何文志

經(jīng)濟(jì)全球化快速發(fā)展，城市規(guī)模越來越大，電能需求持續(xù)增長(zhǎng)，發(fā)展分布式可再生能源接入配電網(wǎng)系統(tǒng)是改善城市用電需求緊張的一種有效途徑。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)問題不斷突破，交直流混合用電技術(shù)及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯。本文根據(jù)當(dāng)下城市用能形勢(shì)，分析了交直流混合供電模式、交直流電能轉(zhuǎn)換裝備、直流電開斷裝置及系統(tǒng)運(yùn)行控制等4個(gè)方面，對(duì)當(dāng)前理論及應(yīng)用情況進(jìn)行了論述。最后，對(duì)城市交直流混合配電網(wǎng)的未來研究方向進(jìn)行了展望。

交直流混合;配電系統(tǒng);電力電子技術(shù);運(yùn)行控制

0引言

近年來隨著能源革命的進(jìn)行，以新能源為代表的清潔能源在實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型中起著至關(guān)重要的作用。隨著城市化的進(jìn)程，越來越多的人居住在城市，城市用電量不斷增加。城市地區(qū)空調(diào)負(fù)荷耗能在高峰期占比超過40%，當(dāng)前，以變頻空調(diào)、IT 類負(fù)載及電動(dòng)汽車為代表的廣義直流負(fù)荷正蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)交流配用電系統(tǒng)存在“源-荷-儲(chǔ)”接入傳統(tǒng)交流電網(wǎng)變流環(huán)節(jié)多、損耗高、融合難，以及多種分布式能源欠缺互補(bǔ)機(jī)制及靈活調(diào)控手段等問題。

目前城市配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單一，供電可靠性還有待進(jìn)一步提高。為適應(yīng)城市用電的不斷攀升，滿足城市用電多元化需求，充分利用各種分布式可再生能源，未來城市配電網(wǎng)需進(jìn)一步更新?lián)Q代，向交直流混合的、可供廣泛可再生能源及儲(chǔ)能設(shè)備接入的配電網(wǎng)發(fā)展。發(fā)展以分布式可再生能源為核心，實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行的新型城市配用電系統(tǒng)，并在不斷擴(kuò)大的城市供電中發(fā)揮安全、穩(wěn)定、充足的能源供應(yīng)，為經(jīng)濟(jì)提供源源不斷的動(dòng)力。研究交直流混合供電模式、交直流電能轉(zhuǎn)換裝備、直流電開斷裝置及運(yùn)行控制策略，對(duì)未來大規(guī)模應(yīng)用交直流混合配電網(wǎng)做好充足的技術(shù)儲(chǔ)備。

2 交直流混合供電模式

在電力電子技術(shù)快速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，直流配用電技術(shù)被廣泛研究，直流配用電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗小、供電質(zhì)量?jī)?yōu)等特點(diǎn)?，F(xiàn)階段的配用電系統(tǒng)中存在大量交流電源及設(shè)備，完全進(jìn)行直流配用電系統(tǒng)的改造不具備經(jīng)濟(jì)性，因此，在現(xiàn)有的交流配用電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，發(fā)展交直流混合配用電系統(tǒng)成為目前最為經(jīng)濟(jì)、可行的方案。交直流混合配用電系統(tǒng)結(jié)合了交流及直流的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效的減少分布式可再生能源、廣義直流負(fù)荷電能轉(zhuǎn)換過程中的中間環(huán)節(jié)。

針對(duì)上述新型配用電系統(tǒng)發(fā)展方向，建設(shè)交直流混合、可再生能源和儲(chǔ)能設(shè)備廣泛接入的交直流混合供電系統(tǒng)具有極大的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，該系統(tǒng)的可再生能源可包括光伏、風(fēng)機(jī)、光熱發(fā)電，儲(chǔ)能設(shè)備可為熱利用系統(tǒng)、儲(chǔ)電系統(tǒng)。通過多端口多功能電力電子變壓器實(shí)現(xiàn)多種分布式可再生能源高比例接入、交直流配用電多級(jí)混聯(lián)。通過儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱等綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)源、網(wǎng)、荷高效互補(bǔ)，同時(shí)改善多種分布式能源高比例接入對(duì)電網(wǎng)的影響。

3 交直流電能轉(zhuǎn)換裝備

目前發(fā)展快速的交直流電能轉(zhuǎn)換裝備為電力電子變壓器（power electronic transformer，PET），它是配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)交直流混聯(lián)的核心設(shè)備。PET通過高頻磁性元件、高效率電力電子拓?fù)浼夹g(shù)實(shí)現(xiàn)多端口之間的電能相互轉(zhuǎn)換及電氣隔離。PET具有體積小;可靈活實(shí)現(xiàn)不同電壓類型、電壓等級(jí)之間的雙向電能變換，有利于靈活實(shí)現(xiàn)配用電系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)優(yōu)化控制;可減少分布式能源、廣義直流負(fù)荷接入時(shí)的電能變換環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)效率;可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)控制等優(yōu)點(diǎn)。

電力電子變壓器作為實(shí)現(xiàn)多種電壓等級(jí)的交直流端口間的能量相互轉(zhuǎn)換流動(dòng)，其端口數(shù)量可以有2、3、4、5、6等，不同端口輸出或輸入不同的電流形式和電壓等級(jí)，交流電如10kV交流、380V交流等，直流電如10kV直流、±375V直流等。

電力電子變壓器采用低壓側(cè)并聯(lián)、高壓側(cè)串聯(lián)的模塊化串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，低壓側(cè)采用并聯(lián)的結(jié)構(gòu)可以高效率的擴(kuò)容;高壓側(cè)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)直接升壓至中壓配電網(wǎng)電壓等級(jí)，并且以多電平的形式出現(xiàn)，有利于減小濾波電感。內(nèi)部系統(tǒng)采用高頻變壓器隔離，有利于減小變壓器體積，提高系統(tǒng)功率密度。高頻部分采用軟開關(guān)技術(shù)，有利于提高高頻部分的效率，減少損耗。功率模塊采用碳化硅寬禁帶器件，具有耐高溫、耐高壓、高效率等特點(diǎn)。

4 直流電開斷裝置

在交直流混合系統(tǒng)中，直流母線的保護(hù)是保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。由于直流短路電流沒有過零點(diǎn)，滅弧十分困難。直流斷路器技術(shù)也不斷發(fā)展，目前主要分為機(jī)械式直流斷路器、固態(tài)式直流斷路器和混合式直流斷路器。其中機(jī)械式直流斷路器具有開關(guān)通態(tài)損耗低、開斷時(shí)間較長(zhǎng)特點(diǎn)，固態(tài)式直流斷路器主要由IGBT、IGCT、IECT、GTO等大功率電力電子器件實(shí)現(xiàn)直流的開斷，具有開斷迅速、可靠性高、通態(tài)損耗較大的特點(diǎn)?；旌鲜街绷鲾嗦菲鹘Y(jié)合機(jī)械式直流斷路器和固態(tài)式直流斷路器的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于直流保護(hù)中。

5 運(yùn)行控制策略

交直流混合配電系統(tǒng)中對(duì)運(yùn)行控制策略采用分層分布式控制架構(gòu)，設(shè)計(jì)有就地層、協(xié)調(diào)控制層、能量管理層、運(yùn)營(yíng)管理層共計(jì)四層。其中，就地層、協(xié)調(diào)控制層和能量管理層為站級(jí)控制體系，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)交直流混合配電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行;運(yùn)營(yíng)管理層為云端運(yùn)營(yíng)級(jí)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)交直流混合配電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)管理和調(diào)度。就地層主要包括：分布式可再生能源、儲(chǔ)能、負(fù)荷、電力電子變壓器、直流斷路器等一次設(shè)備;協(xié)調(diào)控制層主要包括：多能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、區(qū)域就地控制器、交流保護(hù)裝置、直流保護(hù)裝置等設(shè)備;能量管理層主要為“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”能量管理系統(tǒng);運(yùn)營(yíng)管理層基于云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，部署基于云平臺(tái)的分布式可再生能源運(yùn)行管理系統(tǒng)。 同時(shí)，考慮“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”能量管理系統(tǒng)與云平臺(tái)的集成度，將能量管理系統(tǒng)與云平臺(tái)系統(tǒng)統(tǒng)一部署在云平臺(tái)中。

6 結(jié)論

城市用電需求不斷增長(zhǎng)，發(fā)展交直流混合、可供大量分布式可再生能源接入的配電網(wǎng)系統(tǒng)是提升城市用電供應(yīng)能力的一種有力措施。隨著科技發(fā)展和相關(guān)電力電子技術(shù)瓶頸的不斷突破，研究及推廣交直流混合配用電技術(shù)成為可能。本文詳細(xì)分析了交直流混合供電模式、交直流電能轉(zhuǎn)換裝備、直流電開斷裝置及系統(tǒng)運(yùn)行控制等方面，對(duì)當(dāng)前理論及應(yīng)用進(jìn)行了論述。希望上述分析對(duì)未來建設(shè)交直流混合配電網(wǎng)提供有益思考，不斷優(yōu)化城市供電系統(tǒng)。

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