面向全电气化社会的中压直流 (MVDC) 电网
随着碳中和能源的大规模普及以及电力能源在工业驱动和满足消费需求中的日益应用，全球能源系统正经历一场革命。供暖、交通和材料加工等能源负荷正从化石燃料转向核能和可再生能源等碳中和发电。这个新世界可被视为"全电气化社会"——脱碳可持续能源满足全球能源需求，工业负荷、交通运输、商业及居民用电需求均通过电力技术实现。
全电气化社会将对电力系统产生深远影响。需新建输配电基础设施，将能源从发电地输送至用电端。随着数据中心、电动汽车充电等新型负荷的兴起，电力需求预计将激增。然而电网系统正面临拥堵与基础设施老化双重困境。更棘手的是，许多社区在安装分布式发电和储能设备的同时，却对新建大型电网基础设施持抵触态度。风能、太阳能等新型能源发电方式因其间歇性与低惯性特性，也显著增加了电网运行的复杂性。
历史上，电网基于交流电（AC）运行，因为直流电（DC）难以调节电压以适应长距离输电。然而如今，大多数电力负荷基于直流电，需要在消费点将交流电转换为直流电。同样，电池储能和太阳能光伏电池等新型电力来源也基于直流运行。
转换为直流电。同样，电池储能及太阳能光伏电池等新型电源也基于直流运行。在输电系统的高压端，直流化趋势同样显著。基于半导体的电压转换器问世后，实现了大功率直流电压转换，使直流母线得以用于高效长距离输电。这种技术还通过解耦不同交流电网段，简化了电力系统运行。
随着电力系统在高功率/高压传输端与低功率/低压端双重转向直流运行，业界正将目光投向中压层级的直流化运营模式。
本白皮书论证了中压直流（MVDC）技术能为电力系统运行带来诸多益处，包括：
▪更大的输电容量：同等规模的MVDC电网可承载约两倍于交流电网的电力，使其成为新建或升级能源输送走廊的理想选择。
▪直接支持分布式能源与负荷：MVDC互联可提升数据中心、电池储能、光伏电站及大功率电动汽车充电设施的运行效率，降低资本成本并增强可靠性。
▪主动网络管理：中压直流分段支持先进的电力控制与质量管理，其运行灵活性优于高压直流（HVDC）、低压直流（LVDC）及交流电网分段。
▪材料与资源优化：与交流系统相比，MVDC所需铜材和钢材基础设施大幅减少，提升可持续性。
要实现中压直流电网的广泛应用，需要对运营实践进行重大调整，并克服若干技术障碍。目前中压直流电网成本高于交流电网——但随着技术普及及研发降低组件成本，这一局面有望改变。虽然部分现有交流基础设施可改造用于中压直流电网，但需谨慎操作，因直流电压可能改变该设施的老化特性。
直流电力技术市场潜力巨大，有预测指出全球直流配电技术市场规模将于2030年达到310亿美元。全球各区域均将实现快速增长，其中欧洲因各国政府对能源转型的承诺而增速略快。现有增长研究尚未区分中压直流与更广泛的"直流配电"范畴，但预计中压直流应用将占据需求主体。
本白皮书概述了中压直流技术如何助力向全电气化社会转型，以及其为电力系统运行带来的巨大效益。同时探讨了国际电工委员会（IEC）及相关利益方如何推动这些效益的实现。为此建议IEC及利益相关方采取以下措施：
▪加快推广中压直流电网技术的工作。此类工作应包括鼓励开展新的研发努力，以降低中压直流电网运行的技术挑战。电力系统运营商和监管机构还应努力提升其对中压直流技术的基本认知，包括该技术的优势与挑战。对中压直流技术及其优势与挑战的认知。
▪启动新的标准化活动。需认真更新现有标准以适应中压直流技术及系统集成需求，并制定针对中压直流技术与系统运行独特特性及组件的新标准。标准化工作的重点领域包括术语与通用要求、接地、中压直流系统保护、换流站、中压直流断路器以及电缆与设备绝缘要求。
▪组建专注于MVDC电网的技术委员会，以协调和统一IEC的MVDC标准化工作。MVDC电网与HVDC及交流电网存在显著差异。需要开展大量高度技术性的新标准化工作，涵盖多个IEC标准化项目，并解决现有MVDC标准工作中未协调的冲突。
鸣谢
本白皮书由项目团队编制完成，该团队代表多家机构，在IEC市场战略委员会（MSB）指导下开展工作。项目团队成员包括全球电力网络企业、标准组织及设备供应商的代表。项目发起人为韩国电力工程建设公司总裁兼首席执行官金泰均博士。项目管理由韩国电力公司蔡旭佑博士主导，项目协调工作由IEC市场战略委员会秘书彼得·兰克托负责。协调作者兼项目合作伙伴为N.OGEE咨询公司格伦·普拉特博士（邮箱：glenn@nogee.net）。
第1章 背景与介绍
全球能源体系正经历一场惊人的转型，反映出世界正从煤炭、石油和天然气等传统化石燃料能源转向风能、太阳能和核能等可再生可持续能源。这一转型主要由多重因素驱动，包括降低温室气体排放的需求、寻求更廉价能源的探索，以及对传统能源供应不可持续性的担忧。或许更准确地说，这场变革是能源系统运作方式的全面转型——全球范围内能源的生产、输送、消费、交易等各个环节都在发生改变。
电力系统作为转型的重要组成部分，正深刻改变着发电、输配电及用电的各个环节。最显著的变化之一是大型集中式发电厂正逐步让位于分散式可再生能源发电设施，如太阳能发电站和风力涡轮机。传统电力系统基于单向电力流和相对少数的大型发电机组，而这种分散化则需要更灵活、适应性更强的电网基础设施。在未来的能源系统中，电力流很可能在电力系统的许多部分实现双向流动，发电将来自大量地理上分散的小型发电单元。
当电力系统在应对发电与输配方式变革的同时，能源消费的本质也在发生根本性转变：许多传统上由化石燃料供能的负荷正被"电气化"，这将带来更多挑战，并引发发电、输电和配电领域的巨大变革。
上述所有变化都发生在许多国家相当陈旧且/或已满负荷运行的电力系统之上。在众多发达国家，大部分电力系统基础设施建于20世纪，如今已接近设计寿命终点。但按当前改造速度，完全替换这些设施需耗时数百年[1]。
中压直流（MVDC）电网技术可助力应对诸多挑战。
1.2范围与定义
本白皮书聚焦中压直流技术在配电系统的应用——即承载电力从发电厂、储能设施输送至家庭、公共、工业及商业负荷的网络。文中"电力系统"均指配电系统，此类系统亦称"电网"。通过在此背景下引入MVDC技术，本文旨在强调其对未来全电力系统转型所能作出的潜在贡献。
尽管中压直流技术同样适用于铁路（通过铁路网电气化）和船舶领域（通过大型船舶电力分配）领域，但这些应用超出本文讨论范围。
本文面向广泛读者群体：从单纯关注电力系统变革趋势的普通读者，到负责制定并执行相关标准的机构——这些标准旨在促进中压直流等技术应用的同时，维持我们惯常的供电可靠性与性能水平。
随着电网转型与负荷电气化进程推进，中压直流技术有望为电力系统运营商面临的诸多挑战提供解决方案。本文是理解中压直流技术潜力并实现其效益的初步探索。技术研发、规范制定及标准确立无疑需要付出巨大努力。本文将全面探讨这三个议题，尤其关注其对国际电工委员会及其标准化工作的潜在影响。参与本报告撰写的项目团队成员涵盖公用事业公司、咨询机构、研究组织、电气设备制造商及标准化机构的代表。
本文是系列白皮书的一部分，旨在反思和分析新技术及全球产业变革。该系列旨在协助国际电工委员会（IEC）通过自身标准化工作和符合性评估服务，持续为解决电气技术领域的挑战作出贡献。本系列由IEC市场战略委员会（MSB）编制，其成员致力于识别IEC活动领域内的主要技术趋势和市场需求。该委员会制定战略以最大化核心市场的投入，并为IEC的技术与符合性评估工作确立优先级，从而提升委员会对创新型快速变化市场需求的响应能力。
1.3 结构
本白皮书第一部分为引言与背景介绍。第二部分审视全球电力系统面临的重大转型及其带来的挑战。第三部分阐述中压直流（MVDC）概念及未来电网形态。第四部分详述MVDC技术，并将其运行机制与现有电网技术及实践进行对比。第五部分剖析技术普及前需突破的障碍——从技术研发到标准制定。在阐明MVDC技术与电网运行基础后，第六部分展示全球MVDC发展现状，重点推介若干领先项目。第七章探讨这些进展对国际电工委员会（IEC）、其利益相关方及标准化工作的潜在影响。第八章以多项建议作结，面向全球IEC及MVDC利益相关方提出行动指引。
第二章 全球电力系统的转型
2.1全电气化社会的构想
能源是所有发展形式的核心，不同形式的能源标志着工业进步的不同阶段。煤炭推动了第一次工业革命；电力、天然气和石油驱动了第二次工业革命。下一次革命很可能与新能源技术的大规模应用相关，特别是可再生能源和核能发电，并利用这些以电力为基础的能源来驱动我们的工业并满足不断增长的消费能源需求。
过去两个半世纪，世界经历了前所未有的社会经济发展，但能源与工业体系对环境的累积影响已成为全球性关切。政府间气候变化专门委员会（IPCC）明确指出："人类活动导致大气、海洋和陆地变暖已毋庸置疑"，这种影响"正在全球每个区域改变许多极端天气和气候事件"[2]。
能源供应部门是全球温室气体排放的最大来源，IPCC强调："要稳定温室气体浓度……必须对能源供应体系进行根本性转型"[2]。
向以碳中和可持续能源为基础的世界转型，对应对这一根本性环境挑战至关重要。在这样的世界里，绝大多数能源很可能通过基于电能的技术进行生产、传输和使用。供暖、交通和材料加工等能源负荷将从碳排放型化石燃料转向碳中和来源的电力。这个世界可被视为"全电气化社会"：脱碳化的可持续能源发电将满足全球能源需求，工业负荷、交通运输、商业及民用能源需求均将通过电力技术实现。
2.1.1全电气化社会与电力系统
全球正稳步迈向全电气化社会：截至2023年底，全球太阳能光伏发电装机容量达1411吉瓦，其中仅2023年新增装机容量就达347吉瓦[3]。同样，全球风电装机容量达到1017吉瓦，2023年新增装机容量为114.5吉瓦[3]。
全电力社会将对全球电力系统产生巨大影响。风能和太阳能发电厂需建在风能和太阳能资源丰富的地区。在许多国家，这些地区往往远离电力负荷中心，因此需要建设庞大的输配电网络基础设施来支持长距离能源传输。尽管全球风能和太阳能发电的部署正在加速推进，配电资产尚未实现相应增长。这导致全球多地出现输电网络拥堵及风光发电输出受限的局面。
换言之，输配电基础设施的不足正制约着零碳发电厂的普及[4]。这是实现全电气化社会目标必须迅速应对的关键挑战。为此可能需要对现有电力资产进行重大升级，建设新的专用输电线路，以及/或（在电网拥堵情况下）部署大规模储能系统，以便将发电储存起来，待网络容量充足时再释放使用。
2.1.2非电力能源需求
尽管许多能源负荷（或终端使用技术）可直接由电能供应，但对于某些负荷而言，电力可能并非可行的能源来源。对于长途航空运输或高能耗材料制造等负荷，可能需要其他碳中和可持续能源。在这种情况下，可考虑间接利用碳中和能源。源自碳中和能源的电力可转化为更易用的化学能形式。这被称为电力到X（P2X）概念，即利用可再生能源产生的电力转化为动力燃料和清洁化学品（如绿色氢气、氨、合成烃类如甲烷、甲醇及合成天然气），或转化为热能等其他实用能源形式。
最终，作为电能的消费者，P2X能源需求仍属于"全电化"社会的范畴。P2X技术还能通过平衡供需关系，助力碳中和电网的运行。在发电短缺时，P2X工厂可暂停运行；当发电过剩时，能源可转化为氢气或其他合成燃料作为储能形式。当可再生能源发电不足时，这些燃料又能重新转化为电力。未来能源系统中预计将普及的P2X技术之一，便是通过电解制氢——将水分解为氢气，这种技术可将电力转化为氢能。
作为储能形式。当可再生能源发电不足时，这些燃料可重新转化为电力。未来能源系统中预计将广泛应用的P2X技术之一是电解制氢——通过直流电将水分解为氢氧分子。
全电气化社会的诸多关键特征将依赖直流电力技术：
▪太阳能等发电技术本质上基于直流技术。
▪电池及其他多数储能技术均采用直流电。
▪LED照明等直流设备，以及电动汽车、工业电解槽、数据中心、半导体制造厂等大型直流负载将日益普及。
2.2电力系统特性的转变
向全电力社会的转型将给电力系统运行带来重大变革与挑战，具体如下：
太阳能和风能等可再生能源在全球发电中的占比正快速提升。截至2023年底，全球可再生能源发电装机容量已突破3372吉瓦，其中太阳能和风能占年度新增装机容量的70%[3]。太阳能和风能发电的波动性与间歇性给电力系统运行带来重大挑战——从如何实时平衡供需（面对间歇性发电机输出时），到电力网络中快速变化的功率流向。
管理电力系统发电机组的间歇性将需要先进的预测技术、电网形成逆变器和实时能源管理系统来维持系统稳定性。在日益增长的不确定性中，储能系统对于管理可再生能源波动性、优化电网投资以及平衡发电与需求也至关重要。全球储能市场预计将从2023年的50吉瓦增长到2030年的500吉瓦以上[5]。
分布式光伏、社区微电网及用户侧储能电池等小型高度分散的发电设施正推动电力系统去中心化。截至2023年，全球已投入运行的微电网超过1200万个，在增强区域韧性的同时，也带来了反向功率流动和电压波动等运行复杂性[6]。分布式能源资源（DERs）的广泛应用需要升级配电网（及其管理系统），以应对双向电力流动、保障电压稳定性并有效整合本地化发电。
交通、供暖和工业流程向电气化转型将推动电力需求显著增长。2023年全球电动汽车销量突破1400万辆，同比增长35%，导致电网容量需求急剧攀升，亟需创新负荷管理技术来应对电动汽车充电对电网的影响[7]。电气化进程正显著增加电网负荷并改变用电模式。为满足新型能源需求并优化电网性能，亟需通过基础设施升级、车网互动（V2G）技术及智能充电系统等措施进行强化。
2.2.4负荷曲线变化
许多电力系统的净能源需求正发生显著变化：白天（太阳能发电机组满负荷运行时）净需求趋近于零已成常态，但傍晚时分随着太阳能发电量降至零，需求又会激增至极高水平。净需求还呈现出更"尖峰化"的趋势，即日间峰值需求与谷值需求的差值远大于以往。这些变化给电网运行和可靠性带来重大挑战，并可能降低电力基础设施资产的平均利用率[8]。
随着气候变化导致极端天气事件频发且愈发严重，电力系统必须增强抵御中断的能力。例如，自21世纪初以来，美国因天气导致的停电次数已增长三倍[9]。气候引发的极端天气事件要求电力系统具备更强的韧性，通过先进保护系统、地下电缆和模块化设计实现更快恢复。
各国及地区间的互联项目正持续扩展，旨在增强能源安全、促进高效能源交易，并优化可再生能源利用与普及。欧洲北海风电枢纽[10]和东盟电网[11]等项目正是这一趋势的典型例证。区域互联需升级基础设施并统一互联标准，方能高效安全地管理跨境能源流动。
2.3电力系统运行优化
如前文所述，应对电力系统转型变革并确保能源平稳过渡，需对电网基础设施、商业模式、管理体系及运行技术进行全面升级或变革。
关键改进或变革可能包括：
▪先进的监测与控制系统。部署实时监测、自动化及基于人工智能的分析技术，以优化电网运行并预防故障。
▪大规模电网与分布式储能。电池及其他储能技术的整合对管理波动性、提供辅助服务及增强电网灵活性至关重要。
▪灵活模块化电网设计。采用可集成分散式能源系统并实现快速故障恢复的模块化电网架构。
▪容量升级与智能基础设施。通过扩建和加固输配电网络，结合智能电网技术，满足日益增长的需求并优化系统性能。
▪跨境协调机制。建立标准、协议及系统体系，促进区域间无缝能源贸易与互联互通。
▪精密电网管理系统。部署能源管理系统（EMS）、配电管理系统（DMS）及先进软件平台，高效协调复杂电网运行。
▪新型市场结构与定价机制。建立激励分散式发电、需求响应机制及消费者参与能源市场的机制体系。响应及消费者参与能源市场。
▪自适应控制与灵活管理策略。采用新型电网基础设施支持的快速响应机制，在系统波动性与复杂性加剧的背景下维持稳定性。
基于这些改进，直流电网因其相较传统交流系统的独特优势而备受关注，使其能够很好地满足现代电力网络不断变化的需求。
直流电力电网是采用直流电传输电能的系统，区别于更普遍使用的交流电。
二十世纪初，直流电倡导者托马斯·爱迪生与交流电支持者尼古拉·特斯拉背书的乔治·威斯汀豪斯之间爆发了"电流之战"。尽管直流电在早期具有优势，但其长距离传输效率低下——因电压等级难以转换——限制了其实用性，迫使发电必须就近进行，最终阻碍了其广泛应用。而交流电则能高效长距离传输，交流感应电动机的发明更进一步推动了交流电的应用革命。由此，交流电在全球取得胜利，开启了当前集中式交流发电的时代。
近年来，直流电网因电力电子技术的进步而重新受到关注——这些技术解决了旧式直流系统的缺陷，同时直流输电在应对某些电网运营挑战时具有显著优势。
直流电力系统相较于交流电网具有显著优势：其效率普遍更高，能便捷接入可再生能源和电池储能系统（通常基于直流电）。此外，直流母线可在两个交流电网间实现解耦，消除频率与相位同步相关问题。此外，同等规格的直流输电线路相比交流线路可承载更高功率：在相同运行参数下，其输电能力至少可达交流线路的两倍[12]、[13]、[14]、[15]。这意味着通过采用直流运行模式，受限输电线路的容量可实现显著提升。
直流电力系统技术可实现第2.2节所述的诸多电网运行改进：
▪大多数储能技术本质上基于直流系统。
▪直流电力变换器的主动管理能力，可简化灵活模块化电网的设计实施。
▪直流系统可促进电网各分段间的互联互通。
▪直流基础设施能显著简化容量升级，如图2-1所示，其承载能力远超同等规模的交流基础设施。
图2-1 | 同等容量直流（左）与交流（右）输电系统铁塔尺寸对比[16]，[17]
2.4.1 HVDC vs MVDC vs LVDC
当今电网和电力系统中直流技术最广泛的应用是高压直流输电（HVDC）系统，其电压等级通常高于100千伏。这类HVDC系统主要用于长距离输电——要么因其效率高于交流输电方案，要么因高压交流（HVAC）系统会突破输电基础设施的物理极限。HVDC联络线可在两个可能异步运行的交流电网间实现能量传输。
在HVDC系统中，交流电通常在传输链路起点转换为直流电，并在链路终点重新转换为交流电接入更广泛的电网。新型多端HVDC传输系统可连接多个节点，既能整合多个交流系统，也能将多个可再生能源发电中心接入交流电网。
低压直流（LVDC）通常指低于1.5千伏的直流电压，但日本将750伏及以下电压定义为LVDC，美国则将1000伏及以下电压归为此类。低于60伏的直流电能显著降低电弧放电和触电风险。从LED照明、冰箱到家用空调的变频驱动电机，众多终端设备均采用低压直流供电。然而由于电网基于交流技术，这些设备需通过内部将低压交流电（LVAC）转换为LVDC才能运行。LVDC还应用于高功率领域，例如工作电压为400伏直流的大功率电动汽车充电桩；数据中心运营也正考虑采用类似直流电压方案[18]。
20世纪初，曾有基于低压直流（LVDC）的电网投入运行，但如今这类电网已极为罕见。历史上，直流电网普及受限于多重因素：缺乏统一标准、直流电器稀缺以及直流电压调节困难。如今这一局面正在改变：多数电器已适配直流供电，电力电子转换器使电压转换变得简单且成本低廉，基于直流的电源如电池和太阳能光伏系统正迅速普及。
鉴于直流电近期在效率上超越交流电，低压直流配电系统正重新受到关注。欧盟直流电网项目[19]等研究正致力于解决直流电网大规模应用前必须攻克的技术难题。
传统上，中压直流技术未被视为电力系统运行的一部分：它既无法解决高压直流技术所能应对的长距离电网挑战，也未能提供推动低压直流技术普及的终端使用效率优势。中压直流技术仅限于船舶系统和铁路应用领域。
如今，中压直流技术在电网中的应用备受关注，因其能缓解老旧配电系统的容量瓶颈，助力构建更可持续的电力基础设施[20]。基于直流的高功率发电机和储能设备正大量涌入电力系统，中压直流技术有助于应对基于逆变器资源的电力系统运行所面临的复杂挑战[21]。表1-1总结了高压直流与中压直流电力系统之间的若干关键差异。
电流/操作系统基金会1与开放直流联盟(ODCA)2正通过构建参与企业生态系统及制定技术指南[22]、[23]，积极推广配备分布式能源的低压直流供电系统。这些通过多个试点项目验证的指南旨在通过确保设备互操作性和安装安全性来补充IEC标准。虽然两种系统在电压范围和分散式电压下垂控制等方面具有共同技术特征，但在系统接地等其他方面存在差异，这反映了各组织所针对的不同应用场景。
中压直流电压尚未标准化。普遍认为中压直流始于1.5千伏以上电压，尽管IEEE标准建议以3.2千伏为起点[24]。中压直流向高压直流的过渡界定更为模糊：交流系统中压通常指1千伏至52千伏区间，而IEC当前正考虑将高压直流起点定义为100千伏以上[25]。
图2-2展示了一个完整的直流电网段示例，其运行范围涵盖高压直流至低压直流。低压直流作为终端消费设备及低功率应用的"安全电压"；中压直流用于更高功率等级及配电级互联；高压直流则用于长距离互联和大容量电力传输。
2.4.2全直流电力系统？
关于整个电力系统最终是否将基于直流技术，存在显著分歧。一方面，鉴于大量新建发电设施将采用直流技术，且现代负荷多为直流负荷，加之本节前文所述直流技术的其他优势，电力系统向全直流网络演进似乎顺理成章。图2-3展示了此类网络的示例。
另一方面，当前电力系统完全基于交流技术构建，直流技术仍局限于电力系统的孤立环节。将整个系统（包括既有设备和运行实践）转型为直流系统是项艰巨任务，部分观点认为短期内难以实现。此外，全直流电力系统的运行仍面临重大技术挑战。
1https://currentos.org
2https://odca.zvei.org
特性 | 高压直流（输电） | 中压直流（配电） |
主要 目标 | 长距离大容量电力传输 | 局部化、高可靠性电力分配与负载接口 |
拓扑 结构 | 稀疏型、点对点或有限多点终端 | 密集分支、放射状、环形、混合型或可重构 |
故障 特性 | 罕见但高能量；集中式故障检测与全段隔离 | 频繁、低能量故障；快速、 局部化检测与隔离 |
保护 策略 | 系统或线路层面的选择性保护线路级 | 精细化保护可延伸至馈线、 分支或转换器段 |
基础设施模型 | 集中控制与保护方案（如主控站、SCADA系统） | 分布式智能嵌入于转换器、继电器和直流断路器 |
连续性优先级 | 系统级稳定性与大面积停电预防 | 关键负载的服务连续性与本地弹性 |
集成 环境 | 全系统稳定性与大面积停电预防整合 | 频繁交流耦合与分布式能源整合；与现有基础设施的互操作性 基础设施 |
图2-2 | 采用不同电压等级应用的全直流电网段示例
尽管向直流电过渡的确切终点尚不明确，但其在电力系统中的应用几乎肯定会持续增长。高压直流技术已在长距离输电领域获得广泛认可和部署；下一阶段将涉及电网运营商知识的积累以及中压直流技术的更广泛应用。
第3章 中压直流电网
更具体而言，作为电网运营的下一代解决方案，中压直流电网具备增强容量、高能效、优异电能质量、优化空间效率、先进控制能力及可适配网络配置等特性。这些优势共同使中压直流技术得以突破传统交流系统的局限。作为整合可再生能源、分布式能源及储能系统的枢纽，MVDC电网特别适用于城市与区域应用场景。其创新特性有望从根本上变革电网结构与运行模式，成为加速迈向全电气化社会的催化剂。
图3-1展示了融合MVDC技术及子系统的电力系统示例。
3.1中压直流电网的独特特性
中压直流电网在高压直流电网系统与低压直流应用之间占据独特地位。以下特征从技术、运行规模及应用重点三个维度，彰显了中压直流电网与高压直流及低压直流的差异性。
▪ 电网级聚焦。高压直流专攻长距离输电，低压直流侧重用户级设备与网络，而中压直流电网则强调线路、换流器、保护装置、控制机制及储能系统等多重电网组件的系统性集成。该类电网设计为协同运作的网络体系，满足中规模配电需求。
▪中压应用场景。中压直流电网运行于中压范围，填补了高压直流系统（适用于高压大容量输电）与低压直流系统（优化低压终端用户应用）之间的空白。该电压区间使中压直流在效率与可扩展性均至关重要的场景中表现卓越：城市电网、工业园区及区域性网络。
▪分布式能源支持。中压直流电网能在系统层面高效整合分布式能源资源——如储能系统、可再生能源发电及电动汽车基础设施。不同于高压直流侧重大容量输电或低压直流局限于单一设备运行，中压直流电网可实现多个分布式能源在更大电网网络中的协同运作。
▪主动网络管理。MVDC电网融合先进控制与实时管理能力，可优化功率流并动态响应负荷与发电波动。这种系统化方法赋予其更高运行灵活性，超越了HVDC和LVDC系统更具针对性的聚焦模式。
▪灵活可扩展的架构。MVDC电网采用模块化适配架构，支持城市电网、工业系统及混合交流/直流网络等多元应用场景。这种特性使其成为区域配电网络的理想选择——既满足高效运行与灵活调度的需求，又避免与高压直流输电（HVDC）的高压传输定位及低压直流（LVDC）的局部应用范围产生重叠。
▪节能降损。通过采用直流技术，中压直流电网既降低了交流配电的能量损耗，又提升了功率密度。这种特性弥补了高压直流在长距离输电和低压直流在局部配电中的效率优势，精准满足中规模应用的效能需求。
▪优化材料使用。同等容量下，中压直流电网所需的铜材与钢材基础设施远少于中压交流电网。
3.2中压直流电网的优势
中压直流电网为传统交流系统面临的诸多挑战提供了更高效、更灵活的解决方案。其在降低能量损耗、提升电网容量、整合可再生能源以及适应直流供电的负载方面具有显著价值。第3.2.6节至3.2.6节阐述了MVDC电网系统的主要优势。
3.2.1更优地整合可再生能源与直流负载
中压直流电网的重要优势之一在于其能够直接整合可再生能源（如太阳能和风能），同时兼容直流负载与储能设备。随着全球日益依赖可再生能源，能源转换与传输效率变得至关重要。当中压直流电网直接连接直流发电与直流负载时，能有效降低能量损耗，从而提升系统效率。
中压直流电网采用的电力转换器能更精准地调控功率流与电压，有望减少设备数量，从而缩减电网与可再生能源系统间互联基础设施所需的物理空间。
3.2.2解决配电走廊难题
随着城市人口增长和经济扩张，电力需求持续攀升。在许多城市，现有交流配电基础设施尚未适应需求增长便已不堪重负。中压直流电网在城市配电领域具有多重优势，尤其适用于新建输电线路空间受限的拥挤区域。
传统交流电网面临输电容量有限、新线路空间不足等挑战。同等规格铜导体的MVDC系统可承载至少两倍于MVAC系统的电力，从而将输电距离延长至2.4倍[26]。由此可大幅减少新建大型昂贵输电线路的需求。中压直流电网还能提升现有基础设施走廊（或地下电缆空间）的承载能力，为扩容配电网络提供经济高效的解决方案，无需对交流电网进行复杂昂贵的升级改造。
3.2.3降低输电损耗与扩大供电覆盖范围
MVDC最显著的特性在于相较交流系统能降低能量损耗——直流输电规避了交流固有的损耗问题。交流损耗随距离增加而扩大，通常需采用更大截面导体或增设变电站。
与交流系统相比，直流配电系统更能有效扩展城市供电范围，在相同电压降条件下覆盖更广区域。这在土地稀缺且昂贵的城市扩张中具有关键优势。随着城市发展，新建输电线路和变电站日益困难。直流配电网提供更灵活高效的解决方案，在扩大覆盖范围的同时最大限度减少新建昂贵基础设施的需求。
与交流系统不同，中压直流电网采用非同步运行模式，无需匹配现有交流电网的相位与频率，从而简化了其与交流/直流系统的集成过程。
中压直流电网可通过直流-直流转换器直接对接低压直流和高压直流系统，省去中间交流电网的连接环节。这减少了转换阶段，提升了整体系统可靠性。中压直流电网还能连接不同类型的网络——包括本地可再生能源网络和孤岛电网——从而提高整体配电效率。
因此，中压直流电网在连接不同电网类型时具备更高灵活性，且无需复杂的同步操作。
3.2.5提升中压交流配电系统的电能质量
在某些情况下，中压直流系统可提升现有中压交流电网的电能质量与整体稳定性。其能有效隔离电压跌落、抑制谐波畸变并补偿无功功率问题。这些改进对医院、数据中心、半导体工厂及其他需要高度稳定可靠电源的敏感负载尤为重要。
中压直流系统还能为特定高功率交流负载提供定制化电源，满足其对可靠性与电能质量的严苛要求。通过全面的电能质量控制，中压直流电网确保敏感行业获得稳定优质的电力，实现最佳运行状态。
3.2.6提升基础设施可持续性
基于MVDC的电力系统因传输容量更大，所需原材料比交流系统更少。同等容量的直流电缆或线路所需铜材、铝材和钢材仅为交流电缆或线路的一半。类似地，直流电压转换设备使用的铜材和钢材远少于传统交流变压器：据估算，交流系统每千兆伏安（GVA）需消耗25,000吨材料，而直流系统仅需1,500吨[27]。
3.3MVDC系统市场
直流供电技术市场整体规模庞大：2023年全球直流配电技术市场价值约190亿美元，预计将以约8%的复合年增长率（CAGR）持续扩张，到2030年达到310亿美元[28]，[29]。这些预测表明全球所有市场都将实现增长，其中欧洲市场增速略快，这得益于欧洲各国政府对能源转型的承诺。尽管相关研究未将中压直流（MVDC）与更广泛的"直流配电"类别区分开来，但中压直流应用预计将占据该需求的重要份额。
多种市场因素将推动中压直流技术的商业化应用。国际大电网会议（CIGRE）对全球电力系统运营商的调查[30]显示，中压直流技术发展的主要驱动力包括：可再生能源并网规模扩大、交流电网互联、电动汽车及储能电池等新型直流负荷增长，以及高密度城市配电网的强化。
第3.3.1至3.3.3节将深入探讨这些应用的商业市场。
3.3.1兆瓦级负荷
随着电力系统向全电气化社会转型，兆瓦级负荷数量预计将显著增长。
3.3.1.1电动汽车充电
兆瓦级终端应用的关键范例之一是电动汽车充电。几乎所有主要卡车制造商都计划在未来几年推出电池电动卡车。长途运输对充电系统、能源供应和配套基础设施提出了重大挑战。
为解决这些问题，兆瓦级充电系统（MCS）正处于研发与标准化阶段。该系统最初设计支持1兆瓦充电功率，MCS最终将支持最高3.75兆瓦功率，工作电压达1250伏[31]。MCS站点将主要部署于主干公路沿线。
3.75兆瓦，最高电压达1250伏[31]。MCS站点将主要部署于中央高速公路沿线。
在欧洲，预计到2030年电动卡车渗透率达到15%时，需在电力需求最高的地点为20个MCS充电桩提供高达12兆瓦的连接[32]。高速公路服务站可集中部署多个充电桩。这将形成重大新增网络负荷，中压直流电网或可助力应对。
相关市场应用还涉及将本地可再生能源发电与大功率电动汽车充电整合。受空间限制常建于高速公路附近的风力涡轮机和公用事业规模光伏系统，可通过MVDC直接为MCS充电站供电——既减少转换损耗又提升整体效率。
全球范围内，兆瓦级电动汽车充电基础设施预计将在未来十年快速扩张。仅欧盟就计划在2030年前安装2800个高速公路充电站点，预计总装机容量达7.5GW [33]。图3-2展示了欧洲各国兆瓦级卡车充电设施部署的进一步估算。
3.3.1.2电解槽
通过水电解制取氢气是氢能经济的重要支柱之一。电解过程能耗极高，需要大功率直流输入。电解槽可能同时在配电电压（MV）和高压（HV）规模运行。中压直流（MVDC）技术也可用于将电解槽直接连接至附近的可再生能源发电装置。
全球电解槽项目数量持续增长。仅2023年就宣布了600个项目，总装机容量达160吉瓦，年需求量增长近3%[34]。预计未来十年电解厂平均规模将从目前的数十兆瓦提升至数百兆瓦[34]。
3.3.1.3数据中心
数据中心作为主要能源消耗者，多数运行规模达兆瓦级。采用中压直流技术可消除多级交流-直流转换环节，通过减少转换损耗提升能源效率。该技术还能提高设备功率密度，在固定空间内实现更高功率承载能力，并缩减现场电缆尺寸。
当前众多数据中心正与大型可再生能源发电设施实现共址部署。与此同时，主要数据中心运营商承诺在同一电网内全天候采购零碳电力。中压直流技术特别适用于实现发电端与数据中心负载的直接连接。
受人工智能（AI）崛起和云计算持续增长的推动，全球数据中心市场预计将快速扩张。仅在美国，数据中心能源需求就预计将翻倍以上，从2022年的17吉瓦增至2030年的35吉瓦[35]。2022年全球数据中心市场规模达1948.1亿美元，预计到2030年将以10.9%的复合年增长率持续扩张[36]。
3.3.2可再生能源发电
中压直流（MVDC）技术可用于构建高效的可再生能源收集电网，包括光伏系统。由于光伏组件输出本质为直流电，MVDC通过减少并网所需的直流-交流或交流-直流转换步骤，从而降低转换损耗，提升整体效率。采用直流供电并提升电压等级至中压（通过DC/DC转换器）还可降低传输损耗，实现更高效的长距离能量传输。通过消除基于变压器的交流系统在夜间产生的变压器损耗，进一步提升了传输效率。
如本文前文所述，MVDC还能在相同规模基础设施下实现更大输电容量，降低可再生能源发电设施的互联成本。
鉴于这些优势，中压直流技术在大型太阳能电站内部及电网互联领域的应用正日益受到关注[37]。2022年全球基于直流的公用事业规模光伏装机容量达584吉瓦，预计将以15%的复合年增长率迅猛增长，到2030年达到约1800吉瓦[3]。
MVDC技术对海上风电并网同样具有重要意义。全球公用事业规模海上风电装机容量预计未来十年将实现爆发式增长：2023年装机容量为945吉瓦，预计以6.6%的复合年增长率持续攀升，到2030年将达到约1480吉瓦。截至2023年末，海上风电装机容量为75吉瓦，预计将以28%的复合年增长率增长，到2030年将达到380吉瓦[38]。
如图 3-3 所示，中压直流技术甚至可能消除对海上转换站的需求，从而降低海上风电项目部署的成本和复杂性。
指示性电压水平基于现有交流风电场和拟议的直流设计。中压直流汇流装置需要配备直流发电风力涡轮机，或在每台涡轮机上安装交流-直流转换器。
3.3.3 电池储能
中压直流技术可直接应用于大型电池储能系统（BESS）项目。通过在中压层级直接连接储能设备，该技术能使BESS系统更高效地提供频率控制/管理及黑启动能力，且无需变压器等交流专用设备。中压直流还可实现电池储能与可再生能源发电机的直接耦合，相较传统交流连接方案具有效率优势。2023年全球公用事业级电池储能装机容量达26吉瓦，预计将以22.7%的复合年增长率持续扩张，到2030年将达到109吉瓦[7]。
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