配電網電力電子化的表現形態及影響分析

趙敏　李順昕　岳云力　李博　董少嶠

摘要：隨著電力電子技術的發展和用戶供電要求的提高，配電網逐步呈現出電力電子化的發展趨勢。文章梳理了當前配電網電力電子化的主要表現形態，分析了電力電子技術應用于配電網給配電網的電能質量、系統穩定性、網架結構、控制、保護和運維等方面帶來的影響。

關鍵詞：電力電子；配電網；分布式電源；電能質量；電力系統 文獻標識碼：A

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

1 概述

電力電子技術通過使用電力電子器件，可實現對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的發展，電力電子技術日益廣泛地應用于電力系統，推進智能電網建設。在配電網中，新能源發電和儲能的大量接入以及用戶對供電的多元化需求，促使配電網逐步電力電子化，給智能配電網的運行控制和管理維護帶來了一系列新的機遇和挑戰。

配電網電力電子化具有多種表現形式。每種表現形式都有其側重點。在下文中，首先從設備級和系統級兩個層面梳理配電網電力電化的主要表現形態及其特點，然后分析電力電子技術應用于配電網給配電網帶來的各方面影響，以推進智能配電網與電力電子技術相關研究工作，并為電網企業及有關設備研發和制造企業提供技術依據和管理參考。

2 配電網電力電子化的主要表現形態

2.1 設備級

2.1.1 DFACTS裝置。DFACTS技術是FACTS（Flexible AC transmission system，基于電力電技術的柔性交流輸電系統）技術在配電網應用的延伸，主要目的是改善配電網電能質量。DFACTS設備主要包括配電靜止無功補償器（D-STATCOM）、有源濾波器（APF）、固態開關（包括固態轉換開關、固態斷路器和固態限流器，即SSTS、SSB和SSLC）以及動態電壓調節器（DVR）等。配電靜止無功補償器是一種并聯無功補償裝置，通過與配電網的無功交換，實現調控系統電壓、抑制電壓擾動以及減小電壓諧波等。有源濾波器可動態抑制諧波以及補償無功。固態開關可快速隔離故障。動態電壓調節器可抑制電壓波動、不平衡以及諧波對負荷的影響。

2.1.2 分布式發電和儲能的并網裝置。多種分布式發電單元和儲能發電單元接入電網需要應用電力電子技術。以接入交流配電網為例，光伏發電、燃料電池需要DC/AC逆變器，小型風力發電需要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現的新型變電裝置，在完成常規變壓器變壓、隔離和能量傳遞等功能的同時，還可實現潮流控制和電能質量調節等功能。從拓撲類型上，分為AC/AC型和AC/DC/DC/AC型。

2.2 系統級

2.2.1 微電網。微電網是有效利用分布式電源（包括分布式發電和儲能）的一種方式。不同國家和組織對微電網的定義因本地需求、科研水平等因素的不同而有所差異，但是整體來看，微電網具有如下基本特征：包含分布式電源和負荷；應用電力電子技術；既可以工作在并網狀態下，又可以工作在離網狀態下，對外電網表現為一個整體；滿足用戶需求，提供穩定、安全和可靠的電能。相較于分布式電源直接由配電網管理，微電網給接入配電網的分布式電源帶來了新的運行

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成電壓源型換流器（Voltage Source Converter，VSC）進行換流的直流輸電技術，又稱為輕型直流、新型直流、電壓源換流器型高壓直流輸電。它可對有功和無功獨立進行控制，可實現四象限運行，可以向無源交流網供電，也可以支撐弱交流系統。具體而言，可用于風力和光伏并網發電、向孤島或者海上鉆井平臺供電、城市供電、異步互聯以及多端直流互聯等。

2.2.3 交直流配電網。又稱為交直流混合配電網、交直流混合配電網系統等。指采用電力電子技術將交流配電網和直流配電網進行聯網所構成的混合電網。主要拓撲結構分為輻射型、鏈型和環型結構。應用于交直流配電網組網的裝置可以是AC/DC、DC/AC等變換器，也可以是電力電子變壓器等。

2.2.4 能源互聯配電網。相當于將能源互聯網應用于配電網中，直接接入各類用戶，將電力電子設備與通信技術相結合，采用通信技術對網絡內的重要信息進行匯集。能量路由器是能源互聯配電網的核心設備，可聯結中壓配電網和低壓配電網，聯結交流系統和直流系統，實現能量雙向流動，交直流負荷的靈活接入和管理，分布式電源的接入和消納。通過對多電平電力電子變壓器的改進和功能整合，可實現配電網能量路由器的基本功能。

3 配電網電力電子化的影響分析

3.1 電能質量

配電網一部分電力電子裝置專門用于改善電能質量，例如DFACTS裝置；而另一部分電力電子裝置則會惡化電能質量，特別是產生諧波污染，例如含整流裝置的電力電子設備。諧波的來源主要分為兩種：一種是特征性諧波；另一種是非特征性諧波。前者可由質量較差的并網電源、整流裝置、變頻裝置、旋轉電機等設備運行引起，后者可由配電網系統的不對稱運行、電力電子開關器件和觸發脈沖不對稱、驅動電路及緩沖電路參數不對稱等原因引起。

3.2 系統穩定性

相對于傳統配電網，電力電子化后的配電網在系統穩定性方面有以下特點：一是頻率動態變化范圍較大，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量的各類濾波器的使用，容易造成系統諧振問題；三是由于電網特性變化、電壓穩定等過渡過程縮短；四是由于電力電子裝置相對于同步發電機缺乏自然慣性，因此當一部分分布式發電單元、儲能和負荷形成一個小系統離網運行時，系統穩定性問題會尤為突出。

3.3 網架結構

由于電力電子裝置靈活的變流能力，對交直流和多電平的高度集成以及模塊化組裝能力，配電網的網架結構將會更加復雜和多樣化。隨之帶來的是低壓配電網聯絡率和轉供能力的提升，更高的供電可靠性，更加靈活的運行方式，更貼近用戶多元化需求的供電服務以及更強大的風險抵御能力。

3.4 控制

高可控性是電力電子設備的一個較為普遍的特點，同時也是電力電子化配電網的一個主要優勢。通常，電力電子化的配電網控制呈現分層分級的特點，例如設備級、局部系統級（例如對一個微電網、一套柔性直流輸電、一個電力電子變壓器及其所連接的分布式發電單元、儲能和負荷構成的整體）和配電網級，甚至更加復雜的層級劃分。從控制的體系上來講，通常可分為集中式控制和分散式控制。目前，集中式控制在實際系統中應用得更為廣泛，也更容易實現。

3.5 保護

一方面，部分電力電子設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，能量從傳統電網的單向流動變為雙向流動，改變了傳統配電網的短路容量分布情況，傳統配電網的保護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復雜多樣的運行方式，在進行保護配置和重合閘設置時，需盡可能全面地考慮可能出現的各種故障情形，靈活運用部分電力電子設備的快速閉鎖能力，做好設備和系統級保護的配合。

3.6 運維

由于電力電子設備的運行環境要求更加苛刻，控制更加復雜，因此相對于傳統配電網，電力電子化后的配電網更需要精細化運維，對運維人員的業務水平要求也更高。現階段，當投運的電力電子設備出現故障后，通常需要生產廠家甚至研發單位的專業技術人員到現場，當地供電局的運維檢修人員配合，才能完成相關電力電子設備的更換和調試。未來應加強對一線電力員工關于電力電子設備運維技術的普及。

4 結語

配電網電力電子化是當前配電網發展的方向，也是未來配電網實現智能化、自動化以及清潔化的重要手段。隨著相關技術的發展以及用戶對供電各方面要求的提升，DFACTS裝置、分布式發電和儲能的并網裝置、電力電力變壓器等電力電子設備以及微電網、柔性直流輸電、交直流配電網以及能源互聯網等系統構想逐步應用于配電網，給已有配電網的電能質量、系統穩定性、網架結構、控制、保護和運維等方面帶來了一系列影響。如何實現新型電力電子技術與當前配電網的良好對接和融合，充分發揮電力電子技術在提升配電網靈活性、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勢，是需要不斷開展研究和實踐探索的。

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作者簡介：趙敏（1988-），女，安徽巢湖人，國網冀北電力有限公司經濟技術研究院工程師，研究方向：微電網、分布式電源、配電網規劃。

（責任編輯：小 燕）