注：IEC的社会和技术趋势报告《直流配电系统》中全面介绍了直流(DC)在输配电解决方案中的可能性，涉及的范围从高压电网到低压直流(LVDC)配电应用。本文编译整理部分资料介绍其中的高压直流部分。

电网变化的驱动力

电力输配电领域，人们已经看到，技术发生了变化。如何提出一个共同的愿景，以最大限度地推动直流发展，使其朝着有利于能源生态系统和所有相关方独特的发展方向。

目前有几个明显的趋势使传统配电方式受到越来越大的压力，有必要提出这样一个问题，即这种趋势是否有可能创造一种更可持续的配电方式。对于特定的可持续方法，显然我们不仅指对环境影响较小的解决方案，而且指能够改善全人类获得能源的办法，特别是更平衡地获得构成人类最主要需求之一的能源的办法: 电力。

驱动整个配电发展演变的基础数据显示，全球80%的二氧化碳排放来自能源的生产和消费（来源:IEA, 2019全球能源回顾）。这意味着，为了实现人类为拯救地球而为自己设定的目标，能源的生产、分配和消费方式将不可避免地发生剧烈而迅速的变化。为了实现这些目标，存在着多种举措，从提高能源效率到全面禁止使用化石燃料，再到对配电网进行智能管理。

因此，到2050年，预计60%的发电量将来自可再生能源也就不足为奇了。事实上，可能与最新的核能发电技术相结合，这将是迅速实现能源生产中二氧化碳排放量大幅减少的唯一途径。但这一重大转变将首先在配电网中造成重大不平衡，这个系统历来被设计成将电力从偏远的大型发电厂分配到人口和消费集中的主要地区。

此外，一个主要的悖论是，近年来能源需求一直在大幅增长，这主要是由人口增长和信息技术(IT)基础设施的发展推动的，这些基础设施使人工智能和技术进化的发展速度达到了一个新的程度。据估计，到2040年，IT和电信公司(telco)的用电量将是今天的四倍。世界上正在使用的数据量正在迅速增长。根据国际数据公司(IDC)一份新的报告，到2025年，全球存储的数据预计将增长61%，这将不可避免地产生对能源的需求，而这种需求只能通过更高能效的系统来逐步平衡。显然，大多数现有的数据管理基础设施都包含大量的直流负载和电源，2018年中国20%的新数据中心基于直流架构并非巧合。这是推动电网配电转型的第二大因素。

最后，同样重要的是，近年来出现了一个新因素，即电动汽车(EV)的采用，该因素曾被预测发展速度要慢得多，但实际上现在正在加速发展。事实上，到2040年，中国40%的电力消耗预计将来自电动汽车，即使从更广泛的角度来看，2019年至2040年电动汽车年电力消耗的预期复合年增长率为18%。

这代表了配电系统规律的巨大变化。此外，可以想象，当预见到在夜间可能连接30到50辆电动汽车，就需要的电力和功率吸收曲线而言，这是一个与传统完全不同的量级，那么简单住宅建筑的逻辑控制设计需要变化。

加速采用可再生能源、数据和物联网(IoT)功耗的指数级增长、以及电动汽车的快速增长都是推动配电网发展的因素。然而，这并不意味着直流电将取代交流电，它只是使潜在的演变更加开放。实际上，最可预见的情况是交流和直流的结合，直流通过本地直流微电网帮助管理能源需求。

报告简要介绍了现在的技术，采用直流作为方案选项的现状，以及将来可能的演变。尽管如此，该报告仍然主要关注已经采用的现有用例，目的是证明直流解决方案是可行的，实际成本具有竞争力，并且安装简单。

最后需要考虑的信息是电池存储解决方案的尺寸不断减小。目前尚不清楚当考虑到环境影响，这是否构成优势，但它肯定有助于实施从一开始就介绍的其他原则：1)有机会向今天仍然无法获得电力的人口提供能源；2)可再生能源和电池存储结合的成本可以接受。事实上，这将简化历史上非常复杂的地区发电和配电，从而使人类最重要的资产之一得到更广泛的应用。在任何情况下，尽管很明显，大多数发电建设基于直流，但目的都不是强迫从交流切换到直流，而是坦诚的讨论。

输配电系统本身涉及到从高压直流(HVDC)开始，然后到中压直流(MVDC)，最后到达低压直流(LVDC)。可以看到，对于所有三个电压等级，其当前状态和预测的未来演变是非常不同的，但是任何一个等级的采用都会影响其他电压等级。这将是自特斯拉和爱迪生之争以来，电力领域构成最大潜在演变的开始，“双方”也许最终达成协议。

高压直流的现状与将来趋势

在过去的100年里，交流电(AC)一直是全球家庭和商业电力传输的首选。但高压交流输电有一定的局限性，如传输容量和距离的限制，不可能直接连接两个不同频率的交流电网。高压直流输电可以帮助克服这些挑战。

与交流输电系统相比，特高压直流输电系统具有传输容量更大、传输距离更远、运行效率更高、功率损耗更小等技术优势。近年来提出的±1100kV特高压直流输电系统的理论经济输电距离可达5000公里，极大地提高了电网资源配置的能力。

1 多端高压直流 Multi-terminal HVDC

传统的直流输电系统只有一个发送端和一个接收端，而多端直流输电系统可以有多个发送端和/或多个接收端。与传统直流输电系统相比，多端直流输电系统具有更好的经济性、灵活性和可靠性。可以灵活地在换流站之间分配功率，即使其中一个换流站因故障而停止工作，其他换流站也可以继续可靠地运行。

根据连接方式的不同，多端直流输电系统可分为并联和串联两种，每一种都有自己的运行控制特性。并联式多端直流输电系统的所有换流站都工作在同一直流电压水平上。在这种输电系统的正常运行条件下，一个换流站控制系统的直流电压，其他换流站控制直流电流以实现功率的分配。对于串联式多端直流输电系统，所有换流站以相同的直流电流串联。换流站间的功率分配主要通过改变直流电压来实现。在串联式多端直流输电系统中，通常由一个换流站负责整个回路中直流电压的平衡，同时对电流进行调节。

2 灵活（柔性）直流输电 Flexible DC transmission (VSC-HVDC)

柔性直流输电，又称电压源变换器-（电压源型）高压直流(VSC-HVDC)，是近20年来兴起的新一代直流输电技术。

它采用全控功率装置，具有有功、无功分别独立控制能力，不需要任何交直流滤波设备等突出优点。由于它具有无相变失败的优点，因此不存在坚强交流系统要求。此外，它还具有提供动态无功功率的能力。与电流源型高压直流(LCC-HVDC)输电系统相比，VSC-HVDC输电系统的运行条件得到了显著改善，从而缓解了在接受端的多端直流馈电系统同步相变失效的问题。因此，系统承受严重故障的能力得到了显著提高。发展VSC-HVDC直流输电系统也是中国大规模输电的需求。近年来，随着提高运行电压和容量技术的发展，VSC-HVDC输电系统在世界范围内得到越来越多的应用，VSC-HVDC输电项目数量不断增加。

2020年7月，全球首个柔性直流电网项目在中国河北张家口投运，目前全球已有近30个柔性直流输电项目在建或投运。欧洲正在建设的直流项目基本都是VSC-HVDC系统，主要用于电网互联、电缆传输和风电一体化（并网）。未来，柔性直流输电系统将在海上风电传输、远距离大容量输电等场景中得到进一步应用。

3 混合式高压直流(LCC-VSC) Hybrid HVDC (LCC-VSC)

混合式高压直流输电系统包括一个电流源变换器(LCC)和一个电压源变换器(VSC)。一般情况下，LCC作为整流站可以节省资金成本，VSC作为逆变站可以增强运行的灵活性。混合直流输电系统综合了LCC和VSC的优点，具有不存在换相失败、支持弱/无源网络能力增强、有功和无功控制灵活等技术特点。在LCC-VSC混合型两端高压直流输电系统中，LCC站一般采用直流恒流控制方式产生触发角，VSC站采用直流电压控制方式。在LCC-VSC混合多终端高压直流输电系统中，可以包括一个LCC和两个以上的VSC。点对点LCC-HVDC链路构成混合多终端网络的骨干，VSC可以在直流电压控制模式或功率控制模式下工作。

案例：电压源直流系统(VSC)用于输电与互联

背景

1. 可再生能源将成为未来电力系统的主要来源。VSC是海上风电并网（一体化）的一种重要方式。

2. 随LCC-HVDC技术的发展，多馈电HVDC系统已在中国、印度、巴西等国家得到应用。VSC-HVDC为多馈电高压直流系统提供了一种新的解决方案，因为它没有换相失败。

图：VSC用于远距离大容量输电

可能的场景

1. 在多馈电HVDC中使用VSC来减少引起多次换相失败的交流故障区域。

2. 使用VSC通过长距离架空线输送大量电力，如南网的世界上第一个±800千伏特高压多端柔性直流输电工程LCC-VSC-VSC(见上图)。

3. 利用VSC实现海上风电一体化。

4. 使用VSC连接两个电力系统，例如日立能源的加拿大至纽约输电项目。

高压直流趋势

现在：交流输电是主流

未来（2030-2035）：直流输电是主流