城市交直流混合配電網(wǎng)的發(fā)展及應用技術

何文志

經(jīng)濟全球化快速發(fā)展，城市規(guī)模越來越大，電能需求持續(xù)增長，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。隨著電力電子技術的快速發(fā)展，關鍵技術問題不斷突破，交直流混合用電技術及經(jīng)濟優(yōu)勢逐漸凸顯。本文根據(jù)當下城市用能形勢，分析了交直流混合供電模式、交直流電能轉換裝備、直流電開斷裝置及系統(tǒng)運行控制等4個方面，對當前理論及應用情況進行了論述。最后，對城市交直流混合配電網(wǎng)的未來研究方向進行了展望。

交直流混合;配電系統(tǒng);電力電子技術;運行控制

0引言

近年來隨著能源革命的進行，以新能源為代表的清潔能源在實現(xiàn)我國能源轉型中起著至關重要的作用。隨著城市化的進程，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)空調負荷耗能在高峰期占比超過40%，當前，以變頻空調、IT 類負載及電動汽車為代表的廣義直流負荷正蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)交流配用電系統(tǒng)存在“源-荷-儲”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機制及靈活調控手段等問題。

目前城市配電網(wǎng)的網(wǎng)架結構單一，供電可靠性還有待進一步提高。為適應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能設備接入的配電網(wǎng)發(fā)展。發(fā)展以分布式可再生能源為核心，實現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調優(yōu)化運行的新型城市配用電系統(tǒng)，并在不斷擴大的城市供電中發(fā)揮安全、穩(wěn)定、充足的能源供應，為經(jīng)濟提供源源不斷的動力。研究交直流混合供電模式、交直流電能轉換裝備、直流電開斷裝置及運行控制策略，對未來大規(guī)模應用交直流混合配電網(wǎng)做好充足的技術儲備。

2 交直流混合供電模式

在電力電子技術快速發(fā)展的驅動下，直流配用電技術被廣泛研究，直流配用電系統(tǒng)具有結構簡單、損耗小、供電質量優(yōu)等特點?，F(xiàn)階段的配用電系統(tǒng)中存在大量交流電源及設備，完全進行直流配用電系統(tǒng)的改造不具備經(jīng)濟性，因此，在現(xiàn)有的交流配用電系統(tǒng)的基礎上，發(fā)展交直流混合配用電系統(tǒng)成為目前最為經(jīng)濟、可行的方案。交直流混合配用電系統(tǒng)結合了交流及直流的優(yōu)點，能夠有效的減少分布式可再生能源、廣義直流負荷電能轉換過程中的中間環(huán)節(jié)。

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

3 交直流電能轉換裝備

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

電力電子變壓器作為實現(xiàn)多種電壓等級的交直流端口間的能量相互轉換流動，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，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并聯(lián)、高壓側串聯(lián)的模塊化串并聯(lián)結構，低壓側采用并聯(lián)的結構可以高效率的擴容;高壓側采用串聯(lián)結構直接升壓至中壓配電網(wǎng)電壓等級，并且以多電平的形式出現(xiàn)，有利于減小濾波電感。內部系統(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技術，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。

4 直流電開斷裝置

在交直流混合系統(tǒng)中，直流母線的保護是保障系統(tǒng)安全運行的關鍵技術。由于直流短路電流沒有過零點，滅弧十分困難。直流斷路器技術也不斷發(fā)展，目前主要分為機械式直流斷路器、固態(tài)式直流斷路器和混合式直流斷路器。其中機械式直流斷路器具有開關通態(tài)損耗低、開斷時間較長特點，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。混合式直流斷路器結合機械式直流斷路器和固態(tài)式直流斷路器的優(yōu)點，廣泛應用于直流保護中。

5 運行控制策略

交直流混合配電系統(tǒng)中對運行控制策略采用分層分布式控制架構，設計有就地層、協(xié)調控制層、能量管理層、運營管理層共計四層。其中，就地層、協(xié)調控制層和能量管理層為站級控制體系，主要實現(xiàn)對單個交直流混合配電網(wǎng)進行優(yōu)化運行;運營管理層為云端運營級，主要實現(xiàn)對多個交直流混合配電網(wǎng)進行統(tǒng)一運營管理和調度。就地層主要包括：分布式可再生能源、儲能、負荷、電力電子變壓器、直流斷路器等一次設備;協(xié)調控制層主要包括：多能協(xié)調控制系統(tǒng)、區(qū)域就地控制器、交流保護裝置、直流保護裝置等設備;能量管理層主要為“源-網(wǎng)-荷-儲”能量管理系統(tǒng);運營管理層基于云平臺實現(xiàn)，部署基于云平臺的分布式可再生能源運行管理系統(tǒng)。 同時，考慮“源-網(wǎng)-荷-儲”能量管理系統(tǒng)與云平臺的集成度，將能量管理系統(tǒng)與云平臺系統(tǒng)統(tǒng)一部署在云平臺中。

6 結論

城市用電需求不斷增長，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能力的一種有力措施。隨著科技發(fā)展和相關電力電子技術瓶頸的不斷突破，研究及推廣交直流混合配用電技術成為可能。本文詳細分析了交直流混合供電模式、交直流電能轉換裝備、直流電開斷裝置及系統(tǒng)運行控制等方面，對當前理論及應用進行了論述。希望上述分析對未來建設交直流混合配電網(wǎng)提供有益思考，不斷優(yōu)化城市供電系統(tǒng)。

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