基於儲能的低壓直流微電網
隨著大規模能量型儲能技術的成熟，未來配電網的形態有可能發生很大的變化。除少數擁有中高壓用電裝置的使用者（包括電動汽車充換電站）仍採用 35kV、20kV、10kV 或 6kV 交流配電網外，絕大多數使用者採用基於儲能裝置（該儲能裝置與家用電動汽車電池具有通用性）的、以使用者為單位的、採用使用者電壓等級的低壓直流微電網模式，相鄰使用者的低壓直流微電網之間以常開開關聯絡。
對於鄉村等低負荷密度區域，可採用光伏電源等分散式新能源電源對低壓直流微電網的儲能裝置進行充電，實現自給自足。
對於城鎮等高負荷密度區域，低壓直流微電網的儲能裝置在 110kV 及以上變電站充放電，並由綜合能源服務公司對使用者以換電方式進行儲能裝置更換服務，或由使用者自行前往電動汽車換電站更換儲能裝置。
未來配電網的優越性
以基於儲能的、以使用者為單位的、採用使用者電壓等級的低壓直流微電網為主要形態的未來配電網具有下列優越性：
1）可極大地減少線路長度和裝置數量
中壓配電線路總長度遠遠大於高壓輸電線路，未來配電網在絕大多數情況下可以避免建設中壓配電線路；即使對於低壓配電網，由於採取以使用者為單位的微電網形態，而不必建設公共低壓配電線路，因此可以極大地減少電網中的線路長度。
不僅如此，未來配電網還可以省去數量眾多的配電變壓器和配電開關。此外，還可以省去海量的線杆、溝道等輔助設施。
隨著線路長度和裝置數量的大幅度減少，不僅可以顯著減少建設費用和建設工作量，而且還可以顯著減少巡視和維護工作量。
2）可顯著提高供電可靠性
傳統電網中，超過 85% 的故障停電是由於配電網故障引起的。對於採取基於儲能的低壓直流微電網形態的未來配電網，隨著線路長度和裝置數量的大幅度減少，可顯著降低故障次數和外力破壞，並可極大地減少故障的影響範圍，最多隻影響故障所在的微電網內部，微電網採取星型佈線後，還可將故障影響範圍進一步減小到所在低壓分支線路而非整個微電網，從而顯著提高供電可靠性。
3）可顯著降低損耗
傳統電網中，配電環節的損耗佔據了電力傳輸過程損耗的一半左右。對於採取基於儲能的低壓直流微電網形態的未來配電網，由於省去了中壓配電線路、配電變壓器和低壓公共配電線路，在配電環節產生的損耗也就得以避免。
在低壓直流微電網中，由於採用直流模式，避免了無功功率，並且可採用星型拓撲結構降低線路載流量，因此相比交流模式而言，損耗也更低。
4）分散式電源併網更加簡便、電壓更加穩定、
電源無縫切換更容易
由於採用基於儲能的低壓直流微電網形態，光伏電源等分散式電源可以更加方便地併網消納而減少逆變器環節。
由於微電網採用基於輸出電壓為使用者電壓等級的儲能裝置支撐，儲能裝置（如電池）的輸出電壓比較穩定，因此起到了平抑電壓暫態過程影響的作用，微電網的電壓更加穩定。採用直流模式也使雙電源無縫切換非常容易。比如，對於重要的用電裝置，可以配置兩路直流電源並採取基於一對二極體的無縫切換電路，當一路電源故障後可迅速無縫切換至另一路電源，動態響應速度很快。
5）可提高輸變電裝置的負荷率和利用率
儲能元件在 110kV 及以上變電站充放電，可以很好地削峰填谷，平坦負荷曲線，使其平均功率接近峰值功率，從而有效提高輸變電裝置的負荷率和利用率。
關鍵技術成熟度
1）配電電氣裝置和用電裝置
低壓直流微電網的電壓等級宜採用主要用電裝置的額定工作電壓。對於工業使用者，用電裝置一般功率較大，從降低損耗的角度出發，可以採用±300V 單極或雙極供電模式；對於居民和商業使用者，用電裝置一般功率不大，損耗不是主要矛盾；從安全的角度出發，可以採用 36V 或 48V 單極供電模式。
上述電壓等級，無論接觸器（繼電器）等機械式開關，還是電力電子開關，當前的技術水平都是成熟的。
由於慣性很小，故障時多級保護裝置的配合問題一直是困擾直流配電網的難題之一，但是因為低壓直流微電網的供電範圍較小，可以採用大量的支線構成“星型”結構而並不會顯著增加建設費用，每條支路僅連線少量用電裝置。若某條支線發生故障，則直接將其跳掉即可，若公共連線部發生故障，則分散式電源開關和儲能裝置接入開關延時跳閘即可。因此，故障處理技術也是較成熟的。
至於用電裝置，旋轉類裝置（電動機、空調、洗衣機、冰箱等）可以採取逆變方式由直流驅動，非旋轉裝置（電熱器、照明、電視、計算機等）可以直接直流驅動，這些技術也是成熟的。
2）儲能裝置的充放電管理
對於鄉村等低負荷密度地區，使用者可以建設光伏電源的屋頂面積較大，且使用者負荷一般不大。比如：一個農戶完全可以擁有 100 平方米的光伏電源，以 100VA/m2、日利用小時數為 3h。 計算，每天可以發電 30kWh，即使考慮充放電損耗，也基本可以滿足該農戶包括溫度敏感季節內一天的電量需求，因此儲能單元大致可以自給自足。
對於城鎮等高負荷密度地區，每個使用者的屋頂面積較小，且使用者負荷較大，依靠屋頂光伏電源不能做到自給自足，因此需要綜合能源服務公司更加頻繁地提供儲能裝置換電服務。
綜合能源服務公司的換電服務與過去比較常見的煤氣公司所提供的更換液化氣罐服務類似，更換下來的“空”儲能裝置需運送到 110kV 及以上變電站集中進行充放電，在負荷谷期充電、在負荷峰期放出一部分電量，從而很好地平坦相應變電站的負荷曲線。
綜合能源服務公司的換電服務所需的儲能裝置充放電關鍵技術與曾經建設的電動汽車充換電站的關鍵技術類似，但是考慮到儲能裝置的重量和體積，為了方便運輸需開發相應的裝備，使之便於搬運。
當然，由於採用的儲能裝置與電動汽車通用，使用者也可自行前往電動汽車換電站更換儲能裝置。
3）儲能裝置
儲能裝置是個關鍵，其成熟程度直接決定了低壓直流微電網的時間表。
由於採用換電方式，因此儲能裝置的充電時間不是主要矛盾。但是，在安全性、能量體積比（目前只能達到 300kWh/m3 左右）、能量重量比（目前只能達到 100kWh/ 噸左右）和迴圈壽命等方面還存在較大技術差距。
儲能的技術在逐漸進步，當電動汽車的儲能裝置令人滿意後，低壓直流微電網的儲能裝置也就能基本滿足商業化運營的要求了。
發展分析
目前，已經建設了規模宏大的中壓交流配電網，還將新建大量中壓交流配電網，在儲能技術成熟之前，這些中壓交流配電網對於滿足使用者供電需求是必不可少的。
但是，對於一些負荷密度很低的偏遠地區，建設中壓交流配電網滿足零星使用者的生活用電需求顯得非常不經濟，不僅供電半徑很長使得電壓質量難以保障，線路損耗很高，而且線路總長度很長，往往還需要跨越高山和河流，故障率較高、維護工作量也很大，但是售電回報卻很低。
當儲能技術進步到一定程度以後，在充分權衡技術經濟性的基礎上，對於上述負荷密度很低的偏遠地區，電力公司可以率先嚐試採取建設基於儲能的低壓直流微電網，並採用光伏等分散式電源充電實現就地能量平衡的供電模式，解決超長中壓交流配電線路帶來的問題。
在大規模能量型儲能技術基本成熟後，即使大量使用者已經建設了基於儲能的低壓直流微電網，已建成的規模巨大的中壓交流配電網在其壽命週期內仍然可以作為充電電源使用，但是對於中壓交流配電網的供電可靠性和電能質量的要求可以大大降低，從而有效減少運維工作量和運維費用。
在大規模能量型儲能技術已經完全成熟後的未來，絕大多數使用者已經建設了基於儲能的低壓直流微電網，繼續大規模建設和擴充套件中壓交流配電網，而且建設兩套平行的配電系統也非常不經濟。此時，隨著存量中壓交流配電網的逐漸廢棄，儲能元件的充放電管理逐步過渡到 110kV 及以上變電站，基於儲能的低壓直流微電網就逐步成為未來配電網的主要形態。
從商業模式上，電力公司的配電業務需要逐漸向協助使用者建設基於儲能的低壓直流微電網、並提供儲能元件的充放電管理服務轉換，因為隨著儲能技術的逐步成熟，基於儲能的低壓直流微電網和電動汽車一樣，必然會受到使用者的青睞而成為使用者的首選。試想，如果墨守成規，到那時還會有多少使用者申請報裝接電呢？如果電力公司不能與時俱進、積極轉型，其配電業務就會被各種各樣的其它服務型企業搶佔。
但是，電力公司是最適合作為未來配電網的建設、執行、維護和服務的主體企業，不僅因為他們嫻熟的業務水平和豐富的運維經驗，而且在於他們是已經建成的存量中壓交流配電網和 110kV 及以上電網資產的所有者。
因為在存量中壓交流配電網仍具有利用價值的過渡時期，作為這些資源的擁有者，電力公司因可利用的充電電源極為豐富，能夠向用戶提供更加滿意的充換電服務。
即使在存量中壓交流配電網基本報廢以後，作為 110kV 及以上電網資產的擁有者，電力公司不僅具有更加便利的條件向用戶提供充換電服務，而且也是儲能元件平坦負荷曲線從而提高資產利用率的受益者，理應更加積極地發揮儲能元件在 110kV 及以上變電站充放電管理的作用。
此外，對於一些擁有大型中壓交流裝置的使用者和電動汽車充換電站，仍然將延續採用中壓交流配電網的供電模式，這些業務對於電力公司而言，大部分只需在已有資源基礎上採取常規維護措施延續其壽命即可，而對於其它從業企業，則大部分需要額外建設相應的中壓交流配電網，電力公司的優勢不言而喻。（文章來源於《輸配電觀察》，版權為原作者所有，侵刪）
劉健，陝西電力科學研究院副院長，教授、博士、博士生導師，新世紀百千萬人才工程國家級人選，國家電網公司科技領軍人才，長期從事配電網領域科研與工程實踐，獲得國家和省部級科學技術獎 17 項，著有《簡單配電網》、《配電網單相接地故障處理》、《配電網繼電保護》、《複雜配電網簡化分析與最佳化》等專著，發表論文 200 餘篇，擔任《電力系統自動化》、《電網技術》、《電力自動化裝置》、《電力系統保護與控制》、《電測與儀表》和《供用電》編委
