配電網(wǎng)電力電子化的表現(xiàn)形態(tài)及影響分析

趙敏　李順昕　岳云力　李博　董少嶠

摘要：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和用戶供電要求的提高，配電網(wǎng)逐步呈現(xiàn)出電力電子化的發(fā)展趨勢(shì)。文章梳理了當(dāng)前配電網(wǎng)電力電子化的主要表現(xiàn)形態(tài)，分析了電力電子技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)給配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、控制、保護(hù)和運(yùn)維等方面帶來(lái)的影響。

關(guān)鍵詞：電力電子；配電網(wǎng)；分布式電源；電能質(zhì)量；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM73 文章編號(hào)：1009-2374（2017）01-0149-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.072

1 概述

電力電子技術(shù)通過(guò)使用電力電子器件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的靈活變換和控制。隨著電力電子器件和變流控制技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)日益廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)，推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)。在配電網(wǎng)中，新能源發(fā)電和儲(chǔ)能的大量接入以及用戶對(duì)供電的多元化需求，促使配電網(wǎng)逐步電力電子化，給智能配電網(wǎng)的運(yùn)行控制和管理維護(hù)帶來(lái)了一系列新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

配電網(wǎng)電力電子化具有多種表現(xiàn)形式。每種表現(xiàn)形式都有其側(cè)重點(diǎn)。在下文中，首先從設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)兩個(gè)層面梳理配電網(wǎng)電力電化的主要表現(xiàn)形態(tài)及其特點(diǎn)，然后分析電力電子技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)給配電網(wǎng)帶來(lái)的各方面影響，以推進(jìn)智能配電網(wǎng)與電力電子技術(shù)相關(guān)研究工作，并為電網(wǎng)企業(yè)及有關(guān)設(shè)備研發(fā)和制造企業(yè)提供技術(shù)依據(jù)和管理參考。

2 配電網(wǎng)電力電子化的主要表現(xiàn)形態(tài)

2.1 設(shè)備級(jí)

2.1.1 DFACTS裝置。DFACTS技術(shù)是FACTS（Flexible AC transmission system，基于電力電技術(shù)的柔性交流輸電系統(tǒng)）技術(shù)在配電網(wǎng)應(yīng)用的延伸，主要目的是改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量。DFACTS設(shè)備主要包括配電靜止無(wú)功補(bǔ)償器（D-STATCOM）、有源濾波器（APF）、固態(tài)開關(guān)（包括固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)、固態(tài)斷路器和固態(tài)限流器，即SSTS、SSB和SSLC）以及動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）等。配電靜止無(wú)功補(bǔ)償器是一種并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置，通過(guò)與配電網(wǎng)的無(wú)功交換，實(shí)現(xiàn)調(diào)控系統(tǒng)電壓、抑制電壓擾動(dòng)以及減小電壓諧波等。有源濾波器可動(dòng)態(tài)抑制諧波以及補(bǔ)償無(wú)功。固態(tài)開關(guān)可快速隔離故障。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器可抑制電壓波動(dòng)、不平衡以及諧波對(duì)負(fù)荷的影響。

2.1.2 分布式發(fā)電和儲(chǔ)能的并網(wǎng)裝置。多種分布式發(fā)電單元和儲(chǔ)能發(fā)電單元接入電網(wǎng)需要應(yīng)用電力電子技術(shù)。以接入交流配電網(wǎng)為例，光伏發(fā)電、燃料電池需要DC/AC逆變器，小型風(fēng)力發(fā)電需要AC/DC/AC變換器。

2.1.3 電力電子變壓器。電力電子變壓器指采用電力電子換流器及中高頻變壓器實(shí)現(xiàn)的新型變電裝置，在完成常規(guī)變壓器變壓、隔離和能量傳遞等功能的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)潮流控制和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等功能。從拓?fù)漕愋蜕?，分為AC/AC型和AC/DC/DC/AC型。

2.2 系統(tǒng)級(jí)

2.2.1 微電網(wǎng)。微電網(wǎng)是有效利用分布式電源（包括分布式發(fā)電和儲(chǔ)能）的一種方式。不同國(guó)家和組織對(duì)微電網(wǎng)的定義因本地需求、科研水平等因素的不同而有所差異，但是整體來(lái)看，微電網(wǎng)具有如下基本特征：包含分布式電源和負(fù)荷；應(yīng)用電力電子技術(shù)；既可以工作在并網(wǎng)狀態(tài)下，又可以工作在離網(wǎng)狀態(tài)下，對(duì)外電網(wǎng)表現(xiàn)為一個(gè)整體；滿足用戶需求，提供穩(wěn)定、安全和可靠的電能。相較于分布式電源直接由配電網(wǎng)管理，微電網(wǎng)給接入配電網(wǎng)的分布式電源帶來(lái)了新的運(yùn)行

模式。

2.2.2 柔性直流輸電。柔性直流輸電指采用IGBT、IGCT等全控電力電子器件構(gòu)成電壓源型換流器（Voltage Source Converter，VSC）進(jìn)行換流的直流輸電技術(shù)，又稱為輕型直流、新型直流、電壓源換流器型高壓直流輸電。它可對(duì)有功和無(wú)功獨(dú)立進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，可以向無(wú)源交流網(wǎng)供電，也可以支撐弱交流系統(tǒng)。具體而言，可用于風(fēng)力和光伏并網(wǎng)發(fā)電、向孤島或者海上鉆井平臺(tái)供電、城市供電、異步互聯(lián)以及多端直流互聯(lián)等。

2.2.3 交直流配電網(wǎng)。又稱為交直流混合配電網(wǎng)、交直流混合配電網(wǎng)系統(tǒng)等。指采用電力電子技術(shù)將交流配電網(wǎng)和直流配電網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)所構(gòu)成的混合電網(wǎng)。主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為輻射型、鏈型和環(huán)型結(jié)構(gòu)。應(yīng)用于交直流配電網(wǎng)組網(wǎng)的裝置可以是AC/DC、DC/AC等變換器，也可以是電力電子變壓器等。

2.2.4 能源互聯(lián)配電網(wǎng)。相當(dāng)于將能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于配電網(wǎng)中，直接接入各類用戶，將電力電子設(shè)備與通信技術(shù)相結(jié)合，采用通信技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的重要信息進(jìn)行匯集。能量路由器是能源互聯(lián)配電網(wǎng)的核心設(shè)備，可聯(lián)結(jié)中壓配電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)，聯(lián)結(jié)交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，交直流負(fù)荷的靈活接入和管理，分布式電源的接入和消納。通過(guò)對(duì)多電平電力電子變壓器的改進(jìn)和功能整合，可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)能量路由器的基本功能。

3 配電網(wǎng)電力電子化的影響分析

3.1 電能質(zhì)量

配電網(wǎng)一部分電力電子裝置專門用于改善電能質(zhì)量，例如DFACTS裝置；而另一部分電力電子裝置則會(huì)惡化電能質(zhì)量，特別是產(chǎn)生諧波污染，例如含整流裝置的電力電子設(shè)備。諧波的來(lái)源主要分為兩種：一種是特征性諧波；另一種是非特征性諧波。前者可由質(zhì)量較差的并網(wǎng)電源、整流裝置、變頻裝置、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等設(shè)備運(yùn)行引起，后者可由配電網(wǎng)系統(tǒng)的不對(duì)稱運(yùn)行、電力電子開關(guān)器件和觸發(fā)脈沖不對(duì)稱、驅(qū)動(dòng)電路及緩沖電路參數(shù)不對(duì)稱等原因引起。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性

相對(duì)于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，電力電子化后的配電網(wǎng)在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面有以下特點(diǎn)：一是頻率動(dòng)態(tài)變化范圍較大，可從工頻附近一直到上千赫茲；二是由于用于改善電力電子裝備接入后電能質(zhì)量的各類濾波器的使用，容易造成系統(tǒng)諧振問(wèn)題；三是由于電網(wǎng)特性變化、電壓穩(wěn)定等過(guò)渡過(guò)程縮短；四是由于電力電子裝置相對(duì)于同步發(fā)電機(jī)缺乏自然慣性，因此當(dāng)一部分分布式發(fā)電單元、儲(chǔ)能和負(fù)荷形成一個(gè)小系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題會(huì)尤為突出。

3.3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

由于電力電子裝置靈活的變流能力，對(duì)交直流和多電平的高度集成以及模塊化組裝能力，配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)將會(huì)更加復(fù)雜和多樣化。隨之帶來(lái)的是低壓配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)率和轉(zhuǎn)供能力的提升，更高的供電可靠性，更加靈活的運(yùn)行方式，更貼近用戶多元化需求的供電服務(wù)以及更強(qiáng)大的風(fēng)險(xiǎn)抵御能力。

3.4 控制

高可控性是電力電子設(shè)備的一個(gè)較為普遍的特點(diǎn)，同時(shí)也是電力電子化配電網(wǎng)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。通常，電力電子化的配電網(wǎng)控制呈現(xiàn)分層分級(jí)的特點(diǎn)，例如設(shè)備級(jí)、局部系統(tǒng)級(jí)（例如對(duì)一個(gè)微電網(wǎng)、一套柔性直流輸電、一個(gè)電力電子變壓器及其所連接的分布式發(fā)電單元、儲(chǔ)能和負(fù)荷構(gòu)成的整體）和配電網(wǎng)級(jí)，甚至更加復(fù)雜的層級(jí)劃分。從控制的體系上來(lái)講，通常可分為集中式控制和分散式控制。目前，集中式控制在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用得更為廣泛，也更容易實(shí)現(xiàn)。

3.5 保護(hù)

一方面，部分電力電子設(shè)備具有快速閉鎖能力，使得短路容量減小；另一方面，分布式電源的接入，能量從傳統(tǒng)電網(wǎng)的單向流動(dòng)變?yōu)殡p向流動(dòng)，改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的短路容量分布情況，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)配置和重合閘策略等不再適用。鑒于電力電子化后的配電網(wǎng)復(fù)雜多樣的運(yùn)行方式，在進(jìn)行保護(hù)配置和重合閘設(shè)置時(shí)，需盡可能全面地考慮可能出現(xiàn)的各種故障情形，靈活運(yùn)用部分電力電子設(shè)備的快速閉鎖能力，做好設(shè)備和系統(tǒng)級(jí)保護(hù)的配合。

3.6 運(yùn)維

由于電力電子設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境要求更加苛刻，控制更加復(fù)雜，因此相對(duì)于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，電力電子化后的配電網(wǎng)更需要精細(xì)化運(yùn)維，對(duì)運(yùn)維人員的業(yè)務(wù)水平要求也更高。現(xiàn)階段，當(dāng)投運(yùn)的電力電子設(shè)備出現(xiàn)故障后，通常需要生產(chǎn)廠家甚至研發(fā)單位的專業(yè)技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)?shù)毓╇娋值倪\(yùn)維檢修人員配合，才能完成相關(guān)電力電子設(shè)備的更換和調(diào)試。未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)一線電力員工關(guān)于電力電子設(shè)備運(yùn)維技術(shù)的普及。

4 結(jié)語(yǔ)

配電網(wǎng)電力電子化是當(dāng)前配電網(wǎng)發(fā)展的方向，也是未來(lái)配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化以及清潔化的重要手段。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及用戶對(duì)供電各方面要求的提升，DFACTS裝置、分布式發(fā)電和儲(chǔ)能的并網(wǎng)裝置、電力電力變壓器等電力電子設(shè)備以及微電網(wǎng)、柔性直流輸電、交直流配電網(wǎng)以及能源互聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)構(gòu)想逐步應(yīng)用于配電網(wǎng)，給已有配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、控制、保護(hù)和運(yùn)維等方面帶來(lái)了一系列影響。如何實(shí)現(xiàn)新型電力電子技術(shù)與當(dāng)前配電網(wǎng)的良好對(duì)接和融合，充分發(fā)揮電力電子技術(shù)在提升配電網(wǎng)靈活性、高可控性、滿足用戶多元化需求、消納分布式電源等方面的優(yōu)勢(shì)，是需要不斷開展研究和實(shí)踐探索的。

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作者簡(jiǎn)介：趙敏（1988-），女，安徽巢湖人，國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院工程師，研究方向：微電網(wǎng)、分布式電源、配電網(wǎng)規(guī)劃。

（責(zé)任編輯：小 燕）