城市交直流混合配電網的發展及應用技術

何文志

經濟全球化快速發展，城市規模越來越大，電能需求持續增長，發展分布式可再生能源接入配電網系統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展，關鍵技術問題不斷突破，交直流混合用電技術及經濟優勢逐漸凸顯。本文根據當下城市用能形勢，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的未來研究方向進行了展望。

交直流混合;配電系統;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展，傳統交流配用電系統存在“源-荷-儲”接入傳統交流電網變流環節多、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。

目前城市配電網的網架結構單一，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，未來城市配電網需進一步更新換代，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發展。發展以分布式可再生能源為核心，實現“源-網-荷-儲”協調優化運行的新型城市配用電系統，并在不斷擴大的城市供電中發揮安全、穩定、充足的能源供應，為經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，對未來大規模應用交直流混合配電網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展的驅動下，直流配用電技術被廣泛研究，直流配用電系統具有結構簡單、損耗小、供電質量優等特點。現階段的配用電系統中存在大量交流電源及設備，完全進行直流配用電系統的改造不具備經濟性，因此，在現有的交流配用電系統的基礎上，發展交直流混合配用電系統成為目前最為經濟、可行的方案。交直流混合配用電系統結合了交流及直流的優點，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節。

針對上述新型配用電系統發展方向，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具有極大的經濟性和靈活性，該系統的可再生能源可包括光伏、風機、光熱發電，儲能設備可為熱利用系統、儲電系統。通過多端口多功能電力電子變壓器實現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。通過儲電、儲熱等綜合儲能系統，實現源、網、荷高效互補，同時改善多種分布式能源高比例接入對電網的影響。

3 交直流電能轉換裝備

目前發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），它是配電系統實現交直流混聯的核心設備。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，有利于靈活實現配用電系統“源-網-荷-儲”協調優化控制;可減少分布式能源、廣義直流負荷接入時的電能變換環節，提高系統效率;可實現功率因數控制等優點。

電力電子變壓器作為實現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、高壓側串聯的模塊化串并聯結構，低壓側采用并聯的結構可以高效率的擴容;高壓側采用串聯結構直接升壓至中壓配電網電壓等級，并且以多電平的形式出現，有利于減小濾波電感。內部系統采用高頻變壓器隔離，有利于減小變壓器體積，提高系統功率密度。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

在交直流混合系統中，直流母線的保護是保障系統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展，目前主要分為機械式直流斷路器、固態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損耗低、開斷時間較長特點，固態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直流的開斷，具有開斷迅速、可靠性高、通態損耗較大的特點。混合式直流斷路器結合機械式直流斷路器和固態式直流斷路器的優點，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、協調控制層、能量管理層、運營管理層共計四層。其中，就地層、協調控制層和能量管理層為站級控制體系，主要實現對單個交直流混合配電網進行優化運行;運營管理層為云端運營級，主要實現對多個交直流混合配電網進行統一運營管理和調度。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;協調控制層主要包括：多能協調控制系統、區域就地控制器、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-荷-儲”能量管理系統;運營管理層基于云平臺實現，部署基于云平臺的分布式可再生能源運行管理系統。 同時，考慮“源-網-荷-儲”能量管理系統與云平臺的集成度，將能量管理系統與云平臺系統統一部署在云平臺中。

6 結論

城市用電需求不斷增長，發展交直流混合、可供大量分布式可再生能源接入的配電網系統是提升城市用電供應能力的一種有力措施。隨著科技發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提供有益思考，不斷優化城市供電系統。

參考文獻

[1] ?董朝陽， 趙俊華， 文福拴，等. 從智能電網到能源互聯網：基本概念與研究框架[J]. 電力系統自動化， 2014， 38（15）： 1-11.

[2] ?馬釗，周孝信，尚宇煒，等.能源互聯網概念、關鍵技術及發展模式探索[J].電網技術， 2015， 39（11）：3014-3022.

[3] ?孫宏斌， 郭慶來， 潘昭光. 能源互聯網：理念、架構與前沿展望[J]. 電力系統自動化， 2015， 39（11）：?3005-3013.

[4] ?曾鳴， 楊雍琦， 劉敦楠，等. 能源互聯網“源–網–荷–儲”協調優化運營模式及關鍵技術[J].電網技術， 2016， 40（01）：114-124.

[5] ?劉敦楠， 徐爾豐， 許小峰. 面向園區微網的“源–網–荷–儲”一體化運營模式[J].電網技術， 2018， 42（03）： 681-689.