大時，損耗通常會增加。
?經濟可行性。電壓選擇將顯著影響直流配電系統中換流器與開關設備的尺寸、成本及復雜度，因此需綜合考量換流器拓撲結構、保護策略與系統電壓的選定。
?交流基礎設施再利用。為將現有交流基礎設施改造用于中壓直流配電網，選擇合適的直流電壓至關重要。理論上可采用約1.4倍交流電壓作為直流電壓，但必須同時考慮交流設備在直流運行下的老化及使用壽命問題，具體將在后續(xù)小節(jié)中闡述。
4.6.2網絡配置與可靠性
網絡配置是決定電力系統可靠性與運行效率的關鍵因素。通常情況下，在正常狀態(tài)下采用多條互連配電饋線運行可同時提升可靠性與效率。但此舉可能導致電力流向特定線路集中。因此，中壓交流系統普遍采用放射狀配置，并保持聯絡開關常開狀態(tài)；當發(fā)生故障時，通過隔離故障區(qū)段并閉合聯絡開關，實現相鄰區(qū)段的供電恢復。
相比之下，中壓直流線路采用變流器，可實現靈活精確的功率流控制。由此，多條饋線可實現互聯并持續(xù)運行。如圖4-6所示，中壓直流系統可采用多種網絡配置，每種配置均影響電力系統的穩(wěn)定性、靈活性及可擴展性。根據中壓直流網絡所需的可靠性水平，可采用全網狀互聯運行；當經濟因素優(yōu)先時，也可采用放射狀配置：
?放射狀配置便于管理且傳輸路徑清晰；但一旦發(fā)生故障，受影響路段的整個供電系統可能中斷。
?網狀配置（包括環(huán)形結構）通過多路徑供電實現更高可靠性。即使發(fā)生故障，仍可通過備用路徑供電，顯著提升供電可靠性。
?混合配置：某些情況下可采用放射狀與網狀配置的組合方案。雖然成本較高，但在可擴展性和穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢。
4.6.3線路配置
中壓直流系統具有若干獨特特性，其線路配置方式與交流系統截然不同。傳統中壓交流系統中，單回路由三根導線（或三根導線加中性線）構成三相傳輸。而在中壓直流系統中，線路配置通常由兩根導線（正負極）或兩根導線加中性線構成。
如圖4-7所示，中壓直流線路配置可基于換流器拓撲、接地方案、導線數量等關鍵因素分為非對稱單極型、對稱單極型和雙極型三類。
確定線路配置后，若采用多回路方案，需規(guī)劃導線布置。例如：將現有雙回路架空中壓交流網絡替換為中壓直流系統時，可將上層導線設為正極（+），下層導線設為負極（–）。
圖4-6 | 中壓直流供電系統的替代網絡配置方案
圖4-7 | 母線直流系統線路配置
4.6.4與交流系統設計的交互
在負荷密集的城市區(qū)域或地區(qū)，中壓交流配電線路通常配置為多回路系統。當僅部分回路轉換為中壓直流運行時，中壓直流系統的接地可能與現有中壓交流系統共用。在此類情況下，為中壓直流系統單獨建立接地可能存在困難；若中壓直流系統采用非接地方式運行，正極（+）或負極（–）線路發(fā)生接地故障時，可能導致正常導體的電壓升高，最終使整條線路無法運行。當中壓直流系統產生的不平衡電流通過公共接地流入交流變壓器時，可能導致變壓器飽和，從而降低效率并造成波形畸變。在不平衡穩(wěn)態(tài)條件下，互干擾影響較小。但在不平衡故障場景中，互干擾可能成為嚴重問題。可通過調整接地電阻降低故障電流，或確保交流與直流接地系統隔離來緩解此問題。
4.6.5保護協調
在中壓直流電網中，大量負荷與可再生能源可能沿線路各節(jié)點互聯。當線路發(fā)生故障時，系統設計必須確保故障段可被隔離，同時維持其余
各分段仍能正常供電。為確保僅切斷最小必要分段，換流器、換流器保護斷路器、線路斷路器與負荷斷路器之間的協調至關重要，詳見圖4-8。
主要采用兩種保護協調方案：其一是采用傳統中壓直流換流器與超快斷路器；其二是采用具備直流故障重合閘能力的換流器配合隔離開關。此外，當中壓直流線路采用環(huán)形或網狀結構設計時，為實現預期可靠性，必須通過斷路器間的通信實現保護協調。
4.6.6電磁干擾管理
長距離MVDC輸電可能產生顯著電磁干擾，影響鄰近通信網絡及電子設備。因此，EMI防護措施與屏蔽設計對減輕此類影響至關重要。
4.7系統運行
MVDC電網運行需采用融合傳統交流與直流配電網絡的新模式。其運行常見要求包括：分布式能源的集成管理、故障檢測與恢復、電壓控制及能源優(yōu)化——同時確保電網可靠運行。
圖4-8 | 換流器與斷路器間的保護協調
表4-2對比了傳統交流配電系統與中壓直流系統的配置及運行策略。如前所述，交流配電網通常采用放射狀結構以提升可靠性，實現從集中式發(fā)電到終端用戶的單向電力傳輸。其主要由變壓器、開關等無源元件構成，運行重點在于電壓調節(jié)、故障保護及恢復。
與傳統交流系統不同，MVDC系統通過電力轉換設備運行，并根據交流/直流配電網狀態(tài)動態(tài)調整運行參數（如電壓或功率）。
MVDC系統支持雙向電力流動，需對交流與直流電網進行集成管理。高效分布式能源接入、直流轉換控制、雙向電力調節(jié)及電壓管理同樣至關重要。
傳統交流電網通過過電流保護和繼電保護協調應對故障，而中壓直流系統必須同時檢測交流段和直流段的故障并自動隔離故障。交流與直流系統之間的協調對恢復供電也至關重要。
由于中壓直流電網可能同時包含交流與直流運行模式，且需主動管理功率與電壓，其運行復雜度高于傳統交流網絡。如圖4-9所示，中壓直流電力系統的運行要求核心組件不僅作為互聯設備，更需在更廣泛的配電網中形成緊密協調的子網絡。
表4-2 | 交流與直流中壓電網運行特性對比
圖4-9 | 直流配電線路及其保護裝置與直流配電設備集成運行的概念
第5章 直流配電網推廣的障礙
盡管前文闡述了直流輸電技術的優(yōu)勢與機遇，但直流電網仍屬新興技術，全球應用案例相對有限。
要使直流電網數量顯著增長并獲得廣泛認可，需解決若干挑戰(zhàn)與問題，下文將對此進行探討。
5.1技術挑戰(zhàn)
5.1.1電化學腐蝕
腐蝕指金屬通過電化學反應與其環(huán)境導致導致削弱結構耐久性，長期功能性損失，以及安全可靠性下降。由于直流系統中電流流動具有單向連續(xù)性，其電化學腐蝕風險遠高于交流系統。例如，若1安培漏電流持續(xù)一年從鐵金屬流向大地，約有9千克原始金屬將因銹蝕而流失[47]。
腐蝕可能導致結構損傷、電氣系統故障（通過電氣連接器的劣化）、安全隱患及維護成本增加。腐蝕由以下因素引起：
?金屬活性：金屬因其自身活性及與周圍環(huán)境的相互作用而自然氧化。活性較高的金屬更易發(fā)生氧化（或腐蝕）。
?電化學腐蝕：當兩種不同金屬相互接觸并暴露于電解質（如水分）中時，會導致加速反應性較強的金屬腐蝕。
?直流極化腐蝕：直流電流通過金屬時會加速腐蝕速率。導致中壓直流輸電系統腐蝕風險的因素包括：
?接地設計不當或接地系統故障：可能導致直流配電系統內金屬表面產生感應電流。感應電流會在金屬結構間形成電位差，當存在電解質（如水分或含鹽物質）時，將顯著加速電化學腐蝕。
?絕緣不足：直流電力系統內部的電氣連接或設備若絕緣不充分，異種金屬直接接觸將引發(fā)電化學腐蝕，加速金屬劣化。
?環(huán)境條件：濕度、鹽分、溫度波動、化學物質暴露及其他環(huán)境因素是直流電力系統腐蝕的主要加速劑。尤其在海洋或高濕度環(huán)境中，腐蝕風險顯著升高。可通過多種方法預防或降低腐蝕風險：
?選用耐腐蝕金屬材料，如不銹鋼或鋁合金。
?通過選擇相容的金屬組合、異種金屬間的絕緣處理，以及犧牲陽極的應用。
?采用防護涂層如油漆、環(huán)氧樹脂或鍍鋅處理。
?采用施加陰極保護，向系統提供外部電流以抑制腐蝕。
?精心設計絕緣與接地方案以防止電腐蝕。
?通過物理設計控制環(huán)境條件，減少積水，并采用限制水或鹽分侵入的方法。
5.1.2電弧
電弧是一種高溫高壓等離子體，溫度約為6000-7000°C，可能導致人身傷害或電氣火災等危險情況。當斷路器、開關或耦合器等電氣設備在正常使用中導電條件下分離電氣觸點時，會產生電弧。
在交流電力系統中，電流零交叉點限制了斷流時電弧的持續(xù)時間。但在直流中壓電力系統中，故障情況下持續(xù)負載電流流動時，持續(xù)電弧放電極易轉化為持續(xù)等離子體，顯著增加火災或設備故障風險。
中壓直流電弧既可能出現在正常運行狀態(tài)（中斷負載電流或故障電流時），也可能因設備故障（導體間接觸不良或導線絕緣損壞）引發(fā)。由導體接觸不良導致的串聯電弧可在正常負載水平下發(fā)生，極難檢測，因而尤為危險。
降低中壓直流系統電弧風險的措施包括：
?采用合理設計以降低電弧形成風險：包括根據供電電壓和負載功率定義電弧危險等級和安全操作范圍。雙重絕緣可增強絕緣系統性能，降低電弧蔓延風險。
?維護檢修規(guī)程降低電弧形成概率：包括定期檢查、使用專用工具及規(guī)范斷開操作。
?實施檢測技術與標準：在高壓直流系統中早期識別電弧事故并防止其惡化。
?謹慎選擇和設計斷路器及開關設備（需考慮第4.1節(jié)所述的MVDC運行特性）。
?電弧分析：計算電力系統特定點位的預期電弧能量，并準備相應的防護設備和規(guī)程。
?安裝限制短路電流的裝置。
5.1.3電流與電壓檢測
電流和電壓 傳感器是是中壓直流電力系統中轉換器控制和故障檢測功能的關鍵組件。理想的電流傳感器應能快速準確地測量和追蹤故障電流。在中壓直流系統中，其工作原理可能與交流系統存在差異。電流檢測本身是技術挑戰(zhàn)，且中壓直流系統的故障電流不僅遠大于交流系統，其上升速度也更快。
在傳統中壓交流電力系統中，電流互感器（CT）主要用于正常及暫態(tài)工況下的電流測量。鑒于CT在高故障電流下的帶寬限制與飽和特性，其難以滿足中壓直流應用的電流檢測需求。可能的替代方案電流檢測，在MVDC應用中，可采用的電流檢測方案包括分流電阻器、霍爾效應傳感器和羅戈夫斯基線圈。
5.1.4交流故障穿越能力
電力系統運營商通常要求電力電子設備具備故障穿越能力，即在電網故障期間，轉換器必須保持與電網的連接，并在瞬態(tài)事件期間及之后嘗試維持電網電壓和穩(wěn)定性。
對于中壓直流系統，交流故障穿越能力的要求通常需要中壓直流變流器控制系統平衡變流器直流側與交流側的能量，使變流器充當能量緩沖器。實現此功能具有一定挑戰(zhàn)性。圖5-15-1展示了中壓直流變電站發(fā)生電網故障的示例，此時輸送至交流電網的有功功率突然下降。如下方所示，換流器交流側與直流側間將積累顯著的能量不平衡，導致換流器兩端電壓大幅升高，可能引發(fā)過電壓及跳閘。為實現故障穿越能力，必須避免跳閘，這使得中壓直流換流器設計復雜化，尤其在長距離輸電線路中更具挑戰(zhàn)性（因線路長度增加會導致線路電感增大）。
5.2系統經濟性
中壓直流系統的經濟性尚不明確。目前同等容量的中壓直流系統前期成本通常高于中壓交流系統。但中壓直流可能帶來其他間接經濟優(yōu)勢：因占地面積更小而降低社會抵觸、提升可持續(xù)性，以及長期降低成本并提升基于直流的增容發(fā)電與儲能設施的安裝效率。其他間接經濟效益則源于中壓直流基礎設施賦予電力系統運行的更高控制靈活性。
初期成本較高的主要原因在于中壓直流電力轉換器中的半導體元件價格。未來中壓直流技術的成本將高度依賴半導體器件的發(fā)展。隨著技術成熟，此類器件預計將逐步降價。
在電力系統中部署直流輸電技術面臨的一個更普遍的經濟問題是其技術尚不成熟且運行實踐不足。第4節(jié)詳述的許多技術和實踐仍處于相對不發(fā)達階段：行業(yè)對直流電力轉換器和斷路器的可用性及可靠性仍持謹慎態(tài)度。對于這些組件的維修成本和備件供應問題，同樣存在類似顧慮[48]。
附錄A包含了關于中壓直流與中壓交流部署經濟性某一方面的案例研究。
5.3標準
鑒于設備種類繁多且系統運行復雜，中壓直流電網的可靠經濟設計與運行將高度依賴標準化。當前中壓直流電網技術及運行實踐缺乏統一標準與指南，第七章正是針對這一關鍵問題展開論述。
當系統直流側發(fā)生故障時，同樣存在類似情況，系統設計必須確保該故障無法傳播至系統的交流側。
(a) 電網故障導致輸送至變換器交流側的有功功率驟降至零，電壓崩潰。
(b) 為恢復逆變器段直流側與交流側的平衡，變流器控制器提升直流電壓以降低直流電流至零。
(c) 直流電流的變化率取決于逆變站直流電壓與直流線路電感之間的差異。
(d) 在故障發(fā)生至電流降至零期間，直流與交流系統間的能量不平衡持續(xù)累積，導致電壓升高施加于變流器兩端。
(e) 逆變器控制器需要考慮逆變器兩端可能出現的過電壓，并嘗試防止其發(fā)生，以確保故障穿越能力。
圖5-1 | 母線直流變流器中的交流故障穿越過程
Pac：變流器向電網輸送的功率。當連接點（PoC）發(fā)生故障時，由于電壓降為零，功率隨之降為零
Udc：母線電壓。故障期間直流電流被控制為零，因此受直流母線電感影響，變流器側母線電壓上升
Idc：流經直流母線的直流電流
Pdc：通過直流母線傳輸的有功功率
Usm：變流器子模塊間電壓
第6章 全球中壓直流項目
在中壓直流技術應用于電力系統領域仍屬相對新興的概念。本節(jié)概述了已投入運行或正在開發(fā)中的各類項目。
迄今為止，中壓直流技術在實際硬件部署中的應用可歸納如下：
6.1光伏太陽能電站
中壓直流技術正被用于提升大型光伏電站的效率并降低其成本。
在多數大型太陽能電站中，光伏組串開路直流電壓為1.5千伏，這標志著低壓領域的上限。采用中壓直流配電技術可大幅節(jié)省無源元件和電纜的材料消耗。
大型光伏電站采用中壓直流技術的兩種方案：
?通過串聯更多光伏組件提升直流串電壓，
或
?采用直流升壓轉換器提升電壓。
DC POWER項目[37]是正在開發(fā)的3千伏光伏電站范例。該項目第一階段采用增強絕緣的特殊光伏組件串聯，構建3千伏串聯系統，當電站處于低溫環(huán)境（-20℃）時可實現3千伏最大電壓。第二階段增設中壓直流-中壓交流逆變器，將系統接入20千伏交流電網。該項目采用鐵路行業(yè)商用直流接觸器、隔離開關、連接器及電纜。
該項目采用鐵路行業(yè)商用中壓直流接觸器、隔離開關、連接器及電纜。
文獻[49]展示了采用低壓串聯系統配合直流升壓轉換器將系統電壓提升至中壓水平、向鄰近變電站輸電的光伏電站案例。該項目采用傳統1.5千伏直流光伏串聯系統，通過直流升壓轉換器將電壓提升至20千伏直流。
6.1.1案例研究：法國OPHELIA項目
OPHELIA項目是一項開創(chuàng)性計劃，旨在驗證采用中壓直流集電網絡的線性光伏電站可行性[50]。該項目位于法國，主要技術目標是評估中壓直流技術在傳輸線性（長而相對狹窄）光伏電站電力時的可擴展性與有效性。該項目由五家合作伙伴共同開發(fā)：法國羅訥河公司（CNR）、耐克森電氣、施耐德電氣、法國國家鐵路公司（SNCF）及超電網研究所。
OPHELIA項目聚焦線性光伏部署，源于太陽能光伏安裝所需的土地面積限制：光伏發(fā)電需占用大面積土地（負荷中心附近約每兆瓦峰值1公頃），而這類土地資源極為有限。長條形光伏電站為土地稀缺問題提供了解決方案，其能最大化利用已規(guī)劃作他用的狹長地塊及現有結構（堤壩、鐵路沿線空間、道路、自行車道等），從而保留自然空間原貌。相關地塊在維持原有功能的同時，電力生產成為附加活動。據估算，法國此類線性光伏部署的潛力達35吉瓦[51]。此類電站寬度可能僅數米，但長度可達數公里，峰值功率可達數十兆瓦（約1兆瓦峰值/公里）。光伏電站與可用交流電網變電站之間的距離可能達數十公里。
6.1.1.1OPHELIA架構
OPHELIA項目的試點階段包含一座長900米、裝機容量約1兆瓦峰值的太陽能發(fā)電廠。后續(xù)階段計劃建設長度約20公里、發(fā)電量達20兆瓦的發(fā)電廠。電氣架構以一個直流-交流轉換站為核心，輔以多個直流-直流轉換站，如圖6-1所示。試點項目包含三座直流-直流轉換站，通過±5千伏直流的放射狀中壓直流網絡互聯。未來擴建目標電壓將提升至±10千伏或更高。
6.1.1.2控制
OPHELIA微型直流電網電壓由直流-交流轉換器控制，該轉換器同時調節(jié)與交流電網連接點的無功功率。直流-直流轉換器確保光伏串聯陣列的最大功率點跟蹤，并可根據電網運營商要求限制有功功率。中央控制器負責啟動/停止序列及轉換器設定值管理，所有節(jié)點配置的隔離開關則支持電網快速重構。
6.1.1.3保護
OPHELIA針對多端徑向MVDC電網及雙向DC-AC轉換器的保護圖片
圖6-1 | OPHELIA項目電氣架構。黑色區(qū)域為試點項目，藍色區(qū)域為未來擴展目標架構
當發(fā)生極間故障時，整個中壓直流電網的回路電流[52]。這種高短路電流源于換流器和電纜的電容放電以及交流電網短路的貢獻。
保護方案包含交流與直流斷路器及直流熔斷器。直流-交流換流站由交流斷路器保護；每條中壓直流饋線配備直流斷路器，每臺直流-直流換流器則采用直流熔斷器保護。為檢測采用高阻抗接地系統的直流電網中的極間接地故障，保護系統還需配備絕緣監(jiān)測裝置。
6.1.1.4實施情況
1兆瓦OPHELIA項目驗證臺架采用以下配置：
?直流-交流轉換站：由單向多電平800kVA變流器組成
?3套直流-直流變流站，配備兩級250千瓦直流固態(tài)變壓器，效率達98.5%。
?基于現有交流設備（采用無六氟化硫氣體絕緣技術）的開關裝置，用于隔離開關和接地開關功能，并配備新型開發(fā)的含被動元件的機電式斷路器。
?通過低功耗電壓和電流傳感器進行計量，具備高頻帶寬（高達30千赫）。
?基于低功耗電壓互感器輸出的電壓檢測與指示系統。
?定制10千伏直流電纜，安裝于地下防水外殼內。
?中壓直流電網控制器。
OPHELIA項目計劃于2025年中期投入運行。
6.2電動汽車充電
用于電動汽車快速充電的先進大功率充電器（功率范圍500千瓦）通常采用低壓交流供電，輸入電壓可達600伏。如第3.4節(jié)所述，為滿足中重型商用車輛或多充電位充電園區(qū)的需求，提升供電功率需構建中壓級別的更高電壓配電基礎設施。
在[53]文獻中，針對擁有40個充電站、總功率需求達9.6兆瓦的大型電動汽車充電園區(qū)，采用中壓直流（MVDC）配電方案具有顯著優(yōu)勢。
總功率需求為9.6兆瓦的案例分析詳見[53]。在40千伏直流（±20千伏）系統中，中壓直流方案的功率損耗僅為同等22.9千伏交流系統的六分之一。
6.2.1案例研究：面向新一代城市交通的社區(qū)級直流充電基礎設施
城市交通的快速電氣化為配電系統帶來新挑戰(zhàn)，尤其在人口稠密的城市社區(qū)。本案例研究探討中壓直流（MVDC）基礎設施 如何優(yōu)化充電解決方案，以滿足日益增長的電動移動設備和服務機器人生態(tài)系統需求。
城市交通正經歷前所未有的變革。根據國際能源署（IEA）《全球電動汽車展望》[54]，交通電氣化已超越傳統電動汽車范疇，涵蓋多樣化的電動出行解決方案。根據IEC 63281-1標準定義，這些新一代城市出行解決方案包括：電動自行車、電動摩托車、貨物配送用電動運輸車、個人電動代步工具（如自平衡車和電動滑板車），以及自動服務機器人。所有這些設備通常采用24伏至96伏直流電源供電，可能占城市能源消耗的相當大比例，且充電需求集中在特定時間段。
以典型現代千戶社區(qū)為例，保守估計顯示：高峰時段需同時支持約200-300臺電動交通工具（含個人電動代步車、電動自行車及電動摩托車）、20-30臺社區(qū)物流貨運電動運輸車以及20-30臺服務機器人的充電需求。傳統交流配電網絡在滿足這些需求時面臨顯著效率損失，因為每臺車載充電器通常需要進行交流-直流轉換，而大量車輛的轉換過程將造成巨大損耗[55]。
在社區(qū)層面實施中壓直流電網，為解決交流充電方案的低效問題提供了有力方案。通過建立±10千伏直流專用的中低壓直流骨干網，可更高效地向社區(qū)內戰(zhàn)略性部署的充電樞紐輸送電力。這些樞紐將采用直流-直流轉換技術為各類車輛提供適配電壓，省去交流系統固有的多級轉換環(huán)節(jié)，從而提升端到端效率[56]。
社區(qū)級電動汽車充電采用直流方案的優(yōu)勢不僅限于效率提升。中壓直流基礎設施通過直接數字控制實現先進負載管理，可根據實時需求模式優(yōu)化電力分配[56]。此功能在充電高峰期尤為關鍵——通常是居民返家需為個人電動交通工具充電的傍晚時段，以及貨運電動交通工具完成每日配送路線的時段。中壓直流系統能智能分配各充電點的電力，在維持穩(wěn)定電壓的同時避免電網過載。
中壓直流（MVDC）架構還為本地可再生能源和儲能系統提供了天然的集成點。社區(qū)建筑上的太陽能裝置可直接向MVDC電網供電，而電池儲能系統在省去額外電力轉換環(huán)節(jié)后將更高效運行。這種集成支持電網韌性與可再生能源普及的宏觀目標，契合國際能源署[54]指出的全球電氣化趨勢。
試點項目——如蘇州吳江直流中壓示范工程[56]——通過連接大規(guī)模分布式能源（6.21兆瓦光伏、2兆瓦時儲能）與多樣化負荷（10.51兆瓦直流負荷），展現了直流中壓技術提升社區(qū)能源系統的潛力。
該應用場景實現了中壓直流電網的"最后一公里"部署，有效銜接高壓配電網絡與終端用戶設備。隨著城市社區(qū)加速采用電動出行解決方案，此類充電基礎設施專用中壓直流電網有望成為現代城市建設的標準配置，在提升能源效率與用戶便利性的同時，推動全電氣化社會的轉型進程。
6.3 船舶電力推進系統
柴油電動推進系統（通過柴油發(fā)電機驅動電動機）曾是20世紀船舶推進的主流技術。近年來，集成動力系統（IPS）正被廣泛應用，其通過發(fā)電機與電池儲能系統為推進系統及全船供電，為全電動船舶的研發(fā)開辟了道路。這種集成動力推進方案能提升靈活性與效率，并可縮小各類船舶的主機尺寸[57]。
傳統IPS系統采用交流技術實現，電壓范圍從客運渡輪等小型船舶的690伏，到發(fā)電機容量超過20兆瓦的船舶（如集裝箱船或大型軍艦）的11千伏。基于交流技術的IPS方案存在缺陷：需配備笨重的變壓器，電池儲能系統集成復雜，且存在顯著的電能質量問題。
為解決采用交流電力系統建造IPS船舶存在的問題，船舶工業(yè)自2018年起開始采用低壓直流配電系統，現正向中壓直流IPS電力系統轉型。中壓直流方案同樣適用于滿足海軍艦艇對電磁武器、雷達等高功率脈沖負載日益增長的需求。
德國MVDC4S項目[58]是包含原型部件開發(fā)及可運行中壓直流微電網的重大工程范例，其中還包含與中壓交流替代方案的對比分析。圖6-2展示了應用于船舶領域的中壓直流微電網實例。
圖6-2 | 船舶應用中的MVDC微電網示例
6.4鐵路系統
當前全球最主流的軌道交通牽引供電系統包括750V、1.5kV和3kV直流系統，以及15kV或25kV交流系統。3-25kV直流范圍內的MVDC正逐漸成為替代方案。
該系統適用于長距離、大容量鐵路。其優(yōu)勢包括：簡化車輛設計、降低投資成本、提升可靠性與模塊化程度，并能更便捷地與交流電網集成[59]。MVDC鐵路供電系統還能直接接入太陽能發(fā)電和電池儲能系統等分布式可再生能源。此外，多余電力可售予電網或電動汽車充電站等終端用戶，為鐵路網絡運營商開辟全新商業(yè)機遇。
中壓直流鐵路供電系統相較于中壓交流系統的優(yōu)劣勢詳見[59]。
第6節(jié)其余部分概述了全球現有的中壓直流電力系統項目。
6.5 歐洲
歐洲的中壓直流項目涵蓋商業(yè)部署與研究試驗，具體案例包括：
?英國采用直流系統替代交流電網段的實踐。詳見下文案例研究：Flexible Power Link項目通過轉向直流供電以優(yōu)化電網運行。另一項目為Angle-DC項目[60]，于2016-2020年實施，通過利用現有交流系統的架空線與地下電纜，用中壓直流線路替換了33千伏交流3公里線路。
?法國OPHELIA項目采用±5千伏中壓直流電網連接分布式光伏電站，具體詳見上述案例研究。
?德國亞琛工業(yè)大學柔性電網（FEN）研究園區(qū)的工作始于概念框架研究概念框架研究，現已成為涵蓋中壓直流變流器設計、電網控制及網絡物理安全問題的重要技術驗證平臺。
?蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學電力網絡示范中心（PNDC）研究計劃；涵蓋中壓直流斷路器、故障檢測系統及動態(tài)電力路由研究[61]。
?弗勞恩霍夫集成系統與器件技術研究所開展的中壓直流變流器研究，涵蓋從電力系統到船舶系統的應用領域[62]。
6.5.1案例研究：英國靈活電力連接項目
英國西南部西部電力分配公司實施的柔性電力連接（FPL）項目，是旨在提升電網靈活性、功率流控制及分布式發(fā)電并網能力的先進中壓直流技術應用。
該項目隸屬于西電公司"電網均衡計劃"，旨在提升33千伏配電系統的電壓穩(wěn)定性并優(yōu)化功率流。與傳統交流增強方案不同，FPL通過并聯式直流換流站建立兩套原獨立交流電網間的動態(tài)功率調節(jié)通道，實現主動管理。背靠背電壓源換流器作為兩交流電網間的可控接口，在不同電網工況下調節(jié)功率交換并確保系統穩(wěn)定性。
系統配置如下：
?位置：英國德文郡，位于湯頓與巴恩斯特普爾大供電點之間。
?標稱交流電壓：每端33千伏。
?直流母線電壓：±27千伏（MVDC）。
?額定功率傳輸：20兆瓦（雙向傳輸能力）。
?換流器類型：背靠背電壓源換流器。
?控制功能：有功功率傳輸、無功功率補償及電壓穩(wěn)定。
?短路貢獻：與傳統交流增容方案不同，不增加額外故障等級。
圖6-3展示了FPL如何集成于英格蘭西南部Western Power Distribution的33千伏電網。該設備安裝于南莫爾頓與埃克布里奇33/11千伏變電站間的常開點（NOP）。南莫爾頓隸屬巴恩斯特普爾33千伏電網，該區(qū)域分布式發(fā)電（尤其是風能與太陽能光伏）滲透率極高。相較之下，埃克布里奇連接的湯頓33kV電網則以需求驅動為主。通過連接這兩個區(qū)域，FPL實現了從發(fā)電資源豐富的巴恩斯特普爾地區(qū)向湯頓供電的可控輸出。該配置有助于緩解132/33kV主變電站的負荷壓力，并增強延伸徑向線路的電壓支撐能力。該圖清晰展示了FPL如何在特性迥異的電網間建立靈活可控的連接，實現電力流優(yōu)化與系統穩(wěn)定性保障。
圖6-3 | 柔性電力連接系統集成單線圖
6.5.1.1FPL的母線直流控制與保護策略
FPL的MVDC控制系統通過主動管理功率流來維持系統穩(wěn)定性并最大化網絡利用率。動態(tài)功率傳輸控制實現了雙向能量交換，可在兩個電網區(qū)域間進行實時平衡調節(jié)。通過鏈路兩端的獨立調節(jié)實現電壓穩(wěn)定，顯著改善了局部電網狀況。此外，無功功率管理通過降低電壓波動確保平穩(wěn)運行——這是大規(guī)模并網分布式發(fā)電的關鍵因素。
圖片該系統采用快速動作直流斷路器實現直流過流保護，可隔離故障并最大限度減少網絡停機時間。持續(xù)絕緣監(jiān)測系統能早期發(fā)現絕緣劣化現象，從而預防重大故障。金屬氧化物避雷器（MOSA）提供瞬態(tài)過電壓保護，有效抵御開關瞬變和雷擊影響。模塊化換流器設計支持選擇性隔離故障段，在保障系統整體運行穩(wěn)定性的同時顯著提升容錯能力。
6.5.1.2FPL的運行效益與經濟影響
FPL系統的實施通過減少對變電站、變壓器等昂貴交流電網強化的需求，有效推遲了基礎設施投資。中壓直流鏈路的雙向特性增強了電網韌性，可在停電時實現動態(tài)電力路由切換。該功能確保了更可靠的電力供應，降低了大面積停電和系統故障風險。
該系統的另一優(yōu)勢在于提升可再生能源承載能力。通過高效平衡跨網絡分布式發(fā)電，FPL確保風電場與太陽能電站的電力實現最優(yōu)利用。中壓直流輸電還降低了整體能量損耗，從而節(jié)約運營成本。項目成果表明，基于中壓直流的解決方案既能經濟高效地應對電力約束，又能使配電網具備應對未來需求增長的適應性。
試運行階段取得成功后，英國西部電力分配公司正計劃在英國配電網受限區(qū)域更廣泛地部署中壓直流線路。從FPL項目中汲取的經驗將為未來電網現代化計劃提供寶貴參考，并強化中壓直流技術在向脫碳電力系統轉型中的關鍵作用。更多詳情請參閱[63]。
6.6韓國
韓國開展了若干值得關注的MVDC研究、測試及示范項目，例如：
?韓國電力公社（KEPCO）——該國唯一電力供應商——于2017年啟動的MVDC研究工作。KEPCO將MVDC技術視為未來配電網的核心要素，因此啟動了可行性評估項目。KEPCO的初步分析表明，MVDC僅在極少數情況下具有經濟可行性。但近期對該結論進行了重新評估，相關結果詳見附件A。在其他早期研究中，KEPCO通過實驗確定了現有中壓交流電纜和導體的最大適用直流電壓，證實35千伏直流可應用于22.9千伏交流電纜。
?韓國政府將MVDC技術視為未來配電網絡的關鍵組成部分，已投入1.41億美元用于中壓直流相關研發(fā)。該項目正式命名為"交流/直流混合配電網絡技術開發(fā)"，旨在研發(fā)中壓直流技術并實現其與現有中壓交流配電系統的混合運行模式。該項目匯聚了多元參與方，包括韓國電力公社（KEPCO）、政府資助的韓國電工技術研究院（KERI）、曉星重工、LS電氣、現代重工電氣等主要電力設備企業(yè)，以及首爾國立大學、漢陽大學等學術機構。
?韓國電力公司目前正完成交流/直流混合配電系統的開發(fā)，計劃于2025年底前在固長試驗場啟動測試。另計劃于2027年前開展示范測試，將±20千伏中壓直流系統接入現有22.9千伏中壓交流配電線路，評估可再生能源的并網集成效果。
?昌原韓國能源研究院正通過產業(yè)通商資源部"建立基于超高壓直流輸電設備的國際測試認證基礎設施"項目，構建國際認證測試體系。該基礎設施可通過調節(jié)直流測試電壓，用于關鍵中壓直流測試。
韓國還主持多項中壓直流技術研發(fā)項目，包括：
?開發(fā)2兆瓦級模塊化換流站及多端換流站，實現中壓直流與低壓直流互聯。該技術旨在確保電壓與容量的可擴展性，使整個系統可采用相同模塊配置。系統驗證計劃于2025年下半年啟動。相關問題如目前正在探索換流站的控制與保護協調方案。同時推進高密度電壓和頻率變壓器的研發(fā)，以及換流站上層通信所需的網關與網絡安全技術。
?正在開發(fā)基于±20kV、20MW多電平整流器（MMC）的換流站，并配套關鍵設備的測量、監(jiān)測與診斷技術，該技術將應用于此試驗平臺項目。
其他工作包括研究混合交流與中壓直流配電網的設計與分析技術，涵蓋網絡重構、電壓控制、功率流計算及保護協調等領域。圖6-4展示了韓國當前在中壓直流技術應用方面的研究概況。
圖 6-4 | 韓國政府資助的 MVDC 項目概述
6.7中國
中國突出的中壓直流項目當屬位于江蘇東部蘇州市的吳江項目[64]。該項目包含柔性直流換流站、分布式光伏、儲能系統、電動汽車充電站以及工業(yè)、商業(yè)和居民直流負荷。該項目采用三種直流電壓等級：±10千伏、±375伏及48伏。兩臺10兆瓦交流/直流變流器將10千伏交流電轉換為±10千伏直流電，其中一臺采用半橋子模塊（HBSM）拓撲結構，另一臺則采用混合模塊化多電平變流器（HMMC）拓撲結構。±10千伏直流網絡采用雙端環(huán)網結構。
中國另一項關鍵工程是珠海大直流項目，詳見下文案例研究。
6.7.1案例研究：中國珠海中壓直流配電網
珠海中壓直流配電網是中國首個中壓直流配電系統示范項目。該±10千伏電網連接塘家變電站（20兆瓦）、吉山一變電站（10兆瓦）和吉山二變電站（10兆瓦），整合了新能源發(fā)電、儲能系統、電動汽車充電設備以及交流/直流負荷，從而提升供電可靠性與質量。
該項目采用模塊化多電平變流器、三級分層控制系統及混合式直流斷路器提升系統性能。在塘家變電站的優(yōu)化控制下，仿真結果顯示網絡損耗降低且電壓質量提升。該系統支持靈活接入新能源發(fā)電、儲能設備、電動汽車充電設施以及交流/直流負荷，為未來中壓直流配電網的設計與實施提供了寶貴示范。
珠海中壓直流配電網的核心設施包括：塘家變電站與吉山二變電站的半橋式磁控晶閘管（MMC）變流器，以及吉山一變電站的集成柵極換流晶閘管（IGCT）式交接式磁控晶閘管（ICC-MMC）變流器。這些換流器支持雙向功率傳輸，并在直流故障期間實現故障阻斷和系統恢復，確保故障條件下的穩(wěn)定運行。
如圖6-5所示，該系統采用±10kV偽雙極配置運行，連接塘家（20MW）、吉山二（10MW）和吉山一（10MW）變電站。三端網絡采用電壓源換流器將10kV交流母線與±10kV直流母線連接。唐家變電站采用直流電壓控制模式運行，吉山I、II變電站采用功率控制模式運行。系統還配備模塊化直流變壓器，為±375V和±110V低壓直流微電網提供電壓轉換功能。
圖6-5 | 珠海直流配電網拓撲結構
6.8美國
美國中壓直流輸電項目的主要案例包括：
?36兆瓦鷹帕斯直流項目于2000年投運，連接得克薩斯州與墨西哥的輸電網[65]。
?2014年投運的200兆瓦麥基諾項目，作為密歇根州的電力流控制器[66]。
?能源部BREAKERS計劃（詳見下文案例研究）。
美國本土MVDC電網研發(fā)項目清單詳見[67]。
6.8.1 案例研究：美國能源部BREAKERS計劃
美國能源部通過先進項目研究局能源計劃（ARPA-e）下的BREAKERS項目，資助新型中壓直流斷路器技術研發(fā)[68]。BREAKERS是"構建可靠電子設備以安全實現千伏額定值"的縮寫。該計劃于2018年啟動，首輪資助項目已取得顯著進展。
BREAKERS計劃的目標是開發(fā)出滿足表6-1所示性能目標的新型斷路器。這些目標是在ARPA-e對潛在中壓直流斷路器用戶進行廣泛調研后制定的，旨在識別關鍵技術缺口。
表6-1 | ARPA-e BREAKERS計劃斷路器性能目標
BREAKERS計劃資助的具體項目包括：
?EDISON：帶浪涌保護的高效直流斷路器（佐治亞理工學院）
?ARC-SAFE：直流電力系統用加速響應半導體接觸器及浪涌衰減裝置（桑迪亞國家實驗室）
?超高效智能中壓直流混合斷路器（伊頓公司）
?面向未來直流電網的T型模塊化直流斷路器（俄亥俄州立大學）
?超快諧振直流斷路器（馬凱特大學）
?網狀中壓直流電網用串聯氣體放電管斷路器（通用電氣全球研發(fā)中心）
?基于無線耦合的微型直流系統諧振固態(tài)斷路器（德雷克塞爾大學）
第7章中壓直流電網標準化
鑒于本文所述的挑戰(zhàn)與技術變革，標準將在中壓直流電網的推廣與運行中發(fā)揮關鍵作用。若標準未能跟上電力系統發(fā)生的巨大變革，將危及系統性能與可靠性。
總體而言，中壓直流電力行業(yè)亟需統一的故障檢測與隔離標準、絕緣規(guī)范以及保護協調相關的通信協議。同時需要制定基礎性標準，明確術語體系，并解決電壓等級等中壓直流電力系統及技術相關的重要問題。解決這些問題既需要更新現有標準，也需要制定新的中壓直流專用標準。
7.1現有標準
盡管鮮有標準明確針對中壓直流電網問題，但許多現有標準及標準化工作仍與電力系統中應用中壓直流技術相關。
IEC當前關于MVDC的工作主要集中在電壓和絕緣等級方面。
直流電壓等級
?針對高壓直流（HVDC）和中壓直流（MVDC）電壓等級，基于CIGRE TB684報告，IEC TC 115發(fā)布了IEC TS 63471:2023技術報告。
?針對低壓直流電壓等級，IEC TC 8發(fā)布了IEC TR 63282:2024。
?IEC TC 8還計劃在新版IEC 60038標準中建立一項橫向標準（IS），專門處理直流電壓等級問題。
直流絕緣等級
?IEC TC 99 JWG 13（與IEC TC 115的聯合工作組）正在制定IEC 60071系列中關于高壓直流絕緣配合的技術規(guī)范（TS）。
與此同時，2023年IEC輸配電咨詢委員會（ACTAD）啟動了直流應用相關指南的制定工作，即IEC指南111-2《高壓變電站電氣設備——產品與系統標準通用建議——第2部分：直流（DC）》。
其他負責現有中壓直流電網運行或技術相關標準的IEC委員會如下所列，具體標準詳情見附錄B。粗體項目標注的委員會或標準化工作正重點處理與直流電網或技術密切相關的問題。
?TC 8 電力供應系統方面，包括術語、關鍵定義及電力系統特性
?SC 8A 可再生能源發(fā)電的電網并網
?SC 8B 分布式電力系統
?TC 17 1.5kV及以上直流開關設備與控制裝置
?SC 17A 開關設備
?SC 17C成套設備
?TC 20 電力與控制電纜的設計、測試及最終建議
?TC 22 電子功率轉換和電子功率開關系統、設備及其組件
?SC 22E 穩(wěn)壓電源
?SC 22F 輸配電系統用電力電子設備
?SC 22H 不間斷電源系統（UPS）
?SC 23B 插頭、插座和開關
?SC 23E 家用斷路器及類似設備
?SC 23H 插頭、插座和連接器，適用于工業(yè)及類似應用，以及電動車輛
?TC 32熔斷器
?SC 32B熔斷器，適用于不超過1.5千伏直流
?TC 36 絕緣子
?SC 36A絕緣套管
?TC 37 浪涌保護裝置
?SC 37A 低壓浪涌保護裝置
?TC 38 儀器變壓器
?TC 57 電力系統信息交換
?TC 64 防觸電保護
?TC 73 短路電流
?TC 81 避雷保護
?TC 94 機電式和固態(tài)繼電器
?TC 95 測量繼電器、保護設備及保護功能
?TC 99 高壓電力裝置的絕緣配合與系統工程
?TC 115 直流輸電技術標準化
?SC 121A 低壓開關設備和控制裝置
?SC 121B 低壓開關設備和控制裝置組件
?PC 127 發(fā)電廠和變電站的低壓輔助電源系統
?SyC LVDC 低壓直流供電系統及電力接入用低壓直流技術
表7-1探討了如何將現有的IEC中壓交流標準擴展至中壓直流電網運行及技術問題。可見，中壓交流標準雖可協助解決布局與接口問題，但不適用于中壓直流保護、接地、開關及動態(tài)直流拓撲結構。
表7-1 | IEC中壓交流標準向中壓直流的擴展性
表7-2探討了如何將現有的IEC高壓直流標準擴展至中壓直流電網運行及技術問題。可見，高壓直流標準可支持中壓直流組件（如換流器、絕緣材料和電纜）的設計、開發(fā)與集成，但尚未解決中壓直流系統運行的獨特方面，特別是拓撲結構、保護措施以及與交流電網和分布式能源資源的集成問題。
表7-2 | IEC高壓直流標準向中壓直流的可擴展性
除IEC外，其他與中壓直流電力系統相關的標準化工作包括：
?IEEE P2974《中低壓（750伏至±50千伏）直流配電網系統調試指南》
?IEEE P2892《中壓（1.5千伏至35千伏）直流變壓器推薦實踐指南》
?IEEE P2984《直流配電網中直流網絡拓撲保護應用指南》
?IEEE PC37.01，3200伏直流以上高壓直流斷路器標準
?IEEE 400.5-2021，額定5千伏及以上直流屏蔽電力電纜系統高直流測試電壓現場試驗指南
?IEEE PC37.30.7，額定電壓超過1000伏直流的高壓空氣開關標準要求
?中國國家標準 GB/T 38328-2019，電壓源換流器高壓直流輸電系統用高壓直流斷路器通用技術條件
?中國國家標準 NB/T 42107-2017，高壓直流斷路器
7.2所需新標準
雖然許多現有標準可擴展至涵蓋中壓直流電網運行與技術，但在某些領域其覆蓋范圍尚不足以應對中壓直流的獨特特性。具體而言，以下領域需要完善：
?系統架構與規(guī)劃：HVDC通常采用點對點或簡單多端結構。MVDC需針對更復雜的多樣化拓撲（放射狀、環(huán)形、網狀、混合型、密集分支型）提供指導，這些拓撲結構遠超HVDC常規(guī)考慮范圍
?保護協調與故障管理：高壓直流采用統一級別的區(qū)域性跳閘機制。中壓直流則需要選擇性、多級別的局部故障隔離，以確保電網其余部分正常運行
?接地方式：HVDC通常采用固態(tài)接地或直接接地。MVDC需根據安全要求、網絡拓撲及應用場景采用多種接地方案
?多端運行：HVDC不支持中壓直流系統所需的頻繁重構或動態(tài)負荷服務
?與交流系統交互：HVDC未設計用于頻繁分散式交互。MVDC必須與交流饋線、分布式能源及微電網實現雙向互聯
鑒于諸多懸而未決的問題，需制定一系列新標準以推動中壓直流技術在電網中的廣泛應用。
下文列出了需要開展新標準化工作的廣泛領域建議。
7.2.1術語與通用要求：需制定標準以界定中壓直流術語及系統通用要求。
7.2.1.1系統與運行
鑒于MVDC作為電網運行中的新興技術，需全面探討以下議題：
?電網工程流程
?設計流程
?系統功能要求與測試
?運行性能評估
?黑啟動與重合閘程序及測試
?數據交換模型
7.2.1.2接地與保護
?故障電流耦合及直流輸電系統運行中的保護
?直流電網接地設計與保護協調
?接地故障監(jiān)測
?保護繼電器的設計、運行與測試
7.2.1.3安全
?中壓直流換流站網絡安全
7.2.1.4變流器
?變流器站控制和保護要求
?電力轉換器運行標準與維護程序
?電網變流器設計與系統支持功能
?變流器測試方法
?大功率中壓直流電動汽車充電樁設計與保護
?電力變流器電磁兼容性問題
?電力變流器通用信息模型（CIM）
7.2.1.5斷路器
?中壓直流斷路器設計與測試
?斷路器額定值，包括短路斷流能力、合閘電流、斷路時耗散能量等
?中壓直流斷路器運行與維護規(guī)程
7.2.1.6開關設備
?直流母線開關設備及控制器技術規(guī)范
?直流母線過電壓保護裝置的設計與測試
7.2.1.7電纜
?直流母線電纜設計與測試
?直流母線電纜運行與維護規(guī)程
如上所述，要全面支持中壓直流電網的廣泛部署，可能需要制定一系列廣泛的標準和指南。鑒于中壓直流技術和設備運行具有獨特性，且與交流電網運行存在重要差異，因此需要制定大量新標準。為此，可建議立即關注并近期重點推進若干領域，本節(jié)后續(xù)部分將對此進行概述。
7.3電壓定義
在更新現有標準與制定新標準的過程中，如何定義中壓直流電力系統及技術的運行電壓成為首要難題。目前尚未形成公認的直流電壓范圍定義體系。如表7-3所示，不同組織和行業(yè)對電壓的定義存在差異。
中壓直流電壓的定義可能需要根據具體應用場景和/或安全要求進行調整。例如，船舶應用中的MVDC電壓范圍可能與電網應用中的MVDC電壓范圍不同。
系統對稱性或接地設計問題進一步復雜化了中壓直流電壓的定義。除IEC標準[73]外，表7-3所列電壓均為直流母線正極(+)與負極(–)間的系統電壓。但某些直流系統中，全系統電壓發(fā)生于單極性與接地之間，而其他（對稱）系統則將接地電位設在相間電壓的中點。這可能導致部分設備僅額定承受線間-接地電壓而非全系統電壓。以下兩個實例可說明此問題：
?采用直流供電的鐵路系統，其系統電壓為3千伏，且單極接地于軌道時，額定電壓為3.3千伏。所有設備均須按此數值進行額定設計。
?某10千伏系統電壓的MVDC電網配電系統采用對稱設計，包含兩條±5千伏支路。由此系統額定電壓為12千伏，但每條支路中的部分設備僅需滿足5千伏額定值。這種情況類似于當今HVDC系統中，部分換流站設備額定值低于整個系統的情況。
7.4設備額定值
由于與交流設備存在顯著差異，需謹慎定義中壓直流電網設備的額定值。例如，在確定中壓直流換流器的額定電流時，其額定短路電流的峰值與持續(xù)時間會因換流器拓撲結構產生顯著差異。這要求與中壓直流換流器關聯的開關設備必須應對廣泛的短路電流持續(xù)時間和峰值范圍。
表7-3 | 直流電壓范圍定義提案與現有標準綜述
最終，微伏直流（MVDC）組件的設備額定值可能需要涵蓋比交流組件多得多的特性。僅就短路額定值而言，可能的參數包括：
?額定短時耐受電流（Ik）
?額定峰值耐受電流（Ipd）
?額定短路電流峰值持續(xù)時間（tpd）
?額定短路電流持續(xù)時間（tkd）
?額定焦耳積分值（Ej）
?開關裝置在閉合狀態(tài)下承受短路波形所能承受的能量
7.5 絕緣等級
如本文所述，由于直流的恒定特性及腐蝕風險等問題，直流元件的絕緣要求與交流元件存在顯著差異。
目前對中壓直流設備規(guī)定的絕緣等級存在顯著差異。例如，就額定直流耐受電壓而言，IEEE 1709 標準[69]對船舶中壓直流應用規(guī)定的絕緣等級，在相同額定電壓下平均約比IEC 62271-5中規(guī)定的陸上MVDC應用高出1.6倍。同樣地，在額定雷電沖擊耐受電壓方面，船舶應用的IEEE標準1709規(guī)定的海上直流輸電絕緣等級，在相同額定電壓下平均比IEC 62271-5標準中的陸上直流輸電等級高出約1.2倍。上述絕緣規(guī)范差異可能源于海洋應用中更為嚴苛的環(huán)境條件，例如海風中的鹽分存在，這要求采用更高絕緣等級以確保安全可靠性。這種特殊性使得制定規(guī)定具體絕緣等級的MVDC標準變得復雜。
隨著更多關于不同運行環(huán)境下MVDC設備運行數據的積累，建立全面的MVDC絕緣等級分類體系和標準至關重要，以滿足MVDC各類應用的多樣化需求。
7.6固態(tài)變壓器
固態(tài)變壓器是電力系統中全新類別的設備。雖然其核心功能是作為變流器，但其服務范圍更為廣泛，包括能在交流和直流電力系統中運行。
目前尚無現行標準直接涵蓋固態(tài)變壓器的設計、測試、運行或互操作性。近期研究[75]基于現有標準衍生出系列合格性測試方案，以滿足大規(guī)模太陽能光伏應用中MVDC固態(tài)變壓器的需求。相關技術標準包括：
?IEC 60076-3《高壓變壓器介電試驗》
?IEC 62109-1《光伏應用逆變器安全規(guī)范》
?IEC 62501，高壓直流閥門電氣試驗
?IEC TS 62271-5《高壓開關設備和控制裝置 第5部分：直流開關設備和控制裝置通用規(guī)范》
本項工作僅聚焦于大型太陽能光伏裝置相關的太陽能開關設備。鑒于太陽能開關設備可能涉及的應用與服務范圍廣泛，未來仍需開展大量標準制定工作。
第8章 建議與結論
全球多數能源系統已啟動脫碳轉型進程，正轉向零碳電力生產，并將傳統化石燃料能源需求轉化為電力運行模式。這場變革帶來重大挑戰(zhàn)，將影響能源系統的方方面面——從終端用戶和監(jiān)管機構到商業(yè)模式及基礎技術。
電力系統是向"全電氣化社會"轉型的核心，也將受到最深遠的影響，其發(fā)電、輸配電及用電模式都將發(fā)生劇變。太陽能和風能發(fā)電，以及電動汽車等新型大負荷設備，正在重塑供需格局，迫使系統設計與運行模式革新。與此同時，當前許多電力系統已相當陳舊且/或處于滿負荷運行狀態(tài)。
盡管直流供電技術近幾十年來已在高壓直流輸電系統中廣泛應用，但業(yè)界日益認識到直流技術在中壓配電領域同樣具有重要作用。中壓直流技術可提升系統整體效率，促進電池儲能與可再生能源發(fā)電設備的集成，并更好地滿足電動汽車充電樁、數據中心及工業(yè)電解槽等大容量負荷需求。該技術既能通過復用現有交流基礎設施實現容量擴展，又在可持續(xù)性和公眾接受度方面優(yōu)于交流系統。
在中壓直流技術應用于電力系統仍屬新興領域。其獨特的電力傳輸特性要求在實現中壓直流電網并安全接入更廣泛電力系統時，需特別考量甚至采用全新技術方案。其中，中壓直流電壓轉換、故障檢測與電流隔離等功能的實現方式，可能與現有交流技術存在顯著新技術，才能實現中壓直流電網并安全接入更廣泛的電力系統。尤其在電壓轉換、故障檢測和電流中斷方面，其實現方式可能與交流電力系統存在顯著差異。同樣，中壓直流電力系統在防腐保護、材料老化和接地方面也需特別考量。
迄今全球多數直流電網部署仍處于試驗、示范或研究階段，其經濟性尚未完全明晰。但隨著換流器元件成本下降，以及商業(yè)模式開始體現直流輸電的社會效益、環(huán)境效益和可持續(xù)性優(yōu)勢，預計直流輸電成本將持續(xù)降低。
阻礙MVDC技術在電力系統廣泛應用的最大障礙，是缺乏針對該技術及其實施的公開或專用標準。雖然眾多標準具有相關性，但鮮有直接應對MVDC技術特有特征與挑戰(zhàn)的規(guī)范——例如老化、接地、故障檢測、電壓轉換、電流中斷、防腐蝕保護及交流系統集成。現有標準必須更新擴展以體現這些差異。還需制定一系列新標準：界定中壓直流運行參數與限值；指導電纜、換流器、斷路器等專用設備的設計、測試與認證；涵蓋中壓直流獨特的運行實踐，尤其涉及保護協調與系統隔離領域。
8.1建議
鑒于中壓直流技術及電網應用領域存在廣泛機遇與挑戰(zhàn)，現向國際電工委員會及其利益相關方提出以下建議：
8.1.1加速推廣中壓直流電網技術
中壓直流電網具備顯著優(yōu)勢——從提升輸電容量、優(yōu)化現代負荷與發(fā)電源的運行匹配，到降低環(huán)境影響。這些效益將惠及全社會，強化IEC及其利益相關方加速推廣中壓直流電網技術與系統運行的必要性。
部分中壓直流技術及運行實踐尚不成熟。降低中壓直流硬件成本、提升系統經濟性（從而加快普及速度）至關重要。IEC及相關利益方應共同推動實現這些目標所需的研發(fā)工作。
鑒于中壓直流硬件及其應用尚不成熟，電力系統領域在直流系統與硬件組件的設計、安裝、維護及檢修方面經驗有限——其中許多環(huán)節(jié)與交流系統存在顯著差異。IEC應聯合技術用戶及系統運營商，加大力度提升對直流技術及系統運行的認知。
8.1.2啟動新的標準化活動
需開展大量工作更新現有標準，以更好地反映中壓直流技術及系統集成特性。同時必須制定新標準，針對中壓直流技術的獨特特性、組件及運行模式進行規(guī)范。
標準化工作的重點領域如下：
?術語與通用要求，包括定義中壓直流系統或組件的電壓值——該值可能因中壓直流應用場景而異
?中壓直流電網的設計、規(guī)劃、運行與管理
?換流站設計、測試、控制、保護及系統支持功能
?中壓直流開關設備及開關裝置的額定值、設計與測試
?電纜與設備絕緣要求
鑒于中壓直流技術尚不成熟且迄今應用有限，這些標準的制定可能需要大量的研究和測試工作。
8.1.3組建專注于MVDC電網的技術委員會，以協調并統一MVDC標準化工作
中壓直流電網是與高壓直流輸電網及低壓直流終端用戶系統截然不同的專用配電網絡。其技術標準化工作本質上涉及遠超系統層面協調的精細化任務，需要高度細化且極具實踐性的專業(yè)技術能力。
鑒于工作復雜性與標準化活動廣度，必須設立專屬技術委員會。通過建立專注于中壓直流電網的TC，IEC將組建具備深厚技術專長、專業(yè)工作組及靈活執(zhí)行力的治理機構，從而制定出連貫、可操作且易于實施的標準。
中壓直流電網規(guī)劃、運行及技術的復雜性無法通過系統委員會（SyC）充分解決，因為國際標準的制定受限于ISO/IEC指令第1部分+IEC補充條款（2024版）中SO.7.2條款的條件性流程。系統委員會的設立旨在制定系統參考交付物（SRD），為標準在對應領域的使用與應用提供指導。而中壓直流電網運行及技術的復雜性，顯然超出了系統委員會通常所承擔的廣泛、跨領域且側重協調的職責范圍及其交付成果的定義。
中壓直流技術在電力系統中的應用尚處于初期階段，加之缺乏統一標準，導致早期制定的中壓直流技術定義與規(guī)范草案存在相互沖突。解決這些矛盾并努力形成統一的定義與標準體系至關重要。所有從事MVDC指南與標準化工作的團隊，均應努力確保與IEC內部及全球范圍內其他類似工作的整合與協調。從IEC角度看，其他相關工作包括：
?大電網研究委員會C6.31工作組（TB 793）、聯合工作組C6/B4.37（TB 875）、工作組A3-40（TB 931）、工作組B1.82及工作組B4.91的工作
?IEEE對MVDC技術的考量，特別是P2984《直流配電網中直流網絡拓撲保護應用指南草案》
8.2 結論
全球電力系統正面臨重大變革與挑戰(zhàn)。盡管中壓直流技術相對較新且行業(yè)尚處起步階段，但它有望解決系統運營商面臨的諸多難題，并促進向全電社會的平穩(wěn)過渡。該技術為電力系統帶來環(huán)境、經濟及運行效益，IEC及相關利益方應共同推動其加速發(fā)展與部署。標準是釋放這一潛力的關鍵。
中壓直流技術的應用將影響所有IEC利益相關方：從系統運營商、設備制造商到測試實驗室、服務提供商及電力系統終端用戶。鑒于亟需制定涵蓋中壓直流技術、運行原理、互操作性及符合性測試的標準，IEC有機會在推動這項具有深遠效益的新興關鍵技術發(fā)展中發(fā)揮領導作用。
附錄A 中壓直流經濟性案例研究
本附件通過數值分析比較了中壓直流電纜與交流電纜部署方案的經濟性。分析采用2025年價格基準，對比了中壓直流段與交流替代方案的基礎資本支出及維護成本，未考慮環(huán)境效益、運營效益、社會效益及其他附加價值。
為展示中壓直流系統在現有配電網絡中的實際應用，構建了三個假設場景。表A-1概述了三種場景并總結了經濟分析結果。
本分析聚焦供電容量與供電距離。中壓直流系統標稱電壓設定為±35千伏。在相同配電線路條件下，±35千伏中壓直流系統的輸電容量是同等中壓交流系統的兩倍。中壓直流系統所需換流站的建設成本設定為10萬美元/兆瓦。換流站年維護成本按建設成本的5%計算，其余配電線路年維護成本設定為建設成本的2.5%。電力采購采用系統邊際價格（SMP）0.1美元/千瓦時。
表A-1 | MVDC經濟模型方案
A.1配電海底電纜
第一種方案：將現有海底電纜轉換為直流傳輸，以實現額外運行容量，避免新建電纜投資，如圖A-1所示。
在此方案中，高容量22.9千伏交流配電線路的最大連續(xù)運行容量為15 MVA。因此，要接入30 MVA分布式發(fā)電機或負載需兩條交流配電線路。但將系統轉換為±35 kV直流后，容量可翻倍：單條直流線路即可承載30 MW新增發(fā)電或負載，從而節(jié)省投資。由于直流配電線路兩端需配備整流器和逆變器，其效益隨海底電纜段長度增加而提升。假設海底電纜建設成本約為264美元/公里。圖A-2展示了不同海底電纜長度下交流與直流配電線路的投資成本對比。
基于初始投資成本，當海底電纜長度約為2.62公里時，中壓直流（MVDC）技術相較于中壓交流（MVAC）技術具有經濟優(yōu)勢。若考察20年運營凈現值（NPV），盈虧平衡電纜長度將增加至4.42公里，略遜于初期投資分析結果。此差異源于換流器設備的維護成本。
圖A-1 | 海底電纜場景中的MVDC替代方案
圖A-2 | 海底電纜MVDC經濟性分析（左：初始投資；右：20年運營期凈現值）
A.2長距離供電
第二種方案：如圖A-3所示，用MVDC段替代長距離輸電線路。
當負荷超過40 MVA或線路長度超過30公里時，韓國電力公社（KEPCO）規(guī)程要求采用154 kV輸電系統供電，而非22.9 kV配電系統。此建議基于交流配電線路的供電容量與電壓降考量。然而采用±35kV直流配電時，其容量與傳輸距離均可超越交流方案逾兩倍。因此， 單條架空輸電線路（約84.6萬美元/公里）替換為兩條架空直流配電線路（約10.7萬美元/公里，不含換流器）具有成本優(yōu)勢。在±35千伏直流系統60兆瓦容量范圍內，隨著輸電距離增加，微型高壓直流系統相較于高壓交流系統的成本效益日益顯著。
如圖A-4所示，基于初始投資成本，當電纜長度超過約21公里時，MVDC在經濟性上優(yōu)于HVAC。若考慮20年運營期凈現值，盈虧平衡距離將增至約41公里。
圖A-3 | 長距離輸電線路采用母線直流（MVDC）替代方案
圖A-4 | 基于初始投資（左）和20年運營凈現值（右）的長距離配電經濟性分析
A.3配電線路間的SOP連接
第三種情景：利用SOP互聯解決負荷不平衡的投資規(guī)避方案。如圖A-5所示，配電網絡內的SOP互聯方案可分為三類：配電線路間互聯（D/L）、主變壓器間互聯（M.Tr）以及變電站間互聯（S/S）。
經濟分析假設SOP兩端設施存在供需不平衡，并評估實施SOP的投資規(guī)避效益。
三種SOP并聯方案的經濟評估結果見表A-2。
如表A-2所示，采用配電線路間SOP中壓直流（MVDC）互聯時，當SOP容量為5 MVA（即供電需求不平衡在兩連接配電線路的SOP容量為10 MVA時），SOP中壓直流并網點必須距配電線路饋線端至少11公里，其成本效益才優(yōu)于新建交流配電線路。若SOP容量提升至10 MVA，經濟優(yōu)勢距離將延伸至22公里。因此在配電線路間實施SOP并網時，較小容量與更遠的饋線端距離更具經濟效益。
在主變壓器間實施SOP中壓直流并網時，表A-2顯示當SOP容量≤40 MVA時，采用SOP中壓直流方案比新建主變壓器更具優(yōu)勢。同樣地，在154千伏配電變電站間的SOP互聯方案中，當容量≤30 MVA且變電站間距≤22公里時，SOP中壓直流成為替代新建交流變電站的更可行方案。
圖A-5 | 應用于SOP并網場景的MVDC系統
表A-2 | 配電網中SOP中壓直流系統實施的經濟性分析
附件B
與直流母線電壓電力系統相關的IEC標準
下列標準涉及直流中壓電力系統運行，可能需要更新以適應直流中壓技術、運行、互操作性和測試要求。
參考文獻（略）
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轉自：公眾號-韓帥的電氣記事本
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